锁梁自动成型机床扳弯机构设计

1、北华大学专业方向课程设计计算书专业方向课程设计计算书目录1.课题研究的目的意义及国内外研究概况21.1课题来源21.2课程设计目的22.课程设计题目22.1题目名称：锁梁自动成型机床扳弯机构设计。22.2设计题目数据23.国内相关研究发展现状34.原理方案设计44.1送料机构的选择与比较44.2定位夹紧机构的选择与比较54.3搬弯机构的选择与比较54.4机构总体方案图及原理简要说明65.系统方案拟定与比较75.1功能分解75.2功能逻辑图75.3根据工艺过程确定执行构件的运动形式75.4绘制机械系统运动转换功能图75.5根据执行构件的运动形式选择机构85.6用形态学矩阵法创建机械运动的运动方案

2、86.传动零件设计96.1原动机的选择96.2传动机构的选择与比较106.3分配轴强度及刚度校核117.机械系统的工作运动循环图138.机构的设计与运动分析148.1电机向主轴传动设计与分析148.2送料机构设计与分析148.3定位夹紧机构的设计与分析158.4搬弯机构的设计与分析169.优化设计1610.结论18参考资料19设计小结201. 课题研究的目的意义及国内外研究概况1.1 课题来源 指导教师制定课题。1.2 课程设计目的 本课程设计是使现代机械设计方向的学生全面、系统地掌握和深化机械设计类课程的基本知识、基本理论与基本方法的专业性、综合性实践教学环节。其目标是：1、通过工程设计过程

3、各主要环节的训练，使学生树立正确的设计思想，了解现代机械设计技术及其在实际工程中的应用，掌握一般机械设计的基本方法和技能，培养观察、提问、分析和解决问题的独立设计工作能力，训练设计构思和创新能力。2、培养学生综合运用机械设计类课程及其他有关先修课程的知识、理论与方法分析和解决机械设计问题的能力，以进一步巩固、深化、扩展所学到的理论知识，并使理论知识与生产实践紧密结合。3、培养学生的计算机辅助设计能力、现代设计理论与方法的运用能力和标准、规范、手册、图册及网络信息等有关技术资料的查阅与运用能力，为今后成为高级机械设计工程技术人员进行基本技能和基本素质训练。2. 课程设计题目2.1题目名称：锁梁自

4、动成型机床扳弯机构设计。锁梁自动成型机床加工锁梁（即挂锁上用于插入门扣的钩状零件），其工序为：将盘圆钢条校直、切槽、车圆头、切断和扳弯成型。本机构为该机床的扳弯成型加工部分，由送料机构、定位机构和扳弯机构组合而成。2.2设计题目数据生产率: 18件/分电机转速: 850转/分工件长度: 200mm工件主体直径:=9mm工件小圆头直径：扳弯角度： 192º齿轮模数：5mm3. 国内相关研究发展现状在我国，组合机床发展已有28年的历史，其科研和生产都具有相当的基础，应用也已深入到很多行业。是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。组合机床及其自

5、动线是集机电于一体的综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工、家电等行业。我国传统的组合机床及组合机床自动线主要采用机、电、气、液压控制，它的加工对象主要是生产批量比较大的大中型箱体类和轴类零件（近年研制的组合机床加工连杆、板件等也占一定份额），完成钻孔、扩孔、铰孔，加工各种螺纹、镗孔、车端面和凸台，在孔内镗各种形状槽，以及铣削平面和成形面等。组合机床的分类繁多，有大型组合机床和小型组合机床，有单面、双面、三面、卧式、立式、倾斜式、复合式，还有多工位回转台式组合机床等；随着技术的不断进步，一种新型的组合机床柔性

6、组合机床越来越受到人们的青睐，它应用多位主轴箱、可换主轴箱、编码随行夹具和刀具的自动更换，配以可编程序控制器（PLC）、数字控制（NC）等，能任意改变工作循环控制和驱动系统，并能灵活适应多品种加工的可调可变的组合机床。另外，近年来组合机床加工中心、数控组合机床、机床辅机（清洗机、装配机、综合测量机、试验机、输送线）等在组合机床行业中所占份额也越来越大。 由于组合机床及其自动线是一种技术综合性很高的高技术专用产品，是根据用户特殊要求而设计的，它涉及到加工工艺、刀具、测量、控制、诊断监控、清洗、装配和试漏等技术。我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后，国内所需的一些高水平组合

7、机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。 在这些方面我国组合机床装备还有相当大的差距，因此我国组合机床技术装备高速度、高精度、柔性化、模块化、可调可变、任意加工性以及通信技术的应用将是今后的发展方向。4. 原理方案设计锁梁自动成型机床加工锁梁（即挂锁上用与插入门扣的钩状零件）的工序为：将盘圆钢条校直、切槽、车圆头、切断和搬弯成型。本机构为该机床的搬弯成型工艺部分，由送料机构、定位机构和搬弯机构组合

8、而成。搬弯成型加工原理如图1所示：送料单元D将工件送到搬弯工位后即返回，此时定位单元执行端上升对工件进行定位，防止工件滑动。工件就位后，压紧单元C将工件端部压紧，然后掰弯单元A对已经压紧的工件进行掰弯，掰弯后自动回位准备下一次加工。图14.1 送料机构的选择与比较用一自锁式夹持器作间歇往复直线运动实现送料。如图方案一所示，夹持器由机构件4-5-5组成，夹持器由凸轮机构1通过摆动导杆2驱动作间歇往复直线运动，当夹持器向左运动时，由推爪5和5在卷料7上打滑，从而实现单向送料。方案一和方案二都能实现单向送料。方案一用摇杆导杆滑块机构，使用凸轮连杆机构，凸轮能够实现比较精准，但是传动机构成本高。方案二

9、运用六杆机构，分别可以视为一个曲臂摇杆和一个摇杆滑块结合，没有间歇运动，但把极位夹角设计得大一些也能实现目的运动。应用方案二可以节约成本。4.2 定位夹紧机构的选择与比较 方案一：从图可知，平底推杆4在凸轮3的旋转上下移动。5是回位弹簧。6是V型块，有定位和夹紧工能为一体。方案二：原理如图，定位和夹紧分开。块6是定位块，由凸轮和连杆组合上下移动实现定位。V型块4的上下移动实现夹紧。 方案一 方案二 通过方案一和方案二的比较，方案一的定位和夹紧为一体，更为简单，用的机构少，没有使用滚子，经济节约。同时又能够满足定位和夹紧需要。4.3 搬弯机构的选择与比较方案一：运用的是曲臂摇杆机构，通过杆1的旋

10、转使得杆3的摆动，从而由杆4传动到圆轮5的旋转。从而带动搬弯装置进行搬弯。使用这种曲柄摇杆机构，没有间歇运动。方案二：使用六杆机构传动，原动件5的来回移动让杆1来回摆动，从而带动搬弯机构进行搬弯。使用凸轮作为原动件，可保证搬弯过程中有间歇运动。 方案一 方案二方案一没有运动间歇，在实现搬弯过程中，需要在完成搬弯之后有一段间歇，使得送料机构将搬弯好的工件顶出，将下一个待搬弯的工件送到工位，以待搬弯。所以，选择方案二较好。4.4 机构总体方案图及原理简要说明电动机850r/min，通过1与2皮带传动，在经过22'33'4的齿轮减速，使主轴转速变为18r/min。送料机构5与主轴同速

11、，带动杆7摆动，使送料构件8将工件9带到搬弯位置。加紧定位机构凸轮4'与主轴同速，将平底推杆向上推，使工作时达到定位和加紧工件9的作用，在搬弯完成后，通过回位弹簧将推杆退回，使得工件得以被推出和下一个工件得以进入。搬弯机构通过凸轮7'的转动带动8'向下平移，带动杆9'来回摆动，同时带动轮11'来回摆动，通过链条带动轮12转动180°，实现工件9的搬弯。5. 系统方案拟定与比较5.1 功能分解为了实现将金属材料加工成锁梁的总功能，可将总功能分解为如下分功能：5.1.1 送料功能5.1.2 送料定位功能5.1.3 工件夹紧功能5.1.4 工件搬弯功

12、能5.2 功能逻辑图 送料功能送料定位功能工件的定位与夹紧功能工件后夹紧工件的搬弯功能锁梁自动成型机床搬弯机构图2 功能逻辑图5.3 根据工艺过程确定执行构件的运动形式5.3.1 送料功能的执行构件是自锁式夹持器，它作无间歇往复移动。5.3.2 定位夹紧执行构件是定位杆，它的运动是间歇往复移动。5.3.3 固定机构是用带有V头的杆，它的运动是间歇往复移动。5.3.4 由搬弯机构的原理可知，搬弯的执行构件是滚子支架，它的运动是往复回转运动。5.4 绘制机械系统运动转换功能图根据执行构件的运动形式，绘制出机械系统的转换功能图，如图3所示。图8转换功能图图35.5 根据执行构件的运动形式选择机构5.

13、5.1 送料夹持器无间歇往复移动，可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮机构+连杆机构）等。5.5.2 定位间歇往复移动，同样可选用凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮机构+连杆机构）等。5.5.3 V型夹紧机构是间歇往复移动，可选凸轮机构，连杆机构，组合机构（如凸轮机构+连杆机构）等。5.5.4 搬弯头的间歇往复回转运动，可选用凸轮机构，齿轮摆杆机构，组合机构（凸轮机构+连杆机构+链传动等）。5.6 用形态学矩阵法创建机械运动的运动方案根据机械系统运动转换功能图可构成形太学矩阵。由下表所示的形态学矩阵可求出锁梁自动搬弯系统运动方案数为N=3×3×3×3

14、15;3×3×3=2187可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴和设计等，从中选出较为实际可行的方案。表中用线连的是选择的最优方案表1：形太学矩阵功能元功能元解（匹配机构）123减速1带传动齿轮传动蜗杆传动减速2带传动齿轮传动蜗杆传动减速3带传动齿轮传动蜗杆传动送料夹持器无间歇往复移动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆机构定位杆的间歇往复移动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆机构固定机构的间歇往复移动凸轮机构连杆机构凸轮+连杆机构搬弯滚子支架的间歇往复回转运动凸轮机构齿轮摆杆机构凸轮机构+连杆机构+链传动机构6. 传动零件设计6.1 原动机的选择 根据设计的要求可

15、知，锁梁一般是大批量生产；从能源方面看，工厂的电源能有效地保证并充足，且有降低生产成本，便于操作，工件可靠，维修方便，应尽量选用电力驱动。从对环境影响来看，电力驱动方式所产生的污染较小，可选择电动机。从经济方面来看，电动机应满足一定的功率，防止功率过大造成浪费，过小负荷过大，使生产率达不到要求致使浪费时间。所以为了满足上诉要求，选择电压为380V转速850转/分的交流电动机最为合适。6.2 传动机构的选择与比较 机械系统中的传动机构是把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变及运动形式的改变的中间装置。常用的传动机构有齿轮传动、带传动、链传动、螺旋传动、蜗杆传动等。他们的各

16、自有的特点如下：特点功率（KW）效率寿命应用齿轮传动承载能力和速度范围大；传动比恒定，采用卫星传动可获得很大传动比，外廓尺寸小，工作可靠，效率高。制造和安装精度要求高，精度低时，运转有噪音；无过载保护作用。圆柱直齿750。圆柱直齿轮0.950.98。取决于齿轮材料的接触和弯曲疲劳强度以及抗胶合与抗磨损能力。金属切削机床、汽车、起重运输机械、冶金矿山机械以及仪器等。带传动轴间距范围大，工作平稳，噪音小，能缓和冲击，吸收振动；摩擦型带传动有过载保护作用；结构简单，成本低，安装要求不高；外廓尺寸较大；摩擦型带有滑动，不能用于分度链；由于带的摩擦起电，不宜用于易燃易爆的地方；轴和轴承上的作用力很大，带

17、的寿命较短。普通V带500窄型V带750平带3500。V型带0.900.94平带0.940.98带轮直径大，带的寿命长。普通V带 3500-5000h。金属切削机床、锻压机床、输送机、通风机、农业机械和纺织机械。链传动轴间距范围在，传动比恒定；链条组成件的油膜能吸振，对恶劣环境适应能力强，工作可靠高速时没有带传动平稳，容易引起共振需设张紧和减振装置。最在3500一般小于100。速度小于等10m/s时0.950.97速度大于10m/s时0.920.96。与制造质量有关5000-15000h。农业机械、石油机械、矿山机械、运输机械和起重机械等。蜗杆传动结构紧凑，单级传动能得到很大的传动比；传动平稳

18、，无噪音；可制成自锁机构；传动比大、滑动速度低时效率低；中、高速传动需用昂贵的减磨材料；制造精度要求高，刀具费用贵。最在750通常只用到50。单头0.70.75双头0.750.82。制造精确，润滑良好，寿命较长；低速传动，磨损显著。金属切削机床（特别是分度机构）、起重机、冶金矿山机械、焊接转胎等。通过上几种传动装置的比较可得，减速的优先选择带传动、齿轮传动，他们的要求的传动功率不大，在满足工作的性能情况下，选用这种结构简单的传动装置，可以降低成本，节约能源。在搬弯时由于需要间歇运动，采用组合机构（槽轮机构+曲柄摇杆机构）。6.3 分配轴强度及刚度校核在设计中，轴的直径d=45mm，转速n=15

19、r/min。分配轴输入功率；从动轮B、C、D的功率分别为、。轴的材料为45钢，G=80×MPa，=40Mpa，=/m。6.3.1 计算外力偶矩：= 9550 = 9550× N·m =23365 N·m= 9550 = 9550× N·m =9359 N·m= 9550 = 9550× N·m =7003 N·m6.3.2 画扭矩图，求最大扭矩，用截面法求得AB、BC、CD各段的扭矩分别为：= -= -23365 N·m= -（）= -（23365-9359）N·m =-14

20、006 N·m=-（）= -（23365-9359-7003）N·m =-7003 N·m由转矩图可见，在AB段内转矩最大，为：= 23365 N·m。因为这是一根等截面轴，故危险截面就在此段轴内。 图4：转矩图6.3.3 强度校核，按照强度条件式=×=38.8×=38.8×<=40Mpa满足强度条件。6.3.4 刚度校核，按照刚度条件式=× =/m = < = 满足刚度条件。7. 机械系统的工作运动循环图图5：运动循环图表2 运动循环分配表执行构件动作时间分配轴转角送料杆送料行程工作位置停歇空回行程T

21、1=1/2T2=0T3=1/21=180°2=0°3=360°定位夹紧定位行程工作位置停歇空回行程T1=1/2T2=1/4T3=1/41=185°2=275°3=360°搬弯搬弯行程空回行程初始位置停歇T1=1/6T3=1/12T4=3/41=60°3=30°3=270°8. 机构的设计与运动分析8.1 电机向主轴传动设计与分析根据生产率18件/分可知，主轴的转速为18r/min。从而可以算得传动比i=850/18,从而设计三级减速，如图6所示。从1到2是带传动，其余为齿轮传动。相关设计尺寸如下： d1=

22、100 d2=300； z3=15 d3=mz=75； z4=75 d4=mz=375； z5=18 d5=mz=90； z6=64 d6=mz=320。 图68.2 送料机构设计与分析如图7，送料机构是由曲臂摇杆机构ABCD和摇杆滑块机构DEFA组成。将滑块F的终始位置FF'长度以工件长度200mm画出来，使FE长30mm，ED长148.6mm，以D点离导路长设置为合理长度，角度EDE'=81º。为了使得机构ABCD有较大的极位夹角符合设计运动循环图，使得设计比较合理，将摇杆CD设计得长一点，去CD=150mm，以使得摇杆得到比较大以足够现实中能得以实现。由运动循环

23、图得到极位夹角=84º，按比例作图，得：如图标AB=60mm，BD=130mm，AD=92.2mm。其余数值如图： 图78.3 定位夹紧机构的设计与分析 如图8，定位机构和夹紧机构合为一体，工件槽深为1.5mm，设计中设计主轴到工件下表面距离为157.18mm，凸轮行程最小为1.5mm，在设计中定凸轮行程为5mm，则空行程为3.5mm，由于行程比较短，又没有急进急回运动，所以出于经济考虑，基圆定半径为30mm。所以如图：H=157.18-30-5=122.18mm图88.4 搬弯机构的设计与分析 用一搬弯滚子将工件压在一圆弧模块上，然后绕圆弧模块转一角度，即可将工件搬成与圆弧模块半径

24、相对应的弧型，其搬弯原理如图（图9）搬弯机构中搬弯滚子要完成180º转动，方能完成搬弯工作。如图7.4b中，由轮A转动一定角度，由链条传动带动上轮转动180º使搬弯滚子完成180º转动。它们的关系必须满足，r=R，取r=25mm，R=100mm，得出比较合理角度=45º。在双摇杆ABCD中，去AB=CD=80mm,BC=AD=200mm，即有CD摇杆的摆角也为45º。在摇杆滑块机构DEFA中，使DE=40mm，D距离滑块导路为53.63mm，利用作图法，取得F的行程为30.61mm，从而得到凸轮的行程为30.61mm。将凸轮的基圆半径设计为r=90+20=110mm（滚子半径20mm），较为合理，基圆过小容易出现失真。 a b图99. 优化设计 分配轴优化设计。分配轴的设计方案由三个设计变量决定。即外径D、跨局L以及外伸端长度a故设计变量取为：x=。机床主轴优化设计的目标函数则为：f(x) = 。式中是指材料的密度。接下来确定约束条件。主轴的刚度是一个重要的性能指标，其外伸端的挠度y不得超过规定值，据此建立性能约束g(x) = y-0。 在外力F给定的情况下，y是设计变量x的函数，其值