椭圆规机构的设计与制作.docx
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椭圆规机构的设计与制作
内容摘要：
在目前的手工绘图中，大多只能绘制直线和圆。
而椭圆的绘制却相当的难以去绘制。
因此本文就画椭圆的问题进行研究，并设计了这种椭圆规机构。
本机构采用动杆联接两回转副，固定导杆联接两移动副，导杆呈十字形，动杆上各点轨迹为长短径不同的椭圆的原理，并根据此原理制成。
本机构具有制作简单,使用方便,画出来的椭圆精确的特点。
此次通过对此机构的设计和改良，并以此编制相应的加工工艺和程序，并最终加工出椭圆规实物。
关键词：
椭圆规
机构
设计
制作；
Abstract：
Inthecurrentmanualdrawing,mostcanonlydrawastraightlineandcircle.Andelliptic'sdrawingisquitedifficulttodraw.Thereforeellipticproblemisstudiedinthispaper,picture,andtheellipticcustomsagency.Thisinstitutionadoptstheleverconnectstworotaryvice,fixedpistonrodconnectingtwomobilevice,pistonrodiscross,levertrajectorylengthfordifferentpointsontheprincipleofdifferentdiameterofellipse,andaccordingtothisprinciple.Thisinstitutionhasmadesimpleandeasytouse,anddrawoutoftheovalcharacteristicsofaccurate.Thethroughthedesignofthismechanismandimprovement,andtopreparethecorrespondingprocessandprocedures,andfinallyworkoutellipticalcustomsforms.
Keywords：
elliptictrammelsgeardesignpreparation；
1
一、概述
（一）、椭圆规的介绍
1、椭圆规的简介
对于机械专业类的学生和岗位来说，绘图是必不可少的经常性工作。
对于一般的直线、圆弧或圆，利用直尺、圆规即可马上绘制，但在绘制椭圆的时候，一般的作法是利用“四弧连接原理”借助圆规绘制、甚至徒手绘图，可以近似画出来，但毕竟最近似的也不光滑而且难看又费时。
如果有椭圆绘图仪，就可以方便地进行椭圆绘制，而且光滑好看。
于是便产生了椭圆规。
椭圆规机构具有制作简单,使用方便,画出来的椭圆精确等特点，非常适合椭圆类图纸的绘制。
2、椭圆规当前状况
椭圆规有着广泛的应用,但其作图颇为繁琐,且不易准确.多年来国内外有不少人从事这方面的探讨和研究。
它属于一种画椭圆的工具，适用于教学、工程制图、工程制造以及需要画椭圆的地方。
只要已知椭圆的长轴、短轴、焦距三个量中的两个量，即可准确画出具有准确焦点位置的椭圆。
本设计实用新型具有制作简单、使用方便、画出来的椭圆精确、应用领域广等特点。
椭圆规机构的设计制作涉及原理设计、结构设计及机械加工制造等多方面专业知识，通过对常用结构件或装置的分析，可以检验学生对本专业相关基础专业知识掌握情况，学会理论联系实际，提高综合知识应用能力，通过独立完成设计内容，为未来就业打下一定基础。
椭圆规机构的设计主要是其零部件的设计制作，所制作零件应符合造价低廉、设计及制作简易等条件，以便适用与学生。
（二）、设计椭圆规的要求
完成此次毕业设计需要根据任务书和预期目标的要求，通过搜集和整理椭圆规机构及工艺的有关资料，结合自己所学知识，确定整体设计方案，并依次进行椭圆规机构的设计，使所设计的椭圆规机构结构简单，转动灵活，使用方便，能准确完成椭圆的绘制。
通过对椭圆规机构的使用现状、需求情况以及使用寿命的调查，以及对常用结构件或装置的分析，查看相关资料，结合自己所学的《机械设计基础》、《机械制图》、《机械制造技术》等专业课程，掌握一定的相关信息，在比较和借鉴的基础上，设计制造出一种机构更加简单合理、高质量、高效率、以及使用成本更
2
加低廉的椭圆规机构，来满足课程设计。
对于椭圆规机构的设计与制造，我想通过指导教师的精心指导，再结合查阅的相关资料及自己所学本专业相关基础知识、专业知识和技能，利用现有的工具书，根据分析结果提出椭圆规机构的设计方案，并修改加工。
对椭圆规机构来说，为演示它的运动可行性来进行数据分析，可选用CAXA进行设计。
（三）、本课题涉及的重点与解决方法
1、本课题重点及关键在于以下几点：
（1）、椭圆方程的计算；
（2）、椭圆规的配合方式；
（3）、椭圆规的底槽设计；
（4）、椭圆规的连杆设计；
（5）、椭圆规的制作；
2、根据以上设计重点相应的解决方案有以下几点：
（1）、计算椭圆上各点的方程及椭圆的圆心率；
（2）、联系到椭圆规数学原理，通过调整连杆间距画出不同尺寸的椭圆；（3）、考虑到连杆的设计方式为连杆机构，支架的设计必须满足连杆连接的基
本需求；
（4）、考虑到椭圆规制作的简易适用性、灵活性及受力等综合性能方面的要求，制作的椭圆规的整体厚度、重量，材料等的考虑；
（5）、椭圆规零部件制作及组装；
二、椭圆规机构的原理设计
（一）、椭圆规的原理
椭圆规的工作过程如图2.1
3
图2.1模型
图2.2数学模型
其数学证明过程如下：
4
设PA=a,PB=b,和t=∠ABO（O为十字形中心）以十字形构建直角坐标系。
则点P的坐标是（acost,bsint），点P的轨迹是以2a和2b为轴心的椭圆。
椭圆面积S=π×a×b
范施古登定理：
在一个三角板中，如果两个角的顶点沿着一个固定的两边滑动，则第三个角顶的轨迹是一个椭圆。
（二）、椭圆的轨迹分析
连杆滑块式的原理图如下图2.3所示，设AM=BM=0M，M为AB的中点，OM的长度不变。
滑块B沿X轴水平移动，滑块A沿Y水平移动，那么AB上任一点P相对于定坐标的运动轨迹为：
yasinbsin
两式移项后的平方和为：
图2.3椭圆原理图
三、椭圆规机构各部件的设计
（一）、十字板的设计
十字板是椭圆规机构的基本零件，由椭圆形成原理可知，绘制椭圆的零件都是
5
在十字板中的，通过使滑块在十字板中滑动以绘出椭圆。
十字板的设计形式是直槽，设计直槽是因为各种条件所限。
但也因此使得直槽更容易加工和装配。
考虑到加工条件和实际使用情况，我们选择美观且轻便的铝作为制作材料。
十字板的设计图如下所示。
12?
0.1
图3.1十字板
考虑到工件的美观和实际的耐用度我们选用圆底板，这样的设计对于使用和存放也有一定的便利。
但同时对于加工却又增加了几分难度。
由于是圆外形，所以在铣削加工的夹持和对刀等加工步骤中会不可避免的带来一些麻烦。
由于毛坯表面很差，又考虑到椭圆规表面的美观情况，所以我们在加工前对毛坯表面首先进行了车削和铣削进行处理，进而进行对椭圆规底板的正式加工。
根据以上的分析我们得到了以下的工艺卡片和刀具卡片。
表3.1
十字板数控加工工序卡片
产品名称
零件名称
材料
夹具名称
使用设备
程序编号
零件图号
椭圆规
十字板
铝
三爪卡盘
普通车床、加
工中心
O0001;O0002
图3.1
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
／mm
主轴转速
／（r／min）
进给量
／（mm／min）
背吃刀量
／mm
备注
6
／（mm／r）
1
车削外圆
T01
400
0.2
0.5
2
车削端面
T01
400
0.2
0.5
3
铣削十字
槽
T02
Φ10
1000
300
6
编制
李鑫
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
第一页
表3.2
十字板数控加工刀具卡片
产品名称
零件名称
零件图号
程序编号
椭圆规
十字板
3.1
o0001;o0002
工步号
刀具号
刀具名称
备注
1
T01
90度外圆车刀
2
T01
90度外圆车刀
3
T02
Φ10立铣刀
编制
李鑫
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
第一页
程序如下
O0001;
G90G54G21;
M03S1000F300;
G00Z100.;
X100.Y1.;
Z5.;
G01Z1.;
M98P3L2;
G00Z100.;
X100.Y100.;
M30;
7
O0002;
G91G01Z-6.;
G90G01X-100.;
G01Y-1.;
G01X100.;
G00Y100.;
G00X1.;
G01Y-100.;;
G01X-1.;
G01Y100.;
M99;
（二）、滑块的设计
滑块是椭圆规中的运动部件，通过在十字板中运动获得椭圆，粗糙度好的滑块可在十字板中自然的滑动，滑块质量的好坏决定了绘图过程的效率与工作质量。
为了保证加工质量和美观，我们选择铝作为加工材料，加工机床采用加工中心。
由于条件所限，我们的滑块采用直滑块，也因此滑块的加工更容易保证质量。
在加工滑块之前，首先对毛坯表面进行加工，以保证表面的平整与美观。
接下来对其进行加工，直到加工到理想尺寸和表面质量。
滑块设计图如下：
8
24
图3.2滑块
下面是对加工滑块所做的工艺卡片和刀具卡片。
表3.3滑块数控加工工序卡
产品名称
零件名称
材料
夹具名称
使用设备
程序编号
零件图号
备注
椭圆规
滑块
铝
虎钳
加工中心
o0003;o0004
图3.2
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
／mm
主轴转速
／（r／min）
进给量
／（mm／min）
背吃刀量
／mm
1
铣削滑块表
面
T01
Φ10
1000
200
6
2
加工滑块
T01
Φ10
1000
200
6
编制
梁梓鸣
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
第一页
表3.4滑块数控加工刀具卡
产品名称
零件名称
零件图号
程序编号
椭圆规
滑块
图3.2
o0003;o0004
工步号
刀具号
刀具名称
备注
9
1
T01
Φ10立铣刀
2
T02
Φ6麻花钻
编制
梁梓鸣
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
第一页
加工程序如下：
O0003;
G90G54G21;
M03S1000F300;
G00Z100;
X100Y100;
Z5;
X20Y1;
G01Z0;
M98P4L2;
G00Z100;
M30;
O0004;
G91G01Z-3;
G01X-20;
Y-2;
X20;
M99；
（三）、导杆的设计
导杆是连接两滑块的部件，是椭圆规中的制图运动部件。
导杆上的螺钉连接两滑块，两滑块的距离会影响到椭圆规画出的椭圆的尺寸。
导杆的加工精度直接影响到椭圆规画出椭圆的尺寸精度。
经过讨论，我们决定将导杆设计为可调类型。
在滑块与导杆连接处进行打孔，然后在两孔之间再打一些孔用以调节椭圆尺寸。
10
图3.3导杆
以下是我们关于导杆的工艺表与刀具表：
表3.5导杆数控加工工艺卡
产品名称
零件名称
材料
夹具名称
使用设备
程序编号
零件图号
椭圆规
导杆
铝
虎钳
加工中心
o0005;o0006
图3.3
工步号
工步内容
刀具号
刀具规格
／mm
主轴转速
／（r／min）
进给量
／（mm／min）
背吃刀量
／mm
1
铣削导杆外
表面
T01
Φ10
1000
200
6
2
在导杆上打
孔
T02
Φ5
1000
200
3
编制
梁梓鸣
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
表3.6导杆数控加工刀具卡
产品名称
零件名称
零件图号
程序编号
椭圆规
导杆
图3.3
oO005;o0006
工步号
刀具号
刀具名称
备注
11
1
T01
Φ10立铣刀
2
T02
Φ5钻头
编制
梁梓鸣
审核
杨杨
批准
杨杨
共一页
第一页
程序如下
O0005;
G90G54G21;
M03S1000F200;
G00Z100;
Z20;
X-65;
M98P6;
G01X-40;
M98P6;
G01X-15;
M98P6;
G00Z100;
M30;
O0006;
G00Z5;
G01Z-5;
Z0;
Z-10;
Z-5;
Z-15;
Z5;
G00Z20;
M99;
12
（四）、工件的组装与实体图
为了各个构件的配合，我们选用螺钉作为导杆与滑块的配合件。
通过在滑块上攻螺纹而导杆打孔的方法连接滑块与导杆，这样可以使得配合更牢靠，工作更加稳定和准确。
经过我们的努力，下面是我们加工好的工件照片。
设计总结与分析
本次毕业设计分工如下：
李鑫：
设计加工十字板，编制工艺。
梁梓鸣：
设计加工滑块导杆，编制程序。
赵鹏翔：
参与加工，装配，论文。
曹顺清：
参与加工，查找资料，绘图。
赵未硕：
参与加工，查找资料，幻灯片。
13
毕业设计是对我们进入社会而预先进行的一次测试，在此次的毕业设计中我获益良多。
首先是相关资料的寻找方面，这次毕业设计开始，我们上网查阅关于此课题的相关资料，从中找出重要的信息并分类整理。
在此过程中，我们的辅导老师给了我们很多意见与提示。
在接下来的画图期间，同学们不断交流，使我们都受益匪浅。
在接下来的工艺分析与编程过程中，我们共同讨论和研究，最终确定了加工的工艺路线和程序，以及部件的连接方式等等问题。
这些也使我们对机械加工有了更多方面的认识。
在制作过程之中我们也从中发现了很多问题，比如在加工十字板时因为毛坯太薄，所以在车床上的装夹就显得有一些难度。
在这方面，经过组内讨论，我们最后将卡盘的卡爪反装来装夹。
再有就是在加工十字板的十字槽时不容易对刀，因为毛坯是圆盘，而我们从未遇到过这种情况，所以这也成为了一大问题。
经过查阅资料得知，对圆类工件的刀需要对圆柱体坯料X和Y方向的平行点，用相对坐标归零算两点之间的中心来计算圆柱体坯料的圆心点坐标。
在对十字交叉4个点时，必须要保证平行。
还有就是在铣削过程中发现了不同程度的粘刀现象，经过加工后总会发现刀具上有积屑瘤，影响到加工的精度和质量。
在这方面，经过我们上网查阅资料得知，因为铝材料的塑形好和熔点低的特点，在加工过程中容易产生高温高压，铝材料的碎屑容易粘在刀具上，影响加工质量，在温度降低之后硬化，并依附在刀具上。
解决方法最容易的就是在加工过程中使用切削液。
总而言之，本次毕业设计任务的执行和完成，使我对本专业的相关知识有了系统的认识，使我对本专业的知识和实践经验有了更深一步的提升。
我相信这对我今后的发展和工作定会产生很大的帮助和启示。
谢谢学校给予我们这次的实践机会。
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参考文献
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大连理工大学出版社，2000.5.
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高等教育出版社，1999.6.
[3]张念淮.机械制造技术.北京：
中国铁道出版，2000.
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机械工业出版社，2000.
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高等教育出版社，2006.
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机械工业出版社，1994.6.
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高等教育出版社，2000.
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机械工业出版社，1988.
[11]陈宏钧.实用机械加工工艺手册.北京：
机械工业出版社，2005.
[12]朱孝录.中国机械设计大典第4卷.南昌：
江西科学技术出版社，1994.
15
致
谢
作为一个高职高专学生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在这里首先要感谢我们的导师杨杨老师和武颖老师，从课题的选择到设计的最终完成，杨老师和武老师都始终给予我们细心的指导和不懈的支持，老师多次询问设计进程，并为我们指点迷津，帮助我们开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
老师平日里工作繁多，但在我们做毕业设计的每个阶段，从查阅资料、设计草案的确定和修改、中期检查、后期详细设计、装配等整个过程中都给予了我们悉心的指导。
除了敬佩老师的专业水平外，她们的治学严谨和科学研究的精神也是我们永远学习的榜样，并将积极影响我们今后的学习和工作，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
然后还要感谢大学几年来所有的老师，传授我们机械专业的基础和数控机床的基本操作，教育我们为人处世的道理；同时还要感谢所有关心和帮助过我们的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，使我们感受到了团队的力量，顺利完成了此次毕业设计。
最后感谢我们的母校新乡职业技术学院这几年来对我们的大力栽培，给予我们知识和信心，鼓励我们勇敢地面对挑战和未来。
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