自动钻床课程设计说明书文档格式.docx
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1400
2
C
10
960
二、设计方案提示
1.钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头的进刀（升降）运动。
2.除动力头升降机构外，还需要设计送料机构、定位机构。
各机构运动循环要求见下表。
机构运动循环要求表
凸轮轴转角
10º
20º
30º
45º
60º
75º
90º
105º
～270º
300º
360º
送料
快进
休止
快退
定位
进刀
3.可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
三、设计任务
1.半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构；
2.设计传动系统并确定其传动比分配，并在图纸上画出传动系统图；
3.图纸上画出半自动钻床的机构运动方案简图和运动循环图；
4.凸轮机构的设计计算。
按各凸轮机构的工作要求，自选从动件的运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径。
对盘状凸轮要用电算法计算出理论廓线、实际廓线值。
画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图；
5.设计计算其他机构；
6.编写设计计算说明书；
第一章：
所设计的机构述………………………………………………………………………1
1.1功能要求………………………………………………………………………………………1
1.2设计任务要求…………………………………………………………………………………2
1.3原动机的选择原理……………………………………………………………………………2
1.4传动机构的选择和工作原理…………………………………………………………………2
第二章：
功能分解图，执行机构动作…………………………………………………………4
2.1功能分解………………………………………………………………………………………4
2.2执行构件的选择………………………………………………………………………………4
第三章：
运动方案的选择与较……………………………………………………………………5
3.1进刀机构………………………………………………………………………………………5
3.2送料机构………………………………………………………………………………………6
3.3定位机构………………………………………………………………………………………8
3.4减速机构………………………………………………………………………………………9
3.5绘制系统运动转换功能……………………………………………………………………10
3.6用形态学矩阵法创建机械系统运动方案…………………………………………………10
第四章：
工作循环图………………………………………………………………………………11
第五章：
执行机构设计过程及尺寸计算………………………………………………………12
5.1送料机构分析………………………………………………………………………………12
5.2凸轮摆杆机构的设计………………………………………………………………………13
5.3凸轮推杆机构的设计………………………………………………………………………14
5.4行星轮系的计算……………………………………………………………………………15
第六章：
机构运动总体方案图…………………………………………………………………17
附录.凸轮设计分段图轮廓图和设计结果…………………………………………………18
定位凸轮图形…………………………………………………………………………………18
进刀凸轮图形……………………………………………………………………………………19
夹紧凸轮图形……………………………………………………………………………………21
机构三维图形……………………………………………………………………………………22
总结………………………………………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………………………30
第一章：
所设计的机构概述
1.1功能要求
该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1400/min降到主轴的2r/min，计要求的机床的进料机构工作行程等于35mm，动力钻头工作行程大于18mm，与传动轴相连的各机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，最后由凸轮机通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这样动力头也就能带动刀具平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量半自动钻床机能够实现送料、定位、和孔的一体化功能。
半自动钻床机由送料机构，定位机构，进刀机构以及电动机组成。
送料机构将被加工工件推入加工位置并由定位机构使被加工工件可靠固定，最终由进刀机构负责动力头的升降来进行钻孔工作。
选择送料机构时要考虑到被加工的构件的形状，送料机构要以直线、间隙、定量地将要加工的构件送入加工台，可用来回往复移动构件走直线轨迹段推构件向前进，用定位机构来定住构件的要被加工的位置，加紧之后再钻，打好孔之后再退刀，退出时可以用送料机构送的构件推出加工台，以此来实现循环加工。
1.2设计任务要求
5.设计计算其它机构；
1.3原动机的选择原理
1:
原动机的分类原动机的种类按其输入能量的不同可以分为两类：
A一次原动机
此类原动机是把自然界的能源直接转变为机械能，因此称为一次原动机。
属于此类原动机的有柴油机，汽油机，汽轮机和燃汽机等。
B二次原动机
此类原动机是将发电机等能机所产生的各种形态的能量转变为机械能，因此称为二次原动机。
属于此类原动机的有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。
2:
选择原动机时需考虑的因素：
A：
考虑现场能源的供应情况。
B：
考虑原动机的机械特性和工作制度与工作相匹配。
C：
考虑工作机对原动机提出的启动，过载，运转平稳，调速和控制等方面的要求。
D：
考虑工作环境的影响。
E：
考虑工作可靠，操作简易，维修方便。
F：
为了提高机械系统的经济效益，须考虑经济成本：
包括初始成本和运转维护成本。
综上所述，在半自动钻床中最益选择二次原动机中的电动机作为原动件。
1.4传动机构的选择和工作原理
1传动机构的作用
把原动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力。
把原动机输出的速度降低或提高，以适应执行机构的需要。
用原动机进行调速不经济和不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常调要求
把原动机输出的等速回转运动转变
实现由一个或多个动力机驱动或若干个速度相同或不同的执行机构。
由于受机体的外形，尺寸的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与原动机直接连接时，也能传动。
2传动机构选择的原则
对于小功率传动，应在考虑满足性能的需要下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用。
对大功率传动，应优先考虑传动的效率，节约能源，降低运转费用和维修费用。
当执行机构要求变速时，若能与动力机调速比相适应，可直接连接或采用定传动比的传动装置；
当执行机构要求变速范围大。
用动力机调速不能满足机械特性和经济性要求时，则应采用变传动比传动；
除执行机构要求连续变速外，尽量采用有级变速。
执行机构上载荷变化频繁，且可能出现过载，这时应加过载保护装置。
主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。
动装置的选用必须与制造水平相适应，尽可能选用专业厂生产的标准传动装置，加减速器，变速器和无级变速器等。
第二章：
功能分解图，执行机构动作
2.1功能分解图如下图
输送工件至指定位置夹紧钻孔后将其推出
滑块送料功能
工件的定位功能
工件的夹紧功能
工件的钻孔功能
图3-1
2.2执行构件的选择
1.减速传动功能
选用经济成本相对较低，而且具有传动效率高,结构简单,传动比大的特点,可满足具有较大传动比的工作要求，故我们这里就采用行星轮系来实现我设计的传动。
2.定位功能
由于我们设计的机构要有间歇往复的运动，有当凸轮由近休到远休运动过程中,定位杆就阻止了工件滑动，当凸轮由远休到近休运动过程中可通过两侧的弹簧实现定位机构的回位,等待送料,凸轮的循环运动完成了此功能。
、
3.进料功能
进料也要要求有一定的间歇运动，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通过和齿轮的啮合来传递，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构,用从动件滚子推杆的直线往复运动实现进料。
4.进刀功能
采用凸轮的循环运动,推动滚子使滚子摆动一个角度,通过杠杆的摆动弧度放大原理将滚子摆动角度进行放大.可增大刀具的进给量,在杠杆的另一端焊接一个圆弧齿轮,圆弧齿轮的摆动实现齿轮的转动,齿轮的转动再带动动力头的升降运动实现进刀.
运动方案的选择与比较
3.1进刀机构
方案一：
功能：
将旋转运动转换为从动件的往复运动。
工作原理:
采用一个摆动滚子从动件盘形凸轮机构来传递齿轮齿条机构，当进刀时凸轮在回程阶段运行容易通过机构传递带动齿轮齿条啮合，带动动力头来进行钻孔。
优点：
承载能力较大，压力较小，磨损小工作可靠性好保证
方案二：
凸轮机构的转动使转头的上下移动。
工作原理：
凸轮转动通过连杆带动齿条上下移动带动中间的齿轮转动，实现钻头上下移动。
如下图
比方案一简单，传递路线短；
缺点：
没有杠杆尺寸太小，故优先选用六杆机构。
图3-2
3.2送料机构
将偏曲柄的旋转运动转换为摆杆的摆动，通过连杆实现滑块的往复运动结构原理如图，当曲柄AB转动时通过连杆BC带动ED杆摆动，再通过连杆EF连接滑块使其往复运动，即可以实现送料的功能，如图3-5。
采用正置曲柄摇杆机构，极位夹角为零，方便计算尺寸，且此机构传动平稳结构紧凑动力平衡好，采用行程倒推送料位移精确。
没有急回特性生产效率低。
图3-3
方案二：
通过弧形齿条的转动转化成工作台的移动。
采用一个四杆机构通过齿轮弧带动齿条，齿条推动零件实现进料功能。
通过简单的四杆机构带动齿轮使齿条移动，操作简单；
缺点:
因为以摆杆运动的连架杆的长度不变，所以此种机构要用于工作台可以浮动的场合。
图3-4
3.3定位系统
将旋转运动转化成从动件的往复运动。
凸轮依次转过推程，远休，回程，进休这四个行程作为循环。
结构简单，紧凑，设计方便，响应快速，可实现从动件任意预期运动规律。
因为这种接触主要是以高副接触易磨损，凸轮设计困难，行程较小。
图3-5
将旋转运动转化成单侧停歇的往复运动。
通过圆盘的转动，拉动弹簧带动连杆，使得滑块运动，又通过弹簧使定位杆复位。
能很方便的改变传递方向，扩大行程，实现远距离传动。
传动路线较长，易产生误差累计使得机械效率低。
图3-6
3.4减速机构：
方案一：
功能：
电动机的转速是960r/min，而设计要求的主轴转速为1r/min，利用行星轮进行大比例的降速，然后用圆锥齿轮实现方向的转换。
如表3-1.
优点：
结构紧凑、体积小、承载能力大、传递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长。
图3-7
定轴轮系传动；
传动比=n输入/n输出=960传动比很大，要用多级传动。
如图3-8.
图3-8
3.5绘制机械系统运动转换功能
图3-9
3.6用形态学矩阵法创建机械系统运动方案
力根据系统的运动转换功能图（图3-9）可构成形态学矩阵如表（表3-10）。
由表3-3所示的形态学矩阵可以求出半自动钻床系统运动方案数为：
1×
2×
2=32
根据功能原理，工艺分解过程及执行机构的选择，确定了以下运动方案：
表3-10
功能元
功能元解（匹配机构）
减速1
带传动
减速2
齿轮传动
行星轮系
送料推杆往复运动
齿轮齿条机构
曲柄+连杆机构
夹紧推杆间歇往复运动
连杆机构
凸轮+连杆机构
定位杆间歇往复运动
刀具的复合运动的间歇往复运动
凸轮+齿轮机构
第四章：
工作循环图
由机械系统方案的执行件需要进行运动协调设计其运动循环如图4-1
转角
00～1000
1000～1500
1500～2700
2700～3000
3000～3600
快进
快退
休止
慢进
表4-1
图4-2
第五章：
执行机构设计过程及尺寸计算
5.1送料机构机构采用如下分析
1.送料连杆机构：
采用如下机构来送料，根据要求，对图5-1解释如下：
根据工作行程为30mm，采用对心曲柄摇杆机构，极位夹角等于0，所以机构无急回运动，由作图法确定连杆尺寸。
当曲柄摇杆机构处于两个极位时，设定F1F2为30mm，E1E2
F1F2等于30mm，令EF=10且在两个极位时与工作台夹角为70°
，如图D必在C1C2的中垂线上，令ED=50mm，以E1为圆心50mm为半径作弧，与E1E2中垂线交点即为D点，令CD=25mm，分别以E1、E2为圆心25mm为半径作弧得C1C2点，令CD=40mm分别以C1、C2为圆心40mm为半径作弧得B1B2点，由此机构特性得出A位置。
AD=46.57AB=7.5BC=40EC=25EF=10CD=25DE=50A距离工作台位置33.25mm
图5-1
5.2凸轮摆杆机构的设计
1.由进刀规律，我们设计了凸轮摆杆机构，又以齿轮齿条的啮合来实现刀头的上下运动。
2.用凸轮摆杆机构和圆弧形齿条所构成的同一构件，凸轮摆杆从动件的摆动就可以实现弧形齿条的来回摆动，从而实现要求；
采用滚子盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使滚子与凸轮保持接触.刀具的运动规律就与凸轮摆杆的运动规律一致；
3.弧形齿条所转过的弧长即为刀头所运动的的距离。
具体设计步骤如下：
A.根据进刀机构的工作循环规律,设计凸轮基圆半径r0=20mm，中心距BA=70mm，摆杆长度BC=55mm，最大摆角DCB为15°
分析图见附录图4、图5、图6
凸轮转角λ=0-162°
β=0°
，休止；
凸轮转角λ=162°
-210°
，刀具快进1；
凸轮转角λ=210°
-270°
，刀具快进2，β为15°
；
凸轮转角λ=270°
-300°
，刀具快退
凸轮转角λ=300°
-360°
B.如图5-2：
设计圆形齿条,根据刀头的行程为20mm和凸轮的摆角为15度,由圆角和圆弧度的关系，其作图步骤如下：
（1）作水平线AB=70
（2）以A为圆心，AE=20为半径划圆
（3）以B为圆心，BC=55为半径划弧与第二步所作的圆交于D,E两点
（4）过D点作小圆的切线
（5）过E点作小圆的切线
（6）使角CBD=15度
根据机械原理知识CE的长度为凸轮的升程，弧度=角度乘以π后再除以180，于是得到R=76.433mm，凸轮的升程CE＝14.46mm
图5-2
5.3凸轮推杆机构的设计：
凸轮机构采用直动滚子盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使滚子与凸轮保持接触，实现定位功能。
只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得我们所需要的运动规律，满足加工要求，而且响应快速，机构简单紧凑。
具体设计如下:
1：
定位凸轮的设计（分析图见附录图1、图2、图3）
设计基圆半径r0=20mm,偏心距e=0mm
凸轮转角λ=0°
-120°
定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=120°
-150°
定位机构快进,推杆行程h=20mm;
凸轮转角λ=150°
定位机构快退,推杆行程h=-20mm;
设计偏心距e=0的原因是因为此凸轮执行的是定位，因为加工工件直径为30定位杆应大于其半径，所以设定其定位杆的行程为20mm。
2：
夹紧凸轮的设计（分析图见附录图7、图8、图9）
-198°
定位机构快进,推杆行程h=10mm;
凸轮转角λ=198°
-318°
凸轮转角λ=318°
定位机构快退,推杆行程h=-10mm
设计偏心距e=0的原因是因为此凸轮执行的是夹紧，根据工件尺寸和钻孔位置以及加工完后将料送出的让位，设定其定位杆的行程为10mm。
5.4行星轮系的计算
1.用定轴轮系传动
2.用行星轮系传动
图5-3
设定Z1=60Z2=20，由图知：
i21=Z1/Z2=n2/n1=3,n1=1,n2=3,因为i2’H=1-
=1-Z3’Z4/Z2’Z3=n2’/nHn2’=n2=3，
=960所以3/960=1-z3’z4/z2’z3即：
z3’z4/z2’z3=319/320故得到Z1=60Z2=20Z2’=30Z3’=29Z3=32Z4=33传动比iH3=960根据行星轮传动关系：
i2’H=1-
=1-Z3’Z4/Z2’Z3,同时保证了n1=1所以满足设计要求。
考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动机构与齿轮系传动机构的相应参数如下表：
皮带轮参数
名称
皮带轮1
皮带轮2
半径（mm）
100
齿轮参数
模数（mm）
压力角（°
）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
60
120
齿轮2
齿轮2’
齿轮3’
29
58
齿轮3
32
64
齿轮4
33
66
第六章：
机构运动总体方案图
采用根据前面表3-3中实线连接的方案的运动简图确定本设计中半自动钻的总体方案图如图6-1
图6-1
附录
图1定位凸轮类型
图2定位凸轮运动分段
图3定位凸轮动画演示
图4进刀凸轮类型
图5进刀凸轮运动分段
图6进刀凸轮动画演示
图7送料凸轮类型
图8送料凸轮运动分段
图9送料凸轮动画演示
图10送料机构
图11滑块位移曲线
图12滑块速度曲线
图13滑块加速度曲线
图14定位机构
图15夹紧机构
图16进刀机构
图17换向锥齿轮
图18减速机构
图19总体装配效果图
图20机械系统方案简图
总结
这次课程设计学到很多知识，也明白很多道理。
整个过程是艰难曲折的，在这个过程中深刻的明白作为一个设计者要具有的一丝不苟的精神，尺寸失之毫厘结果谬之千里，在平面图变成三维图的过程中，尺寸考虑三维结构很重要，运用pro/E进行装配的过程中，零件相对位置的确定也需要精确的计算以确定机架的位置，装配使用的约束也是一个关键，机构在后面的运动分析时常出现不满足约束条件就是因为这些原因，还有定义电动机时要把转速单位换算，以及对六连杆机构进行运动学分析时的操作也会影响得出的结果。
凸轮的设计分析在运用软件上也有一个摸索阶段，然后按照工作循环图来设计相应的凸轮，再通过pro/E进行绘制三维实体装配，确定相对位置关系以得出顺序运动。
在课程设计的过程中对软件的熟悉与掌握十分重要之外，对机械原理的知识掌握也至关重要，尺寸的确定分析需要进行精确的计算。
除此之外和同学的合作以及相互讨论让自己学到很多知识，在一些难点问题上得到老师指导和同学的帮助在此表示衷心地感谢，通过这次课程设计让自己学到很多知识，受益匪浅，这将有助于我在将来的学习生活中提高去发现问题，分析问题，解决问题的思维能力。
参考文献
1.鸣歧王保民王振莆《机械原理课程设计手册》重庆大学出版社
2.孙桓《机械原理教材》高等教育出版社
3.《贵州大学机械原理课程设计任务书》
4.邹家祥《现代机械设计理论与方法》
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