机械原理课程设计半自动钻床.docx
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机械原理课程设计半自动钻床
《机械原理课程设计》设计说明书的编写要求
机械设计系（2010）
一、设计说明书的内容
设计说明书的内容应根据设计任务的要求而定，一般来讲包括以下几个方面：
（1）目录（标题和页次）；
（2）设计题目（设计条件和要求）；
（3）全部原始数据；
（4）机械运动设计方案的拟定，（设计思路的说明，所选用机构的工作原理及运动特性）机构的组合方式，进行方案分析与评价；
（5）机械运动循环图；
（6）机械运动简图；
（7）采用的设计方法及其原理的简要说明；
（8）设计计算过程、公式和结果。
若有计算机程序，则应画出程序框图，写出各子程序名称和功能；
（9）用表格列出计算结果，并绘制出主要的运动曲线图；
（10）对计算结果的分析讨论，作出概括性的结论；
（11）列出主要的参考资料。
二、注意事项
（1）设计说明书用钢笔、中性笔书写，采用统一的课程设计用纸；
（2）对自成单元的内容应有大小标题，做到层次分明醒目突出；全部图表应统一编号。
（3）编写说明书时应做到条理清楚、叙述简明、重点突出、计算正确、文句通顺、书写整洁；
（4）所用的公式和数据应注册来源（参考资料的编号和页次）；
（5）全部计算中所用的符号和脚注必须前后一致、不能混淆；
（6）绘制机械运动简图时应采用规定的符号，按比例作图；
（7）对计算结果应有简明的结论。
如果实际所取的数值与计算结果有较大差异，应作必要的解释，说明原因；
（8）说明书编写完毕后应加上封面，装订成册，并装入课程设计专用袋
设计任务书-----------------------------------------------------2
1.设计工作原理--------------------------------------------------4
2.功能分解图，执行机构动作分解图-----------------------6
3.运动方案的选择与比较---------------------------------------9
4.机构运动总体方案图（机构运动简图）-----------------10
5.工作循环图------------------------------------------------------16
6.执行机构设计过程及尺寸计算------------------------------18
7.凸轮设计分段图．轮廓图．设计结果---------------------21
8.机构运动分析计算机辅助设计流程------------------------25
9.程序清单（主程序和子程序）------------------------------26
10.十一运行结果及运动线图------------------------------------31
11.设计总结----------------------------------------------------------32
12参考资料----------------------------------------------------------33
设计任务书
一、设计题目及原始数据
设计加工所示工件ф12mm孔的半自动钻床。
进刀机构负责动力头的升降，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。
二、设计要求及方案提示
要求设计该半自动钻床的送料、定位、及进刀的整体传动系统。
其中：
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。
3.可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
机构运动循环要求表
10º
20º
30º
45º
60º
75º
90º
105º～270º
300º
360º
送料
快进
休止
快退
休止
定位
休止
快进
休止
快退
休止
进刀
休止
快进
快进
快退
休止
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；
一、所设计的机构工作原理
一.机构的工作原理:
该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1450r/min降到主轴的2r/min，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，具体的选择原理和工作原理如下：
二.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：
1：
考虑现场能源的供应情况。
2：
考虑原动机的机械特性和工作制度与工作相匹配。
3：
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。
4：
考虑工作环境的影响。
5：
考虑工作可靠，操作简易，维修方便。
6：
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。
三.传动机构的选择和工作原理
（1）传动机构的作用
1：
把原动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力。
2：
把原动机输出的速度降低或提高，以适应执行机构的需要。
3：
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
4：
把原动机输出的等速回转运动转变
5：
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。
6：
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，也需要用传动装置来联接。
（2）传动机构选择的原则
1：
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。
2：
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。
3：
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。
4：
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。
5：
主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。
6：
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。
二．功能分解图，执行机构动作
一．功能分解图如下图
图3-1
二绘制机械系统运动转换功能
图3-2
三.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.
四.用形态学矩阵法创建机械系统运动方案
根据系统的运动转换功能图（图3-2）可构成形态学矩阵如表（表3-3）。
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：
3×3×3×3×3×3＝729
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，
三．运动方案的选择与比较
方案的分析与比较：
（1）减速机构：
由于电动机的转速是1450r/min，而设计要求的主轴转速为2r/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。
图4-1
（3）对比机构：
对比机构：
定轴轮系传动；传动比=n输入/n输出=700传动比很大，要用多级传动。
如图4-2.
图4-2
（3）进刀机构
采用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传递齿轮齿条机构.因为我们用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传递齿轮机构，当进刀的时候，凸轮在推程阶段运行，很容易通过机构传递带动齿轮齿条啮合.带动动刀头来完成钻孔，摆杆转动的幅度也是等于齿廓转动的幅度，两个齿轮来传动也具有稳性。
图4-3
（4）对比机构：
在摆杆上加一个平行四边行四杆机构，这样也可以来实现传动，但是当加了四杆机构以后并没有达到改善传动的效果，只是多增加了四杆机构，为了使机构结构紧凑，又能完成需要的传动，所以选择了一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。
图4-4
（5）送料系统：
采用一个六杆机构来代替曲柄滑块机构，由于设计的钻床在空间上传动轴之间的距离有点大，故一般四杆机构很难实现这种远距离的运动。
再加上用四杆机构在本设计中在尺寸上很小。
所以考虑到所设计的机构能否稳定的运行因此优先选用了如下图的六杆机构来实现。
由于本设计送料时不要求在传动过程中有间歇，所以不需要使用凸轮机构。
如图4-5。
图4-5
（6）对比机构：
所选用的对比四杆机构如下图（图4-6），由于在空间上轴与轴之间的距离较大，但选用下来此四杆的尺寸太小。
故优先选用六杆机构。
图4-6
（7）定位系统：
定位系统采用的是一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，因为定位系统要有间歇，所以就要使用凸轮机构，但如果是平底推杆从动件，则凸轮就会失真，若增加凸轮的基圆半径，那么凸轮机构的结构就会很大，也不求实际，所以就采用一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它就可以满足我们的实际要求了。
图4-7
（8）对比机构：
采用弹力急回间歇机构来代替偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它是将旋转运动转换成单侧停歇的往复运动。
这样也可以完成实际要求，但是为了使设计的机构结构紧凑，又能节省材料，所以还是选偏置直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。
图4-8
四.机构运动总体方案图（机构运动简图）
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床的总体方案图如图5-1
图5-1
五．工作循环图
图5-1所示的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6-1
凸轮轴转角
00～1000
1000～1500
1500～2700
2700～3000
3000～3600
送料
快进
快退
定位
休止
快进
休止
快退
进刀
休止
快进
慢进
休止
快退
图6-1
六．执行机构设计过程及尺寸计算
1．送料机构机构采用如下分析
送料连杆机构：
采用如下机构来送料，根据要求，进料机构工作行程为40mm，可取ABCD4杆机构的极位夹角为12度，则由
得K=1.14，急回特性不是很明显，但对送料机构来说并无影响。
各杆尺寸：
（如图6-1）
AB=8.53BC=84.42CD=60DA=60CE=40EF=8
该尺寸可以满足设计要求，即滑块的左右运动为40，ABCD的极位夹角为12度。
图6-1
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：
1.根据进刀机构的工作循环规律,设计凸轮基圆半径r0=40mm，中心距A=80mm，摆杆长度d=65mm，最大摆角β为18°,
凸轮转角λ=0-60°,β=0°;
凸轮转角λ=60°-270°，刀具快进，β=5°，
凸轮转角λ=270°-300°；
凸轮转角λ=300°-360°，β=0°
2.设计圆形齿条,根据刀头的行程和凸轮的摆角,设计出圆形齿轮的半径r=l/β,由β=18°,l=20mm，
3.得到r=63.69mm，如图7-2
图7-2
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:
设计基圆半径r0=40mm,偏心距e=25
凸轮转角λ=0°-100°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=100°-285°,定位机构快进,推杆行程h=25mm;
凸轮转角λ=285°-300°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=300°-360°,定位机构快退,推杆行程h=-25mm;
设计偏心距e=25的原因是因为此凸轮执行的是定位，其定位杆的行程为25故如此设计。
4．行星轮系的计算:
（1）用定轴轮系传动
传动比=n输入/n输出=700传动比很大，要用多级传动。
（2）用行星轮系传动
Z1=35Z2=20Z2’=20Z3=35传动比iH3=700
根据行星轮传动公式：
i（H3）=1-i（31）H=1-Z2’Z1/Z3Z2
由i（1H）=1-Z2'Z1/Z3Z2，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
100
齿轮参数
模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
2.
20
35
70
齿轮2
2
20
20
40
齿轮2’
2
20
20
40
齿轮3
2
20
35
70
七.凸轮设计分段图轮廓图和设计结果
一.定位凸轮
图8-1为定位凸轮分段图和设计结果图
图8-1
图8-2和8-3为定位凸轮的轮廓图（8-2内包络线图，8-3外包络线图）
图8-2
图8-3
二.进刀凸轮
进刀凸轮类型设计结果如图8-4，凸轮运动分段如图8-5.
图8-4，
图8-5
进刀凸轮的轮廓线设计如图8-6（内包络线）和图8-7（外包络线）
图8-6
图8-7
八．机构运动分析计算机辅助设计流程框图
图9-1
九.程序清单（主程序和子程序）
PrivateSubCommand1_Click（）
Dimb（6）,c（6）,d（3）,tAsString
pai=Atn（1#）*4/180
Forfi=0To360Step10
Fi1=fi*pai
Call单杆运动分析子程序（0,0,0,0,0,0,0.00853,0,Fi1,0.1047,0,_
xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy）
CallRRR运动分析子程序（1,xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy,0.06,0,0,0,0,0,_
0.08442,0.06,xC,yC,vCx,vCy,aCx,aCy,fi2,fi3,_
omega2,omega3,epsilon2,epsilon3）
Call单杆运动分析子程序（0.06,0,0,0,0,0,0.1,0,fi3,omega3,epsilon3,_
xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy）
CallRRP运动分析子程序（1,xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy,0,0.09798,0,0,0,0,_
0.008,0,0,0,xE,yE,vEx,vEy,aEx,aey,fi4,omega4,epsilon4,sr,vsr,asr）
t=t+"Fi1="+Str（fi）+vbCrLf
t=t+"xE（m）="+Str（xE）+vbCrLf
t=t+"vE（m/S）="+Str（vEx）+vbCrLf
t=t+"aE（m/S2）="+Str（aEx）+vbCrLf
t=t+"omega3（rad/S）="+Str（omega3）+vbCrLf
t=t+"omega4（rad/S）="+Str（omega4）+vbCrLf
t=t+"epsilon3（rad/S）="+Str（epsilon3）+vbCrLf
t=t+"epsilon4（rad/S）="+Str（epsilon4）+vbCrLf
t=t+vbCrLf
Nextfi
Text1.Text=t
EndSub
Sub单杆运动分析子程序（xA,yA,vAx,vAy,aAx,aAy,S,theta,fi,omega,epsilon,_
xm,ym,vmx,vmy,amx,amy）
xm=xA+S*Cos（fi+theta）
ym=yA+S*Sin（fi+theta）
vmx=vAx-S*omega*Sin（fi+theta）
vmy=vAy+S*omega*Cos（fi+theta）
amx=aAx-S*epsilon*Sin（fi+theta）-S*omega^2*Cos（fi+theta）
amy=aAy+S*epsilon*Cos（fi+theta）-S*omega^2*Sin（fi+theta）
EndSub
SubRRP运动分析子程序（m,xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy,xP,yP,vPx,vPy,aPx,aPy,_
L2,fi3,omega3,epsilon3,xC,yC,vCx,vCy,_
aCx,aCy,fi2,omega2,epsilon2,sr,vsr,asr）
Dimpi,d2,e,F,yCB,xCB,E1,F1,Q,E2,F2
pi=Atn（1#）*4
d2=（（xB-xP）^2+（yB-yP）^2）
e=2*（xP-xB）*Cos（fi3）+2*（yP-yB）*Sin（fi3）
F=d2-L2^2
Ife^2<4*FThen
MsgBox"此位置不能装配"
GoTon1
Else
EndIf
Ifm=1Then
sr=Abs（（-e+（e^2-4*F）^0.5）/2）
Else:
sr=Abs（（-e-（e^2-4*F）^0.5）/2）
EndIf
xC=xP+sr*Cos（fi3）
yC=yP+sr*Sin（fi3）
yCB=yC-yB
xCB=xC-xB
Callatn1（xB,yB,xC,yC,fi2）
E1=（vPx-vBx）-sr*omega3*Sin（fi3）
F1=（vPy-vBy）+sr*omega3*Cos（fi3）
Q=yCB*Sin（fi3）+xCB*Cos（fi3）
omega2=（F1*Cos（fi3）-E1*Sin（fi3））/Q
vsr=-（F1*yCB+E1*xCB）/Q
vCx=vBx-omega2*yCB
vCy=vBy+omega2*xCB
E2=aPx-aBx+omega2^2*xCB-2*omega3*vsr*Sin（fi3）_
-epsilon3*（yC-yP）-omega3^2*（xC-xP）
F2=aPy-aBy+omega2^2*yCB+2*omega3*vsr*Cos（fi3）_
+epsilon3*（xC-xP）-omega3^2*（yC-yP）
epsilon2=（F2*Cos（fi3）-E2*Sin（fi3））/Q
asr=-（F2*yCB+E2*xCB）/Q
aCx=aBx-omega2^2*xCB-epsilon2*yCB
aCy=aBy-omega2^2*yCB+epsilon2*xCB
n1:
EndSub
SubRRR运动分析子程序（m,xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy,xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy,_
L2,L3,xC,yC,vCx,vCy,aCx,aCy,fi2,fi3,_
omega2,omega3,epsilon2,epsilon3）
Dimpi,d,ca,sa,yDB,xDB,gam,yCD,xCD,e,F,Q,EA,FA,delta
pi=Atn（1#）*4
d=（（xD-xB）^2+（yD-yB）^2）^0.5
Ifd>L2+L3Or
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