机械原理课程设计半自动钻床设计报告.docx
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机械原理课程设计半自动钻床设计报告
半自动钻床设计报告
设计任务书----------------------------------------------------
1.工作原理-----------------------------------------------------1
2.功能分解图，执行机构动作分解图--------------------3
3.运动方案的比较--------------------------------------------4
4.执行构件的选择------------------------------------------10
5.机构运动简图-----------------------------------------------11
6.工作循环图---------------------------------------------------12
7.执行机构设计过程及尺寸计算---------------------------13
8.机构运动分析计算机辅助设计流程---------------------18
9.程序清单------------------------------------------------------19
10.凸轮设计分段图--------------------------------------------24
11.运行结果及运动线图--------------------------------------30
设计总结--------------------------------------------------------31
参考文献--------------------------------------------------------32
机械原理课程设计任务
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。
半自动钻床设计数据参看下表。
半自动钻床凸轮设计数据表
方案号
进料机构
工作行程
mm
定位机构
工作行程
mm
动力头
工作行程
mm
电动机转速
r/mm
工作节拍（生产率）
件/min
B
35
25
20
1400
2
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。
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
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；
1.工作原理
1.1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1400r/min降到主轴的2r/min，与传动轴相连的各机构控制送料，定位，夹紧，和进刀等工艺动作，进刀由凸轮机构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，定位夹紧由凸轮机构通过连杆使定位头、夹紧头往复运动，送料由六杆机构最后带动送料头往复运动。
1.2原动机的选择
（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。
1.3传动机构的选择
（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。
2.功能分解图，执行机构动作分解图
2.1功能分解图
2.2绘制机械系统运动转换功能
3.运动方案的比较
3.1电机的选用
1）、电机选用Y型三相异步电动机，其优点很多并且能够满足此设计所要达到的效果，优点：
防水滴，灰尘，铁削等；运动可靠寿命长，实用维护方便性能优良，体积小质量轻，转动惯量小，用料省等。
其适用于金属切削机床等。
2）、对比电机:
直流电机，有诸多缺点，总体性能没有Y型三相异步电动机好。
3.2减速机构
由于电动机的转速是1400r/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。
3.3进刀机构
（1）
（2）
对比：
方案
（1）用一个摆动滚子从动件盘型凸轮机构来传递齿轮齿条机构.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.带动刀来完成钻孔，回程时可在弹簧拉力作用下实现顺利回程，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。
方案
（2）也是采用一个摆动滚子从动件盘型凸轮机构，比
（1）简单，但是没有杠杆，不能滑动很大范围。
3.4送料机构
（1）六杆机构
（2）曲柄滑块机构
对比：
方案
（1）采用一个六杆机构,考虑到所设计的机构能否稳定的运行因此选用了六杆机构来实现。
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。
方案
（2）采用曲柄滑块机构,比
（1）简单，但是滑块滑动距离有限。
3.5定位（夹紧）机构
（1）
（2）
对比：
方案
（1）采用的是一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，因为定位夹紧系统要求有间歇，所以就要使用凸轮机构。
（2）采用此机构时将摆动转化为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。
4执行构件的选择
4.1减速传动机构
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。
4.2定位夹紧机构
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,定位杆夹紧头就阻止了工件滑动，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。
、
4.3送料机构
送料也要要求有往复运动，通过六杆机构，然后实现在生产台上的送料往复运动。
4.4进刀机构
采用凸轮的循环运动,推动滚子使推杆上下移动,推杆另一端连接杠杆，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.
4.5机械系统运动方案
减速一
带传动
齿轮传动
链传动
减速二
带传动
齿轮传动
链传动
送料推杆间歇往复运动
曲柄滑块机构
凸轮机构
凸轮+连杆机构
定位（夹紧）杆间歇往复运动
凸轮机构
连杆机构
凸轮+连杆机构
刀具的运动
凸轮连杆机构
齿轮摇杆机构
凸轮机构
5.机构运动简图
6.工作循环图
说明：
X轴表明运动时间和凸轮转角，Y轴数据各机构的工作行程
7.执行机构设计过程及尺寸计算
7.1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35mm，可取ABCD4杆机构的极位夹角为8度，则得K=1.09，急回特性不是很明显。
各杆尺寸：
AB=8;BC=58;CD=25;CE=25;EF=29;AD=50.
作图法步骤：
（1）作滑块行程FF1=35mm
（2）作FF1的中垂线，在此中垂线上选取转动副D
（3）作机架AD=50，摇杆CD=25
（4）连接AC，作角CAC1为8度
（5）以D为圆心，DC为半径作弧，交AC1于C1点
（6）以A为圆心，（AC-AC1）/2为半径作圆
（7）延长DC,取CE=25，以D为圆心DE为半径作弧，交DC1延长线于E1点
（8）连接EFEF1，得EF=29
7.2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，且凸轮轴线与分配轴共线；
（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；采用滚子盘型凸轮，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=30mm，中心距A=120mm，,最大摆角为18°,由方案号B和工作循环表可得：
凸轮转角λ=0-105°,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=105°-172°，推杆行程h=5mm;
凸轮转角λ=172°-300°；推杆行程h=5mm;
凸轮转角λ=300°-360°，推杆行程h=-10mm;
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，得到r=63.69mm
3.各杆尺寸：
AB=63.69mmBC=l/β=63.69mm
7.3定位凸轮推杆机构的设计
定位凸轮机构采用直动滚子盘型凸轮，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。
具体设计参数如下:
设计基圆半径r0=60mm,偏心距e=0
由方案号B和工作循环表可得：
凸轮转角λ=0°-50°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=50°-120°,定位机构快进,推杆行程h=25mm;
凸轮转角λ=120°-310°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=310°-360°,定位机构快退,推杆行程h=-25mm;
7.4．夹紧凸轮推杆机构设计
夹紧凸轮推杆机构与定位机构原理相同，同上。
具体设计参数如下：
设计基圆半径r0=30mm，偏心距e=0
由方案号B和工作循环表可得：
凸轮转角λ=0°-170°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=170°-240°,定位机构快进,推杆行程h=10mm;
凸轮转角λ=240°-310°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=310°-360°,定位机构快退,推杆行程h=-10mm;
7.5行星轮系的计算:
用行星轮系传动，代替了定轴轮系的多级传动，节省材料，传动效率高。
传动比iH3=175
根据行星轮传动公式：
i（3H）=1-i（31）H=1-Z1Z2'/Z2Z3
由i（3H）=1/i（H3），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
400
齿轮参数
模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
1
20
87
87
齿轮2
1
20
50
50
齿轮2'
2
20
20
40
齿轮3
2
20
35
70
8.机构运动分析计算机辅助设计流程
9.程序清单
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（0,0,0,0,0,0,0.007906,0,Fi1,0.209440,0,_
xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy）
CallRRR运动分析子程序（1,xB,yB,vBx,vBy,aBx,aBy,0.05,0,0,0,0,0,_
0.05534,0.025,xC,yC,vCx,vCy,aCx,aCy,fi2,fi3,_
omega2,omega3,epsilon2,epsilon3）
Call单杆运动分析子程序（0.05,0,0,0,0,0,0.05,0,fi3,omega3,epsilon3,_
xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy）
CallRRP运动分析子程序（1,xD,yD,vDx,vDy,aDx,aDy,0.0850,0.07,0,0,0,0,_
0.02903,0,0,0,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+L3OrdMsgBox"此位置不能装配"
GoTon1
Else
EndIf
ca=（d^2+L2^2-L3^2）/2/L2/d
sa=（1-ca^2）^0.5
yDB=yD-yB
xDB=xD-xB
Callatn1（xB,yB,xD,yD,delta）
Ifca>0Then
gam=Atn（sa/ca）
Else:
gam=Atn（sa/ca）+pi
EndIf
Ifm=1Then
fi2=delta+gam
Else:
fi2=delta-gam
EndIf
xC=xB+L2*Cos（fi2）
yC=yB+L2*Sin（fi2）
yCD=yC-yD
xCD=xC-xD
IfxCD>0Then
fi3=Atn（yCD/xCD）
ElseIfyCD>=0Then
fi3=Atn（yCD/xCD）+pi
Else:
fi3=Atn（yCD/xCD）-pi
EndIf
e=（vDx-vBx）*xCD+（vDy-vBy）*yCD
F=（vDx-vBx）*（xC-xB）+（vDy-vBy）*（yC-yB）
Q=yCD*（xC-xB）-（yC-yB）*xCD
omega2=e/Q
omega3=F/Q
vCx=vBx-omega2*（yC-yB）
vCy=vBy+omega2*（xC-xB）
EA=aDx-aBx+omega2^2*（xC-xB）-omega3^2*xCD
FA=aDy-aBy+omega2^2*（yC-yB）-omega3^2*yCD
epsilon2=（EA*xCD+FA*yCD）/Q
e
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