说明书半自动钻床工作机构设计.docx
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说明书半自动钻床工作机构设计
目录
机械原理设计任务书2
设计题目：
半自动钻床工作机构设计2
一、设计题目简介2
二、 设计数据与要求2
三、 设计任务2
四、设计提示3
一．所设计的机构工作原理4
1.1机构的工作原理:
4
1.2机的选择原理4
1.2.1原动机的分类4
1.2.2选择原动机时需考虑的因素：
4
1.3传动机构的选择和工作原理5
1.3.1传动机构的作用5
1.3.2传动机构选择的原则5
二．功能分解图，执行机构动作5
2.1功能分解图如下图5
2.2绘制机械系统运动转换功能6
2.3执行构件的选择6
2.3.2定位功能7
2.3.3进料功能7
2.3.4进刀功能7
三．运动方案的选择7
3.1方案的分析：
7
3.1.2进刀机构8
3.1.3送料系统：
9
3.1.4定位系统：
10
四．机构运动总体方案图（机构运动简图）11
五．工作循环图12
六．执行机构设计过程及尺寸计算13
6.1送料机构机构采用如下分析13
6.2凸轮摆杆机构的设计：
14
6.3凸轮推杆机构的设计：
15
6.4行星轮系的计算:
16
七．设计总结17
八．参考资料17
机械原理设计任务书
设计题目：
半自动钻床工作机构设计
一、设计题目简介
设计加工图1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。
图1加工工件
二、 设计数据与要求
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
C
30
20
20
960
2
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。
3.图纸上画出半自动钻床的机构简图和运动循环图。
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.确定电动机的功率与转速；
6.用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。
7.编写设计计算说明书，说明书应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。
8.在实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。
四、设计提示
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表4。
3.可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
表4机构运动循环要求
凸轮轴
转角
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
完成日期：
年月日指导教师
一．所设计的机构工作原理
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960r/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。
1.2机的选择原理
1.2.1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。
1.2.2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传动机构的选择和工作原理
1.3.1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。
1.3.2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
2.1功能分解图如下图
图2-1
2.2绘制机械系统运动转换功能
图2-2
2.3执行构件的选择
2.3.1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。
2.3.2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。
2.3.3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。
2.3.4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。
三．运动方案的选择
3.1方案的分析：
3.1.1减速机构：
由于电动机的转速是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。
图3-1
3.1.2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3-2
3.1.3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3-3。
图3-3
3.1.4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3-4
四．机构运动总体方案图（机构运动简图）
根据前面表2-3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4-1。
图4-1
五．工作循环图
图4-1所示的机械系统方案的执行件需要进行运动协调设计,
机构运动循环要求如下表:
凸轮轴
转角
10º
20º
30º
45º
60º
75º
90º
105º～270º
300º
360º
送料
快进
休止
快退
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
定位/夹紧进刀
六．执行机构设计过程及尺寸计算
6.1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30mm，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30，ABCD的极位夹角为12度。
图6-1
6.2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=63.5mm，中心距A=60mm，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
6.3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=0
凸轮转角λ=0°-10°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=10°-30°,定位机构快进,推杆行程h=20mm;
凸轮转角λ=30°-50°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=50°-90°,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，其定位杆的行程为20故如此设计。
6.4行星轮系的计算:
传动比分配：
根据电动机的转速和工件生产的速度，确定系统总传动比为
=n输入/n输出=960/2=480
对于定轴齿轮转动部分，由齿轮传动的强度确定齿轮的标准模数m=4
齿轮齿数：
设定
=20，因为齿轮1直接与电动机连接，所以
=960
令
所以
=240,
=80
令
=20，
=
=240,
所以
=48，
=100
最后确定蜗杆齿数蜗杆转速=
=48，所以
=48/2=24
所以
（蜗杆）=1，
（蜗杆）=24
齿轮参数
模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
4
20
20
80
齿轮2
4
20
80
320
齿轮2’
4
20
20
80
齿轮3
4
20
100
400
七．设计总结
通过本次课程设计感受到了设计过程中的艰辛。
特别是对于从来没有经历过亲身设计的我来说，刚开始根本感觉无处下手。
在老师的悉心指导和们的热心帮助下，根据任务书和指导书上的要求，结合自己平时的理论基础和查阅大量资料才顺利完成了这次机械原理课程设计在此我要衷心感谢我的老师和我的同学。
通过这次课程设计，使我加深入的理解了一些简单机构组件的作用！
以后的实际工作奠定了很好的基础！
最重要的是通过本次课程设计让我体验了如何将理论知识转化为生产实际所需。
让我更早接触机械设计有关的要领和技能，为以后的机械设计课程设计和毕业设计打好了基础。
更值得一提的是为我们以后走出学校走向岗位奠定良好的基石。
八．参考资料
1冯鉴何俊雷智翔《机械原理》西南交通大学出版社
2.《PRO/E产品现代设计方法与实例精解》清华大学出版社
3.《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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