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
说明书
设计题目：
半自动钻床
设计者：
彭松
*********
2012-12-20
1.课程设计任务书-------------------------------------------------------1
2.设计要求--------------------------------------------------------------3
3.功能分解------------------------------------------------------------4
4.执行机构选择与比较----------------------------------------------5
5.机械系统运动方案的选择---------------------------------------17
6.工作循环图---------------------------------------------------------18
7.尺寸计算-------------------------------------------------------------16
8.运动简图---------------------------------------------------------24
9.总结--------------------------------------------------------------------26
机械原理课程设计任务书
题号03
半自动钻床
一、工作原理及工艺动作过程
要求设计加工所示工件ф12mm孔的半自动钻床。
输送待钻孔的圆盘工件至指定位置，待夹紧钻孔后将工件推走。
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。
被加工工件外形如下图所示:
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。
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、根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。
2、按工艺动作过程拟定运动循环图。
3、构思系统运动方案（至少2个以上），进行方案评价，选出较优方案。
4、对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计。
5、对送料机构进行运动学分析。
6、绘制系统机械运动方案简图（3号图）。
7、完成设计说明书的编写。
半自动钻床凸轮设计数据表
数据代号
进料机构
工作行程
mm
定位机构
工作行程
mm
钻头快速趋近行程1
mm
钻头快速切削行程2
mm
电动机转速
r/mm
工作节拍（生产率）
件/min
齿轮模数
1
40
30
15
25
1450
1
2
2
40
25
10
30
1400
2
2.5
3
40
20
13
20
960
1
3
4
40
20
15
20
1400
1
3
5
40
30
10
25
1100
2
4
6
40
25
15
30
960
1
2
一设计要求
半自动钻床机能够实现送料、定位、和孔的一体化功能。
由零件尺寸知道设计要求的机床的进料机构工作行程等于40mm，动力钻头工作行程等于20mm，电动机转速960r/min，每分钟1件构件加工好。
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.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；
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，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.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
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
慢进
快退
休止
二功能分解
功能分解图：
→
→→→
进刀退刀机构功能
→
半自动钻床的工作原理是利用转头的旋转和进刀切削掉工件的余料而得到工件尺寸形状。
工艺动作过程由送料、定位、钻孔三部分组成。
各个机构的运动由同一电机驱动，运动由电动机经过减速装置后分为两路，一路随着传动系统传送动力到定位机构和送料机构，分别带动凸轮做转动控制四杆机构对工件的定位和带动凸轮四杆机构控制推杆做往复直线运动。
另一路直接传动到钻头的进退刀机构，控制钻头的进退，既该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的960r/min降到主轴的1r/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，最后由凸轮机构推动四杆机构，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。
基本运动为：
推杆的往复直线运动，定位机构的间歇运动和钻头的往复运动。
此外，还要满足传动性能要求：
1送料、定位、进刀机构在凸轮轴不同转角时候快慢行程不同。
2各个机构之间的配合相互有序，满足凸轮轴转角对应的性能要求。
机械系统运动转换功能：
三执行机构的选择
根据前述设计要求，送料机构应该做往复运动，并且必须保证工作行程中有快进、休止和快退过程。
定位机构也有休止、快进、快退过程。
进刀机构有快进和慢进、快退和休止过程。
此外三个机构之间还要满足随着凸轮轴转角不同完成动作的过程不同且相互配合。
这些运动要求不一定完全能够达到，但必须保证三者之间相互满足凸轮不同角度时候配合完好，以及送料机构的往复运动和进刀机构的往复循环及各个机构的间歇运动。
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。
方案一：
A1由于电动机的转速是960r/min，而选用设计要求的主轴转速为1r/min。
可以考虑利用行星轮进行大比例的降速，然后采用蜗轮变向。
考虑到蜗轮传动效率较低可以采用锥齿轮变向。
对比方案二：
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。
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，并且定位机构的工作行程要求是20mm。
方案一：
该定位系统利用了杆机构的增力作用，可以提供足够的力来加紧零件，选取凸轮作为原动件实现间歇定位的要求。
对比方案二：
该定位系统利用四杆机构中死点的积极作用，选取凸轮结合夹紧机构共同作用达到定位机构和间歇定位的要求。
对比方案三：
该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，它就可以满足实际要求了。
对比方案四：
采用一对凸轮机构相向放置，凸轮推压导杆，定位零件，凸轮满足了间歇定位的要求
对比方案五：
选用凸轮作为原动件，利用杠杆的转动，带动导杆运动，将零件夹紧
3.进料功能
进料也要要求有一定的间歇运动，并且其工作行程不小于40mm，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通过和齿轮的啮合将动力传递给进料机构。
可以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但机构的空间结构不好。
方案一：
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。
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。
对比方案二：
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。
对比方案三：
采用曲柄滑块机构，空间结构很紧凑，机构简单。
AB=20mm
、BC=30mm，D端推动待加工零件。
A处连接传动轴
对比方案四：
采用凸轮来完成进料，靠弹簧复位，要求凸轮比较大，不利于远距离的运动传递。
凸轮太大，其基半径为10mm，导程为40mm。
A处连接传动轴。
对比方案五：
凸轮作为原动件，通过杠杆和铰接在滑块上的横杆来推动待加工零件，弹簧起到复位作用
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
方案一：
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。
对比方案二：
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。
对比方案三：
采用不完全齿轮其中只要2×r×3.14×A角的度数除以360≥18mm即可。
A处连接动力轴
对比方案四：
利用曲柄滑块机构，可以实现周期性的进刀退刀，有急退急进功能，但是动力传动布置不方便。
A处连接动力轴
对比方案五：
采用四杆机构，通过不完全齿轮带动中间过度齿轮带动齿条上下运动，实现动力头的进给，完成进刀退刀，A处连接动力轴
对比方案六：
利用凸轮机构推动杠杆实现进刀退刀功能，因为杠杆比较细长，不可避免的振动较大。
四机械系统运动方案的选择
若钻床的变速装置采用定轴齿轮变速，由于设计要求传动比=n输入/n输出=960/1=960,非常大，此时若再结合蜗轮蜗杆传动可以大幅度降速，但是效率不高，所以采用行星轮可以实现较大幅度的速度转变，相比单纯的采用齿轮传动，次方法的选用更加经济成本相对较低，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，占据空间也较小，再用锥齿轮变向。
机构的送料装置采用由齿轮、齿条与四杆机构的组合结构，此组合机构既可以满足设计要求同时相对于其他的满足同样要求的机构又具有尺寸小和运动可靠的特点。
四杆机构为曲柄摇杆机构，不完全齿轮固结在摇杆上，摇杆做往复运动，带动齿条来回运动。
机构的定位机构由凸轮机构结合四杆机构的增力作用来工作，并按要求设计凸轮的外形尺寸以满足定位机构同样满足间歇运动和休止。
机构的进刀机构由轮机构和扇形齿与齿条配合，中间采用连杆带动。
先把回转运动动力转化为扇形齿的往复摆动，在通过齿轮传递给齿条，增加两个齿轮的目的是为了使传动更加的平稳可靠。
五工作循环图
六尺寸计算
1送料机构机构采用如下分析
送料机构：
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8.57°，则由
得K=1.1，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：
（如下图）
AB=11BC=65CD=25.36DA=60DE=40.57
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8.57°。
在AutoCAD上画图检验计算
2凸轮摆杆机构的设计（进刀退刀机构的设计）
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BI=80mm，摆杆长度AB=65mm
凸轮转角λ=0-60°,休止;
凸轮转角λ=60°-270°，刀具快进。
凸轮转角λ=270°-300°，刀具快退；
凸轮转角λ=300°-360°，休止。
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
3.得到EF=63.69mm，
4该机构中的凸轮用绘图软件设计得
过程截图
速度曲线
3夹紧机构的设计
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:
AB=BC=ED=40mm,BD=8mm。
设计基圆半径r=40mm,偏心距e=0
凸轮转角λ=90°-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=5mm;
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=-5mm;
其凸轮为
其过程为
推杆的加速度：
推杆的速度：
4减速机构的设计
Z1=30Z2=15Z2’=20Z3=40传动比iH3=960
根据行星轮传动公式：
i（H3）=Z2×Z3÷【Z2×（Z2’+Z3）－Z2’×（Z2+Z1）】，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
30
60
齿轮2
2
20
15
30
齿轮2’
2
20
20
40
齿轮3
2
20
40
800
七机构运动简图
八总结
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。
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