半自动钻床工作机构设计.doc

课程名称：机械原理

设计题目：半自动钻床工作机构设计
院 系：机械系
专 业：机械设计制造技术及其自动化
学 号：
姓 名：

西南交通大学

2015年 11 月 20 日

机械原理设计任务书
学生姓名 班级 学号
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孔半自动钻床。进刀机构负责动力头升降，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、  设计数据及要求
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
D
25
20
15
1400
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机构简图和运动循环图。
4.凸轮机构设计计算。按各凸轮机构工作要求，自选从动件运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角及最小曲率半径。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. 确定电动机功率及转速；
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

五、设计工作原理
5.1机构工作原理
该系统由电机驱动，通过变速传动将电机1400r/min降到主轴2r/min，及传动轴相连凸轮机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，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加工质量，简图如下：

六、功能分解图，执行机构动作
6.1功能分解图如下图

6.2执行构件选择
1.减速传动功能
选用经济成本相对较低，结构简单，传动比大特点，可满足具有较大传动比工作要求，我们这里就采用皮带轮来实现我设计传动。
方案一（选用）
选用装置具有经济、结构简单特点，由于电动机转速为1400r/min，而选用设计要求主轴转速为2r/min。，通过变速传动将电机1400r/min降到主轴2r/min，使得实现每秒2个工作节拍。

方案二
用定轴轮系减速传动。由于传动比=输入转速1400/输出转速2=700传动比过大，故用二级减速传动。其中带传动起过载保护作用。此机构虽然可以是实现转速缓慢下降，但是结构复杂，成本高。

2.送料功能
由于我们设计机构要有间歇往复运动，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弹簧实现定位机构回位，等待送料，凸轮循环运动完成了此功能。
方案一（选用）
其较方案一结构简单，但由于缺少杠杆，其完成快进、休止和快退动作，如果行程较大，为达到压力角要求，要求凸轮基圆半径较大，不利于远距离运动传递，使制造成本升高，机构笨重。

方案二
采用一个凸轮机构来完成送料机构往复运动。通过凸轮机构和导杆滑块实现送料时快进、休止和快退动作。由于采用了杠杆，故其能够完成送料较大传动距离。

3.定位功能
方案一（选用）
结构简单，但由于缺少杠杆，无法对工件施加较大力。而且如果行程较大，为达到压力角要求，要求凸轮基圆半径较大，不利于远距离运动传递，使制造成本升高，机构笨重。

方案二
通过凸轮机构实现定位夹紧时休止、快进及夹紧和快退动作。由于采用了杠杆，夹紧装置可对工件施加较大夹紧力保证完成定位夹紧功能。

4.进刀功能
采用凸轮循环运动，推动滚子使滚子摆动一个角度，在杠杆另一端焊接一个圆弧齿轮，圆弧齿轮摆动实现齿轮转动，齿轮转动再带动动力头升降运动实现进刀。
方案一
采用一个直动滚子从动件盘行凸轮机构并结合滑块导杆传递齿轮齿条机构。进刀时，凸轮在推程阶段运行，其通过机构传递带动齿轮齿条啮合，进而带动动力头完成钻孔。导杆垂直移动距离即为齿轮弧转动角度，且齿轮齿条传动具有稳定性。

方案二（选用）
采用一个凸轮机构来传递齿轮齿条机构。其比方案一简单，但由于没有杠杆，所以不能传动很大范围。

七、执行机构设计过程及尺寸计算
1．送料凸轮机构机构采用如下分析
凸轮机构采用直动滚子端面柱体凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使滚子及凸轮保持接触，实现进料功能。只要适当地设计出凸轮轮廓曲线，就可以使推杆得我们所需要运动规律，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,
凸轮转角λ=0°-30°,送料机构快进,推杆行程h=25mm；
凸轮转角λ=30°-45°,送料机构休止,推杆行程h=0mm；
凸轮转角λ=45°-90°, 送料机构快退,推杆行程h=-25mm；
凸轮转角λ=90°-360°, 送料机构休止,推杆行程h=0mm；

2.进刀机构设计
(1).由进刀规律，我们设计了凸轮摆杆机构，又以齿轮齿条啮合来实现刀头上下运动；
(2).用凸轮摆杆机构和直齿条所构成同一构件，凸轮摆杆从动件摆动就可以实现齿条上下摆动，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及凸轮保持接触.刀具运动规律就及凸轮摆杆运动规律一致；
(3).弧形齿条所转过弧长即为刀头所运动距离。具体设计步骤如下：
1.根据进刀机构工作循环规律,设计凸轮：
基圆半径r0=40mm；
凸轮转角λ=0-60°,刀具休止，推杆行程h=0mm；
凸轮转角λ=60°-270°，刀具快进，推杆行程h=15mm；
凸轮转角λ=270°-300°, 刀具快退，推杆行程h=-15mm；
凸轮转角λ=300°-360°刀具休止，推杆行程h=0mm

2. 设计齿条齿轮,根据刀头行程和凸轮摆角,设计出圆形齿轮半径r=60mm,模数m=1，齿数z=60，两个齿条模数m=1，齿数z=25，两个齿条及齿轮啮合。

齿轮材料：齿轮采用45号钢，软齿面，齿轮调制处理。
齿面硬度：为217-255HBW,平均硬度为236HBW；
齿轮强度极限为650MPa，齿轮屈服极限为360MPa；
齿轮齿面平均硬度差为46HBW，在30-50HBW范围内。
齿条正火处理，齿面硬度为162-217HBW，平均硬度为190HBW。
按GB/T10095－1998，均选择8级精度。
（1）齿面接触疲劳强度计算
因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度设计齿轮传动：

齿轮传递转矩：
设计时，因v值未知，K不能确定，初取；
由《机械设计》中表10-7取齿宽系数；
表10-5查得弹性系数 ；
图10-20选取区域系数；
式10-9计算接触疲劳强度用重合度系数
齿条,齿轮

（2）计算接触疲劳许用应力
由图10-25d得接触疲劳极限应力=600MPa =550MPa ;
式10-15计算应力循环次数：

图10-23查取接触疲劳寿命系数 ,
取安全系数S=1， ,

取；
初算齿轮分度圆直径，得
=59.86mm<60mm
所以齿面接触疲劳强度满足要求。

（3）齿根弯曲疲劳强度校核

选=1.55 m=1
由《机械设计》中式10-5计算弯曲疲劳强度用重合度系数

由《机械设计》中图10-17查得齿形系数,
由《机械设计》中图10-18查得应力修正系数 ，
由《机械设计》中图10-24c查得弯曲疲劳极限，齿轮，齿条
由《机械设计》中图10-22查得得弯曲疲劳寿命系数:.,
取弯曲疲劳安全系数 S=1.25 (1%失效概率)

因为, 所以齿根齿根弯曲疲劳强度满足要求。

3.定位凸轮推杆机构设计：
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及凸轮保持接触，实现定位功能。只要适当地设计出凸轮轮廓曲线，就可以使推杆得我们所需要运动规律，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；
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；
凸轮转角λ=90°-360 ,定位机构休止，推杆行程h=0mm。
（定位机构及凸轮进退是相反）

4．皮带轮计算:
皮带轮参数
名称
皮带轮1
皮带轮2
皮带轮3
半径（mm）
10
10
50
半径（mm）
250
280
50
齿轮参数

模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
直齿轮
1
20
60
60
锥齿轮
3
20
24
72

5. 轴强度计算以及轴承选择
1.因为这个主轴是以转矩为主传动轴，所以我采用按扭转强度计算方对轴强度进行计算。选择轴材料为45号钢，调质处理，硬度217~255HBS。由表查得许用应力=59MPa。电动机数据 Y80S-4 额定功率P=1.1KW 满载n=1400r/min

T — 轴传递转矩(N•mm)；
— 轴抗扭截面系数(mm3) 由于我采用是实心轴
P — 轴传递功率(kW)；
n — 轴转速(r/min)；
[T] — 许用切应力(MPa)

d=8.6*1.03=19mm d取20mm
当截面上有键槽时，可按圆轴计算，并适当增大轴径。对于直径小于100轴，单键增大5~7%，双键增大10~15%；对于直径大于100轴，单键增大3%，双键增大7%。
2.滚动轴承优势
● 摩擦阻尼小(相对于非液体摩擦滑动轴承)，启动灵活；
● 可同时承受径向和轴向载荷，简化了支承结构；
● 径向间隙小，还可用预紧方法消除间隙，因此回转精度高；
● 互换性好,易于维护。

式中：P 为当量动载荷；
L10为P 作用下额定寿命。
ε为寿命指数，球轴承ε ＝3
Lh=36000h

只能承受径向力向心轴承
由于这个轴基本不承受径向力，内径为20mm，所以选择深沟球轴承6304。

七、工作循环图
钻床进刀 钻孔和退刀为一个运动循环。应该保证钻床在钻孔运动循环中，定位装置和送料装置和钻头在时间和凸轮转动角度上相互协调。根据半自动钻床各执行机构运动要求，绘制机构系统运动循环图如下：

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