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打孔机的结构原理设计机械系统设计大作业

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2020年4月19日
文档仅供参考

机械系统设计
课程作业
（打孔机的设计）

一、设计任务书 1
二、确定总共能（黑箱） 2
三、确定工艺原理 3
（一）机构的工作原理: 3
（二）原动机的选择原理 3
(三)传动机构的选择和工作原理 3
四、工艺路线图 4
五、功能分解（功能树） 4
六、确定每种功能方案，形态学矩阵 5
七、系统边界 6
八、方案评价 6
九、画出方案简图 7
十、总体布局图 9
十一、主要参数确定 10
十二、循环图 14

一、设计任务书
编号

名称
半自动打孔机
设计单位

起止时间
.11
主要设计人员

设计费用

1
功能
主要功能：实现工件自动打孔
2
适应性
对象:需要打孔的工件
环境：远离振动源；要有电源
3
性能
动力：转速为1450 r/min，功率N = 1.2 kW
4
可靠度
整机99.9%
5
使用寿命
一次性使用5年，多次维修
6
人机工程
操作方便
7
安全性
有漏电保护，过载保护
8
要求
1.不能有振动，结构稳定
2. 进料机构工作行程大于等于40mm
3. 动力钻头工作行程大于18mm
表1

二、确定总共能（黑箱）
~220V
被加工工件
噪声 发热
图 1
有孔的工件

黑箱

三、确定工艺原理
（一）机构的工作原理:
该系统由电机驱动，经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 经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。
（二）原动机的选择原理
（1） 原动机的分类
原动机的种类按其输入能量的不同能够分为两类：
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，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，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、把原动机输出的等速回转运动转变
4、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。
（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，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。
四、工艺路线图
图2
主功能

五、功能分解（功能树）

送料

定位

夹紧
主功能

进刀

刀头旋转

半自动打孔机

电动机

动力功能

齿轮齿条

带传动

传动功能
减速箱

六杆机构

电动机启停
控制动能

过载保护

人机交互

图 3

六、确定每种功能方案，形态学矩阵
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经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，我们能够用圆锥齿轮来实现换向，然后经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,经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.
用形态学矩阵法创立机械系统运动方案
根据系统的运动转换功能图可构成形态学矩阵如表。由表3-3所示的形态学矩阵能够求出半自动钻床系统运动方案数为：
N=3×3×3×3×3＝243

表 2
七、系统边界
室温20℃ 噪音小
进入系统的是被加工的工件，出去的是已完成钻孔的工件
八、方案评价
根据功能原理，工艺分解过程及执行机构的选择，确定了以下两种运动方案:
方案一：A1+B3+C3+D3+E2
方案二：A1+B2+C1+D3+E2
定轴轮系传动；传动比很大，要用多级传动。
由于在空间上轴与轴之间的距离较大，但四杆的曲柄滑块机构行程太小。故优先选用六杆机构
综合评价，因此选择方案一
九、画出方案简图
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

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.用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，很容易经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5
3. 送料系统：
采用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。因此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，因此不需要使用凸轮机构。

图 6
4.定位夹紧系统：
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，因此就要使用凸轮机构，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，因此就采用一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它就能够满足我们的实际要求了。

图 7
十、总体布局图

图8

1-电机 2-带传动 3-减速箱 4-送料装置 5-钻头 6-夹紧装置 7-定位装置 8-进刀装置
十一、主要参数确定
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：
AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8
该尺寸能够满足设计要求，即滑块的左右运动为40，ABCD的极位夹角为12度。

图 9
2.凸轮摆杆机构的设计：
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；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能够实现
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；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，

图 10
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，就能够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

图11
Z1=35 Z2=20 Z2’=20 Z3=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
表4
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
表 5
十二、循环图

图11