机械原理课程设计-半自动钻床-郭俊.doc

机械原理课程设计
说明书

设计题目 : 半 自 动 钻 床

工学院机制专业0805班
设 计 者 ： 郭俊
　 指 导 教 师 ： 陈红

2010年7月8日

目录
第一章 设计要求……………………………………….………….

第二章 功能分解……………………………………………………

第三章 机构对比选用……………………………………………………

第四章 机构组合……………………………………………………

第五章 传动设计方案设计…………………………………………

第六章 运动协调性设计……………………………………………

第七章 机构设计………………………………………...…………

第八章 方案的评价

参考资料………………………………………………………..

第一章 概述及其设计要求
1.1功能要求
半自动钻床机能够实现送料、定位、和孔的一体化功能。设计要求的机床的进料机构工作行程大于等于40mm，动力钻头工作行程大于18mm，电动机转速1450r/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，最终由进刀机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。
1.2设计任务要求
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；

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
1.3方案提示
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，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。
1.4设计数据及工件尺寸

加工工件

第二章 功能分解

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，一路随着传动传动皮带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。
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。

第三章 机构选用
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。
Ⅰ变速机构：
方案一：A1由于电动机的转速是1450r/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。

方案二：A2利用定轴轮系传动；传动比 =n输入/n输出 =1450/1=1450 ,因为传动比很大，所以要用多级传动。
Ⅱ送料机构的选型：
方案一：B1直接采用凸轮滑块机构，并且在轮同轴的齿轮组合中加入不完全齿轮以满足间歇休止运动要求。

方案二：B2采用凸轮与四杆机构的组合结构实现既有快慢变化的运动又有休止的间歇运动。

方案三：B3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 。
Ⅲ 定位机构选型
方案一：C1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。

方案二：C2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。

Ⅳ 进刀机构
方案一：D1为了达到输出间歇运动同时能够做到循环往复运动，采用凸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，增加一个齿轮的目的是为了使传动更加的平稳可靠。

方案二：D2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。

第四章 机构组合
上述各机构方案择优形成如下的机械系统运动方案组合。
机械系统方案
E1
E2
E3
变速机构
A2
A1
A1
送料机构
B3
B1
B2
定位机构
C1
C2
C1
进刀机构
D2
D1
D1
方案1的设计矩阵为E1={A2 B3 C1 D2}
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 =1450/1=1450 ,非常大，此时再结合蜗轮蜗杆传动可以大幅度降速。
机构的送料装置采用由凸轮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。盘形凸轮机构把转动动力输入给四杆机构中的一个杆件从而转化为这个杆件的往复运动，此机构中的四杆机构为双摇杆机构，由此双摇杆机构实现滑块的往复运动。同时设计凸轮尺寸来满足滑块的间歇运动和快慢交替的变速运动。
机构的定位机构由凸轮机构结合四杆机构的死点来夹住工件，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。
方案2的设计矩阵为E2={A1 B1 C2 D1}。
半自动钻床的变速机构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。
送料装置如果采用凸轮滑块机构，虽然可以实现滑块的往复运动，但是不能够保证滑块能够实现间歇休止并且配合好其他机构。
采用C2 类型的定位装置可以满足设计要求，但是整个半自动钻床的空间尺寸有限这样的设计务必会占用较大的空间从而使材料的使用增多，浪费了材料。
进刀机构采用D1时候能够满足设计要求，但是机构构件之间缺乏稳定的传动，对制造出的工件精度很难保证质量。
更具钻床每分钟完成一个工件的钻孔的设计要求，并且选用能够提供间歇运动的机构，以及结合产品结构简单、紧凑、制造方便、低成本等性能指标，选取设计方案E1/。实际采用的半自动钻床运动方案如下图所示：

1电动机 2定轴齿轮 3蜗轮 4凸轮 5连杆 6工件毛坯 7滑块
8钻头 9齿轮 10扇形齿轮 11弹簧 12连杆 13夹具 14连杆
15凸轮 16皮带
半自动钻床运动简图
第五章 传动设计方案设计
传动比分配 根据电动机的转速和工件生产的速度，确定系统总的传动比为
i==n输入/n输出 =1450/1=1450
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Z1=20，因为齿轮1直接与电动机连接，所以n1=1450
令i12=n1/n2=Z2/Z1=4 所以n2=362.5 z2=80
令Z2 `=20，n 2`=n2=362.5≈360
i2`3=5=n2 `/n3=Z3/Z2 ` 所以n3=72， Z3=100
最后确定蜗杆齿数 蜗杆转速=n3=72，所以i=72/1=72
所以n蜗杆=1，Z蜗杆=72
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
72
288

第六章 运动协调性设计
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的运动要求，绘制机构系统的运动循环图如下：
30° 60°
送料

定位 30° 60°

10° 90°

进刀
90° 180° 270° 360°
7.55s） （15s） （22.5s） （30s）

第七章 机构设计
1 凸轮摆杆进刀机构的设计：
(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=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，如图7-2

图7-2
2凸轮推杆滑块机构的设计：
① 凸轮设计
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=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。
② 连杆机构设计：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。
根据四杆机构的急回特性计算得各杆尺寸：
AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8

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12度。
第八章 方案评价
1 运动链的选择
选择带传动代替原来的齿轮传动不仅能够满足动力传动的要求，同样可以节省机构占用空间，简化机械的构造降低制造的费用，减轻机构的重量，有利于降低成本提高机械效率。可以减少各个零件制造误差而形成的运动链的运动累计误差，从而提高零件加工的工艺性和工作可靠性，提高传动精度。因此，在选型的时候有时宁可采用具有较小设计误差但结构简单的近似机构，而不是采用理论上没有误差但结构复杂的机构。此外，为了减少构件的数目还有利于提高系统的刚性。因此此方案中采取了机构简单实际工作轨迹近似的装置代替了理论上完全达到要求而实际设计制造很不方便的机构。
2 传动比的分配
运动链的传动比的分配是否合理将直接影响机械系统的结构尺寸。采用涡轮蜗杆结合定轴齿轮结构代替星系结构不仅可以满足大幅度减速的要求，同样可以减少空间的浪费和材料的使用，节约成本。在安排传动比分配的时候运动链逐级减速，可以使得各级中间轴有较高的转速及较小的转矩，从而可以使轴及轴上零件有较小的尺寸，是机构较为紧凑。
3动力源的选择
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。

参考文献：
[1]裘建新编著的《机械原理课程设计指导书》. 北京:高等教育出版社,2005
[ 2 《机械原理》程友联。中国农业出版社。2007