课程设计机械原理半自动钻床设计

课程设计

课程名称： 机械原理

贵州大学机械工程学院

机械原理课程设计任务书

半自动钻床

一、设计题目及原始数据

题号03

设计加工所示工件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。

半自动钻床设计数据参看下表。

半自动钻床凸轮设计数据表

方案号 A B C 进料机构 工作行程 mm 40 35 30 定位机构 工作行程 mm 30 25 20 动力头 工作行程 mm 15 20 10 工作节拍电动机转速 （生产率） r/mm 件/min 1450 1400 960 1 2 1 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。各机构运动循环要求见下表。

机构运动循环要求表

凸轮轴转角 送料 定位 进刀 休止 10o 20o 快进 快进 休止 30o 45o 休止 休止 60o 75o 快退 快退 快进 快进 90o 105o～270o 300o 360o 休止 休止 快退 休止 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.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；

目 录

一．机构的工作原理 ................................................................................ 5 二．功能分解图，执行机构动作 ............................................................ 7 三．机构的选用 ........................................................................................ 8 四．机构运动总体方案图 ...................................................................... 15 五．执行机构设计及尺寸计算 .............................................................. 22 六．工作循环图 ...................................................................................... 23 七．proe运动分析 .................................................................................. 24 附录 ........................................................................................................... 26 总结 ........................................................................................................... 39 参考文献 .................................................................................................. 40

一、机构的工作原理

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1450r/min降到主轴的1r/min，与传动轴相连的各机构控制送料，定位，夹紧和进刀等工艺动作，最后由凸轮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。具体的选择原理和工作原理如下：

(1) 选择电动机时需考虑的因素：电动机的选择需考虑工作环境的影响；同时还要考虑是否工作可靠，操作简易，维修方便；除此之外，为了提高机械系统的经济效益，还需考虑经济成本。

(2) 传动机构的作用：①把电动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力；②把电动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力；③当不可能用电动机进行调速时，采用变速传动来满足执行机构的调速要求；④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。

(3)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主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置；⑤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

功能分解图如下图：

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、夹紧、钻孔三部分组成。各个机构的运动由同一电机驱动，随着传动皮带传送动力到定位机构、夹紧机构和送料机构，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。 基本运动为：推杆的往复直线运动，定位机构与夹紧机构的间歇运动和钻头的往复运动。送料、定位、夹紧和进刀机构在凸轮轴不同

转角时候快慢行程不同。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。

三、机构的选用

根据前述设计要求，送料机构应该做往复运动。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、变速机构：

如（图3.1.1），由于电动机的转速是1450r/min，而选用设计要求的主转速为1r/min。可以利用行星轮进行大比例的降速，然后用锥齿轮变向，采用该机构的优点是机构所占的空间较小，传动链比较短占用空间小。

（图3.1.1）

对比机构：利用定轴轮系进行减速，虽然能够达到要求，但是齿轮的 配合级数过多，配合齿轮的齿数相差过大，传动链比较长，所占用的总体空间比较大，如（图3.1.2）：

（图

3.1.2）

2、送料机构：

方案一：采用对心曲柄滑块机构如下图，由于在空间上轴与轴之间的距离较大，并且曲柄回转中心的位置不一定与工作台在一个平面

内，这是采用该种机构要考虑的首要问题；用锥齿轮可以解决该问题；优点是容易设计，加工成本低；机构简图如（图3.2.1）：

（图3.2.1） 对比机构：方案二：

如下图，采用槽轮机构进行送料；这种机构的优点是不需要用锥齿轮换向，直接将主轴的转动转换成为滑块的往复运动；缺点是槽轮的加工精度要求较高，加工成本较高。机构简图见（图3.2.2）：

（图3.2.2） 3、定位机构：

（1）定位系统采用的是一个对心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，凸轮容易失真，若增加凸轮的基圆半径，那么凸轮机构的结构就会很大，也不切实际，并且容易与其它机构发生干涉，所以采用一个对心直动滚子从动件盘型凸轮，可以满足实际要求。（图3.3.1）为机构简图：

（图3.3.1）

（2）对比机构：该机构用凸轮实现从动件的间歇运动，中间采用连杆机构进行传动，保证了传动的平稳性，但是也因为这样使得机构增加了运动传递路径的长度。所以传递效率会比较低，实际设计加工和组装比较困难；机构简图如（图3.3.2）：

（图3.3.2） 4、夹紧机构：

（1）夹紧机构运动规律类似于定位机构，系统有间歇，也需要用凸轮机构，优点是利用机架的一侧作为定位基准，可以减小运动产生的误差，夹紧位置比较准确；机构简图如（图3.4.1）：

（图3.4.1）

（2）对比机构：该机构的运动形式和规律与（1）完全相同，不同的是夹紧头不一样，该机构采用的是两侧同时向工件中心运动的形式来夹紧的，该机构夹紧易出现误差，运动难控制，加工和组装的要求比较高；机构简图如（图3.4.2）：

（图3.4.2） 5、进刀机构：

方案一：为了达到输出间歇运动同时能够做到循环往复运动，采用凸轮机构和齿条，顶杆和齿条固结中间采用齿轮带动。先把回转运动动力转化为齿条的上下运动，再通过齿轮传递给连接刀具的齿条，从而使刀具进行进刀。该机构的优点是传动链较短，易于生产加工和组装；机构简图如（图3.5.1）：

（图3.5.1）

方案二：对比机构：

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，容易通过机构传递带动齿轮齿条啮合。带动动力头来完成钻孔，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定性。但是此种机构增加了运动传递路径。所以传递效率会比较低，综合考虑，总体设计仍采用方案一；对比机构的机构简图如（图3.5.2）：

（图

3.5.2）

6、绘制机械系统运动转换功能，如（图3.6）：

（图3.6）

四、机构运动总体方案图

1、根据系统的运动转换功能，由下表可以求出半自动钻床系统运动方案数为：1×2×2×2×2×2=32种

根据功能原理，工艺分解过程及执行机构的选择，确定了以下运动方案，如（图4.1）：

（图4.1）

根据各机构分析，运动简图确定本设计中半自动钻床的总体方案图如下图，该图表示了上图形态学矩阵中用实线连接的方案的运动简

图。电动机通过带传动将运动传递到行星轮系，传到行星架的转速为1000r/min，通过行星轮系减速后将运动传递到主轴，使主轴的转速降为1r/min；接下来通过主轴带动锥齿轮转动，再通过两次锥齿轮传动后，便可将运动传到曲柄滑块机构，从而实现送料滑块的往复运动；同时主轴也将运动传递到定位、夹紧和进刀机构的凸轮，定位凸轮将运动传递到定位杆，使定位杆实现往复运动；夹紧机构的运动跟定位机构的相同；进刀凸轮将运动传到齿条，齿条再通过齿轮将运动传递给动力头，使动力头实现往复进刀运动；机械系统运动方案简图见附录（图4.2）。

五、执行机构设计及尺寸计算

1、减速机构计算：如（图5.1），因为传动比到达到1450：1，所以先用带传动减速，然后再用行星轮系减速。两个传送轮的半径分别设定为145和100，使的H 的转速降到1000r/min。分别设定齿轮1，2，2’，3的模数为1，齿数分别为37，25，27，40。由此可算的传送比为1000：1，达到减速效果。

（图

5.1）

2、送料机构计算：

如（图5.2），该机构为对心曲柄滑块机构，无急回特性，极位夹角为0；任务书中进料机构即滑块的行程为40即两极位C1和C2之间的距离为40，所以B1点到B2点之间的距离为40，所以AB取

20，为满足运动要求，取 BC=60;当运动开始时，即：当B点位于极位B1时，A点与极位C1点之间的距离为40，使滑块循环推动工件从而达到送料效果。

（图5.2） 3、定位凸轮的设计：

如（图5.3），由任务书中定位机构的工作行程为30，为了满足实际需要，将凸轮运动规律分为5段，分别为近休、推程（快进、工进）、远休、回程；在原有的行程上加入一段快进的空行程10，从而得到定位凸轮的近休到远休的距离为40，即凸轮的行程为40，设定凸轮的基圆半径为50，参照前面的定位机构的运动简图并结合考虑总体的空间位置，取B的长度为160，C的长度为108，D为152，A（主轴）到工作台的纵向距离为100，横向为40，顶杆的直径为4；结合工作循环图，利用凸轮设计软件可设计出凸轮的轮廓形式和相关参数：见附录（图5.3.1）

（图5.3） 4、夹紧凸轮的设计：

如（图5.4），待加工的工件的最大直径为40，将凸轮运动规律分为5段，分别为近休、推程（快进、工进）、远休、回程；设定夹紧块的快进空行程为10，夹紧时的行程为5，从而得到定位凸轮的近休到远休的距离为15，即凸轮的行程为15，设定凸轮的基圆半径为50，参照前面的夹紧机构简图，B的长度取30，C取104，D取80；结合工作循环图，利用凸轮设计软件可设计出凸轮的轮廓形式和相关参数：见附录（图5.4.1）

（图5.4） 5、进刀凸轮的设计：

如（图5.5），将凸轮运动规律分为5段，分别为近休、推程（快进、工进）、远休、回程；由于工件的钻孔深度为18，所以设定钻头的工进行程为20，另外再设定钻头的快进空行程为20，从而得到定位凸轮的近休到远休的距离为40，即凸轮的行程为40，设定凸轮的基圆半径为50，参照进刀机构简图设计参数，A到B的纵向距离取180，横向距离取50，A到主轴之间的距离取140，传动齿轮的模数m=1,齿数z=100；结合工作循环图，利用凸轮设计软件可设计出凸轮的轮廓形式和相关参数：见附录（图5.5.1）

（图5.5）

六、工作循环图

机械系统方案的执行件需要进行运动协调设计。由于系统的生产率为1个/min。根据机构凸轮设计有：

1、送料机构：原动件从0度转到180度为送料过程，占60秒中的

30秒。从180度到360度为回程。

2、夹紧机构：凸轮从0度到150度为远休，从150度到180度为快速回程，由其机构的位置可知位移为-10，180度到200度为回程，位移为-5，200度到300度为近休，300度到360度为推程，位移为15。

3、定位机构：凸轮从0度到60度为远休，从60度到100度为快速回程，由其机构的位置可知位移为-10，100度到170度为回程，位移为-30，170度到300度为近休，300度到360度为推程，位移为40。

4、进刀机构：凸轮从0度到160度为近休，160度到200度为推程（快进)，位移为20（令刀具初始位置到机架的距离为40），从200 度到280度为推程（工进），位移为20，从280到300度为远休，从300度到360度为回程，位移为﹣40。 从而得到图（6.1）所示工作循环图：

图（6.1）

七、proe运动分析

1、送料机构：送料机构为曲柄滑块机构，在给定曲柄一个角速度后，从动件（滑块）的运动规律，三维模型见附录（图7.1）； （1）滑块的位移曲线见附录（图7.1.1）； （2）滑块的速度曲线见附录（图7.1.2）； （3）滑块的加速度曲线见附录（图7.1.3）； 2、定位机构的proe实体效果图：见附录（图7.2）； 3、夹紧机构的proe实体效果图：见附录（图7.3）； 4、进刀机构的proe实体效果图：见附录（图7.4）； 5、减速机构的proe实体效果图：见附录（图7.5）； 6、锥齿轮传动proe效果图: 见附录（图7.6）； 7、总装配实体效果图：见附录（图7.7）。

附录：

（图4.2）机械系统运动方案简图

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