机械原理课程设计--半自动钻床

1机械原理课程设计说明书设计题目：半自动钻床设计姓名：季倩学号：110700131院系：装备制造学院车辆1101班同组者：指导教师：曹光民2013年月日2目录一、设计任务书…………………………………………4二、工作原理和工作动作分解………………………6三、根据工艺动作和协议要求拟定运动循环图………7四、执行机构选型………………………………………五、机械运动方案的选择和评定3六、机械传动系统的速比和变速机构3七、半自动钻床的机构运动简图6八、凸轮机构的尺度设计7九、定位凸轮速度与加速度分析9十、心得体会11参考文献12-3-半自动钻床方案设计（方案B）2.1设计题目设计加工图1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。图1加工工件半自动钻床设计数据参看表3。表3半自动钻床凸轮设计数据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/minA40301514501B35252014002C30201096012.2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。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。-4-7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。2.3设计提示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.可采用凸轮轴的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10º20º30º45º60º75º90º105º～270º300º360º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-5-1.工作原理和工艺动作分解根据任务书的要求，该机械的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，并由定位机构将加工工件可靠固定。三个执行构件的运动形式为：(1)动力头完成往复（铅垂上下）直线运动，下移到最低点后立刻上移。在下移之前有一段时间是休止的，这段时间正好用于送料和定位。动力头的行程是20mm。若机构主动作一转完成一个运动循环，则上冲头位移线图的形状大致如图1-1所示。图1-1动力头位移线图(2)送料机构做水平的往复运动，工作行程是35mm。开始送料机构先迅速的把胚料送到加工台，稍作停顿后立刻返回，在工件的加工过程中保持休止。其位移线图大致如图1-2所示。-6-图1-2送料机构位移线图(3)定位机构也是在水平面做往复运动，在工件加工的时候对工件起固定的作用。行程是25mm。其位移线图大致如图1-3所示。图1-3定位机构位移线图2.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。进刀机构每完成一个运动循环，以该主动件的转角作为横坐标（0,360），以各构件执行构件的位移为纵坐标做出曲线。运动循环图的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，根据上述表述作出半自动钻床的运动循环图如图2-1所示。-7-图2-1半自动钻床的运动循环图3.执行机构选型1.减速传动功能为使成本降低，减小机构的体积，并且提高传动效率，简化结构，增大传动比，所以我们选择采用行星轮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。3.进料功能进料也要要求有一定的间歇运动，我们用圆锥齿轮来实现换向，然后通过齿轮传动，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构来实现进料。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，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抵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.根据系统的运动转换功能图可构成形态学矩阵如图3-1。由图3-1所示的形态学矩阵可以求出半自动钻床系统运动方案数为：-8-图3-1半自动钻床的功能-技术矩阵图-9-4.机械运动方案的选择和评定(1)减速机构:由于电动机的转速是1400r/min,而设计要求的主轴转速为2r/min，利用星轮进行大比例的降速，然后用圆锥齿轮实现方向的转换。如图4-1。.图4-1行星轮系减速机构的运动简图对比机构: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。如图4-2。图4-2定轴轮系减速机构的运动简图(2)动力头工作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，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。-10-图4-3动力头工作机构的运动简图对比机构：也是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但比法案一简单。但是没有杠杆，不能滑动很大的范围。如图4-4。图4-4对比机构的运动简图（3）送料机构:采用一个四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问的距离有点大，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四杆机构来实现。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。如图4-5。-11-.图4-5送料机构运动简图对比机构：比法案一简单，但是滑块滑动距离有限。如图4-6。图4-6对比机构的运动简图（4）定位机构:定位系统采用的是一个对心直动平底从动件盘型凸轮，因为定位系统要有间歇，所以就要使用凸轮机构。如图4-7。-12-图4-7定位机构的运动简图对比机构：对比的定位和夹紧机构和法案一不同，效率等也有所差别。如图4-8。如图4-8对比机构的运动简图-13-5.机械传动系统的速比和变速机构1.送料机构采用如下分析送料连杆机构:采用如下机构米送料，根据要求，进料机构丁作行程为35mm,各杆尺寸(如图5-1)：AB=70BC=17.5CD=26.25DA=52.5DE=8.75图5-1送料机构的运动简图2.动力头机构采用如下分析:(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。其具体体设计步骤如下:1.根据进刀机构的工作循环规律，钻空深度为18mm，则弧形齿条以18mm来回滑动设计凸轮基圆半径r0=40mm，中心距A=80mm,摆杆长度d=65mm,最大摆角为。凸轮转角,。凸轮转角。刀具快进，。-14-凸轮转角。刀具快退。凸轮转角，。“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由，=20mm。3.得到r=63.69mm。3.定位机构采用如下分析:凸轮机构采用直动平底从动件盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使平底与凸轮保持接触，实现定位功能。只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到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=25mm。凸轮转角，定位机构休止，推杆行程h=0mm。凸轮转角，定位机构快进，推杆行程h=25mm。凸轮转角，定位机构休止，推杆行程h=0mm。凸轮转角，定位机构快退，推杆行程h=25mm。凸轮转角，定位机构休止，推杆行程h=0mm。4.行星轮系的计算：用行星轮系传动，如图5-2.图5-2行星轮系的运动简图-15-Z1=35Z2=20Z2,=20Z3=35传动比iH3=700根据行星轮传动公式:iH3=1-iH31=1-Z2'Z1/Z3Z2由i1H=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:6.半自动钻床的机构运动简图综合各个机构选型，做出半自动钻床的总体机构运动简图，如图6-1所示图6-1半自动钻床的总体机构运动简图-16-总得来说该机构首先通过减速机构达到工作要求的转速，然后将进料、定位以及动力头机构的凸轮。动力头机构由对心直动滚子从动件盘形凸轮机构通过杠杆控制弧形齿条的的运动，再由弧形齿条与齿轮、齿轮和齿条的啮合传动控制钻头的来回往复运动。定位机构则由弹簧是平底从动件始终紧贴凸轮，形成力封闭。再由平底通过连杆滑块的配合，把凸轮的轮廓所表示出的运动形式以平底的运动表示出来，从而获得预期的夹紧工件的运动。送料机构则是由一个圆盘与连杆滑块的配合，使滑块做往复的运动，从而使其上的工件不断的送到加工位置。因为曲柄滑块是偏心安置的，所以存在急回特性，这提高了生产率。整个过程就是工件被送料机推入加工位置，此时定位机构将被加工的工件可靠的固定住，钻头同时下降进行钻削，送料机构也同时后退。加工完成后钻头退回，这时新的工件被送料机构推入，从而重复的进行加工。7.凸轮机构的尺度设计（同组的陈富，黄鹏程，胡巧利做送料机构、定位机构、动力头机构运动）1.定位凸轮和夹紧凸轮因为定位机构和夹紧机构是同步的，所以定位机构的凸轮和夹紧机构的凸轮是一样的。图7-1为定位凸轮和夹紧凸轮设计结果。基圆半径R0=40mm滚子半径Rt=10mm偏心距e=25mm转速w=2r/min中心距A=80mm摆杆长L=65mm。-17-图7-1定位凸轮的设计图示图6-2和6-3为定位凸轮的轮廓图(7-2内包络线图，7-3外包络线图)图7-2定位凸轮的内包络线-18-图7-3定位凸轮的外包络线2.进刀凸轮进刀凸轮类型设计结果如图7-4，凸轮运动分段如图7-5。基圆半径R0=40，滚子半径Rt=10偏心距e=25转速w=1图7-4进刀凸轮的设计图示进刀凸轮的轮廓线设计如图7-5(内包络线)和图7-6(外包络线)-19-图7-5进刀凸轮的内包络线以及运动分析图7-6进刀凸轮的外包络线以及运动分析-20-8.定位凸轮速度与加速度分析（分析一个位置）定位凸轮的各参数如下：基圆半径R0=40mm，滚子半径Rt=10mm偏心距e=25mm转速w=2r/min其内包络线和外包络线的加速度和速度及位移分析如图8-1和8-2：图8-1定位凸轮的内包络线的运动分析简图图8-2定位凸轮的外包络线的运动分析简图-21-11.设计总结一个星期的课程设计很快就过去了，虽然过程非常的辛苦，但是总的说来我得到了极大的收获。经历了之前的认识实习和金工实习，我对机械行业有了一定的感性的直观上的认识，而这次的课程设计则更多的给我理性上的认识，从更高的层面认识机械专业。经过课程设计,我对机械设计有了最初的一些印象。刚开始的时候，因为自己从来没有接触过机械设计，只是学习了基础的机械原理知识，所以感觉无从下手。后来在老师的耐心指导下，我在图书馆翻阅了各种资料，在网上也参考了很多这方面的资料，终于找到了下手的方法。由于这次的设计内容比较的多，所以我深深的感受到了合作的重要性。在设计中我和同组的同学经常会遇到很多问题，自己根本没有办法解决，这时我们都会在一起讨论商量对策，这使我们的设计速度快了很多，也少走了很多的弯路。因为要作图的原因，这次设计让我好好的复习了之前学过的CAD以及WORD，同时提醒了我CAD对我们机械专业的重要性。