1、机械原理课程设计半自动钻床1机电工程学院课 程 设 计 成 果 说 明 书题 目： 半 自 动 钻 床 学 生 姓 名 ： 吴 鹏 飞 学 号 ： 0853010525 学 院 ： 机 电 工 程 学 院 班 级 ： 机 设 005 指 导 教 师 ： 龙 东 平 2010 年 12 月 31 日机械原理课程设计半自动钻床2目 录 1.设计任 务书-32.机构工作原理-53.功能分解 图，执行机构动作-84.运动方案的选 择与比较-115.机构运动总体方案图（机构运动简图）-186.工作循环图-197.执行机构设计过程及尺寸计算-208. 凸轮机构的设计-249.设计总结 -2810.参考资料
2、-29机械原理课程设计半自动钻床3设计任务书一、设计题目及原始数据设计加工所示工件 12mm 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。二、设计要求及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。机械原理课程设计半自动钻床43. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。机构运动循环要求表10 20 30 45 60 75 90 105270 300 360送料 快
3、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；机械原理课程设计半自动钻床5一、所设计的机构工作原理一. 机构的工作原理:该系统
4、由电机驱动，通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 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：二. 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可以分为两类：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，因此称为一次原动机。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，因此称为二次原动机。属于此类原
5、动机的有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。机械原理课程设计半自动钻床6（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，调速和控制等方面的要求。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，须考虑经济成本：包括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
6、，以适应执行机构的需要。3：用原动机进行调速不经济和不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常调要求4：把原动机输出的等速回转运动转变5：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。6：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。（2）传动机构选择的原则机械原理课程设计半自动钻床71：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
7、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。机械原理课程设计半自动钻床8二功能分解图，执行机构动作一功能分解图如下图图 3-1二.绘制机械系统运动转换功能机械原理课程设计半自动钻床9图 3-2三.执行构件的选择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
8、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.进料功能机械原理课程设计半自动钻床10进料也要要求有一定的间歇运动，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通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 ,通过杠杆
9、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.四.用形态学矩阵法创建机械系统运动方案根据系统的运动转换功能图（图 3-2）可构成形态学矩阵如表（表3-3）。由表 3-3 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： 333333729功能原件（匹配机构）功能元1 2 3减速 1 带传动 齿轮传动 行星轮系减速 2 带传动 齿轮传动 凸轮机构送料推杆间歇往复移动曲柄滑块机构 凸轮机构曲柄+连杆机构定位杆间歇往复移动凸轮机构连杆机构凸轮机构+ 连杆机构机械原理课程设计
10、半自动钻床11刀具的复合运动的间歇往复移动凸轮机构+ 连杆机构齿轮摆杆机构 凸轮机构三运动方案的选择与比较方案的分析与比较：(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。机械原理课程设计半自动钻床12图 4-1（2）对比机构：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.机械原理课程设计半自动钻床13图 4-2(3) 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.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
11、，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。机械原理课程设计半自动钻床14图 4-3（4）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。图 4-4（5） 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间的距离有点大，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
12、凸轮机构。如图 4-2机械原理课程设计半自动钻床15图 4-5（6） 对比机构：比法案一简单，但是滑块滑动距离有限。图 4-6（7）定位系统（定位和夹紧）：机械原理课程设计半自动钻床16定位机构：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。如图 4-3 图 4-7夹紧机构：因为定位系统要有间歇，所以也就要使用凸轮机构，当凸轮在回程运动角阶段时，机构是处在夹紧状态;当凸轮在推程运动角阶段时，机构是处在松弛状态。机械原理课程设计半自动钻床17图 4-8（8） 对比机构:对比的定位和夹紧机构和法案一的差不多，效率等都一样。机械原理课程设计半自动钻床18
13、图 4-94-10机械原理课程设计半自动钻床19四.机构运动总体方案图（机构运动简图）根据前面表 3-3 中实线连接的方案的运动简图确定本设计中半自动钻床的总体方案图如图 5-1图 5-1机械原理课程设计半自动钻床20五工作循环图图 5-1 所示的机械系统方案的执行件需要进行运动协调设计其运动循环如图 6-1凸轮轴转角 00100 0 1000150 0 1500270 0 2700300 0 3000360 0送料 快进 快退定位 休止 快进 休止 快退进刀 休止 快进 慢进 休止 快退图 6-1机械原理课程设计半自动钻床21六执行机构设计过程及尺寸计算1送料机构机构采用如下分析送料连杆机构
14、：采用如下机构来送料，根据要求，进料机构工作行程为 40mm，各杆尺寸：（如图 6-2）AB=80 BC=20 CD=30 DA=60 DE=10 图 6-22.凸轮摆杆机构的设计：(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，且为力封闭机械原理课程设计半自动钻床22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
15、.根据进刀机构的工作循环规律,钻空深度为 18，则弧形齿条以 18 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 18,凸轮转角 =0-60,=0;凸轮转角 =60-270，刀具快进，=5，凸轮转角 =270-300；凸轮转角 =300-360，=02.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/,由 =18, l=20mm，3.得到 r=63.69mm。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
16、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 =0-100,定位机构休止,推杆行程 h=0mm;凸轮转角 =100-285,定位机构快进,推杆行程 h=25mm;凸轮转角 =285-300,定位机构休止,推杆行程 h=0mm;机械原理课程设计半自动钻床23凸轮转角 =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
17、，要用多级传动。（2）用行星轮系传动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-Z2Z1/Z3Z2由 i(1H)=1-Z2Z1/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：机械原理课程设计半自动钻床24皮带轮参数名称 皮带轮 1 皮带轮 2半径（mm） 100 100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机械原理课程设计
18、半自动钻床25七. 凸轮机构的设计一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 8-1 为定位凸轮和夹紧凸轮设计结果。基圆半径 R。=40 滚子半径 R=10 偏心距 e=25 转速 w=1 中心距 A=80 摆杆长 L=65 计算步上 5图 8-1图 8-2 和 8-3 为定位凸轮的轮廓图（8-2 内包络线图，8-3 外包络线图）机械原理课程设计半自动钻床26图 8-2图 8-3二.进刀凸轮机械原理课程设计半自动钻床27进刀凸轮类型设计结果如图 8-4，凸轮运动分段如图 8-5.基圆半径 R。=40 滚子半径 R=10 偏心距 e=25
19、转速 w=1 计算步上 5图 8-4进刀凸轮的轮廓线设计如图 8-5（内包络线）和图 8-6（外包络线）图 8-5机械原理课程设计半自动钻床28图 8-6设计总结通过本次课程设计感受到了设计过程中的艰辛。特别是对于从来没有经历过亲身设计的我来说，刚开始根本感觉无处下手。在老师的悉心指导和们的热心帮助下，机械原理课程设计半自动钻床29根据任务书和指导书上的要求，结合自己平时的理论基础和查阅大量资料才顺利完成了这次机械原理课程设计在此我要衷心感谢我的老师和我的同学。通过这次课程设计，使我对 aucCAD 的使用更加灵活，使我加深入的理解了一些简单机构组件的作用！以后的实际工作奠定了很好的基础！最重要的是通过本次课程设计让我体验了如何将理论知识转化为生产实际所需。让我更早接触机械设计有关的要领和技能，为以后的机械设计课程设计和毕业设计打好了基础。更值得一提的是为我们以后走出学校走向岗位奠定良好的基石。参考资料1.鸣歧 王保民 王振莆机械原理课程设计手册 重庆大学出版社2.孙桓 机械原理教材 高等教育出版社机械原理课程设计半自动钻床303.贵州大学机械原理课程设计任务书4.邹家祥现代机械设计理论与方法
