半自动钻床说明书机械原理课程设计.docx
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半自动钻床说明书机械原理课程设计
1.设计任务……………………………………………2
2.工作原理及功能分解………………………………4
3.原动机的选择………………………………………5
3.1原动机的分类…………………………………5
3.2选择原动机时需考虑的因素…………………5
4.主运动机构选型与分析比较………………………6
4.1减速传动功能…………………………………6
4.2进刀机构功能…………………………………7
4.3送料机构功能…………………………………9
4.4定位夹紧机构功能……………………………11
5.机械系统传动方案的拟定和比较…………………13
6.主运动机构尺度综合………………………………15
6.1减速传动机构的设计计算……………………15
6.2进刀机构的设计计算…………………………16
6.3送料机构的设计计算…………………………16
6.4定位夹紧机构的设计计算……………………16
7.机械系统运动循环图………………………………17
8.设计总结……………………………………………17
9.参考资料……………………………………………18
1.设计任务
1.1设计题目：
半自动钻床
设计加工图所示工件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。
1.2初始条件
表1机构运动循环要求
凸轮轴转角
10º
20º
30º
45º
60º
75º
90º
270º
300º
360º
送料
快进
休止
快退
休止
定位夹紧
休止
快进及夹紧
休止
快退
进刀
休止
快进
工进
快退
休止
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/min
工作节拍（生产率）
件/min
A
40
30
15
1450
1
B
35
25
20
1400
2
C
30
20
10
960
1
1.3设计任务及要求
1.半自动钻床一般至少包括凸轮机构、齿轮机构和连杆机构在内的三种机构；至少设计出三种能实现该分类机运动形式要求的机构，绘制所选机构的机构示意图（绘制在说明书上），比较其优缺点，并最终选出一个自己认为最合适的机构进行机构综合设计，绘制出其机构运动简图。
2.设计传动系统并确定其传动比分配（皮带传动传动比i≈2，每级齿轮传动传动比i≤7.5）。
3.在图纸上画出半自动钻床的传动系统方案图。
4.在图纸上画凸轮机构设计图（包括位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置）；要求确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，确定凸轮廓线。
5.设计计算其中一对齿轮机构。
6.以上所要求绘制的图形均绘制在一张一号图纸上。
7.同一小组内，每人至少有一种与别人不一样的机构设计方案。
8.编写设计计算说明书一份（15page以上）。
1.4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1。
3.可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。
2.工作原理及功能分解
半自动钻床的工作原理是利用钻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、进刀三部分组成。
各个机构的运动由同一电动机驱动，运动由电动机经过减速装置后分为两路，一路随着传动系统传送动力到定位夹紧机构和进刀机构，分别带动凸轮做转动控制连杆对工件的定位和通过齿轮带动齿条和动力头做往复直线运动。
另一路直接传动到送料机构，控制的送料机构的进退。
即该系统由电动机驱动，通过变速传动将电动机的转速由1450r/min降到主轴的1r/min，与传动轴相连的凸轮机构控制送料，定位夹紧和进刀等工艺动作。
其中动力头由凸轮机构通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动，则动力头可带动钻头平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量。
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，并由定位机构使加工工件可靠固定。
三个执行构件的运动形式为：
1.进刀机构动力头做垂直的往复直线运动，下移到最低点后立刻上移。
在下移之前有一段休止时间，此段时间则用于送料和定位夹紧。
其中动力头的行程为15mm。
2.送料机构做水平的往复运动，工作行程是40mm。
初始时，送料机构迅速地将被加工工件送到指定加工位置，稍作停顿后立即返回，且其在工件的加工过程中保持休止。
3.定位夹紧机构在水平面内做近似垂直直线运动，在工件的加工过程中对工件起固定的作用。
其中夹紧装置的垂直行程为30mm。
功能分解图：
→
→→→
→
3.原动机的选择
3.1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、汽轮机和燃气机等。
B二次原动机
此类原动机是将发电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。
属于此类原动机的有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。
3.2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，在半自动钻床中应选择二次原动机中的电动机作为原动件。
4.主运动机构选型与分析比较
根据前述设计要求：
送料机构应做往复运动，并且必须保证工作行程中有快进、休止和快退过程；定位夹紧机构有休止、快进及夹紧、休止和快退过程；进刀机构有休止、快进、工进、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的完好配合，以及送料机构的往复运动和进刀机构的往复循环与各个机构的间歇运动。
4.1减速传动功能
方案一A1：
选用的装置具有传动效率高、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。
故可采用行星轮系来实现减速传动。
由于电动机的转速为1450r/min，而选用设计要求的主轴转速为1r/min。
可以考虑先利用带传动进行一级降速，同时有过载保护的作用。
再利用行星轮系进行大比例的降速。
方案A1
方案二A2：
采用定轴轮系减速传动。
由于传动比=输入转速/输出转速=1450传动比过大，且要求每级齿轮传动传动比i≤7.5，故用二级减速传动。
其中带传动起过载保护作用。
方案A2
4.2进刀机构功能
方案一B1：
采用一个直动滚子从动件盘行凸轮机构并结合滑块导杆传递齿轮齿条机构。
进刀时，凸轮在推程阶段运行，其通过机构传递带动齿轮齿条啮合，进而带动动力头完成钻孔。
导杆垂直移动的距离即为齿轮弧转动的角度，且齿轮齿条传动具有稳定性。
方案B1
方案二B2：
采用一个曲柄导杆机构来传递齿轮齿条机构。
其比方案一简单，但由于没有杠杆，所以不能传动很大的范围。
方案B2
4.3送料机构功能
方案一C1：
采用一个直动滚子从动件盘行凸轮机构来完成送料机构的往复运动。
通过凸轮机构和导杆滑块实现送料时的快进、休止和快退的动作。
由于采用了杠杆，故其能够完成送料的较大传动距离。
其中弹簧起到复位作用。
方案C1
方案二C2：
其较方案一结构简单，但由于缺少杠杆，其完成快进、休止和快退的动作，且其升程是40mm，为达到压力角要求，要求凸轮基圆半径较大，不利于远距离的运动传递，使制造成本升高，机构笨重。
方案C2
方案三C3：
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。
但其运动形式较为复杂，不便于计算。
方案C3
4.4定位夹紧机构功能
方案一D1：
采用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。
通过凸轮机构实现定位夹紧时的休止、快进及夹紧和快退的动作。
由于采用了杠杆，夹紧装置可对工件施加较大的夹紧力保证完成定位夹紧的功能。
方案D1
方案二D2：
对比的定位和夹紧机构和法案一不同，效率等也有所差别。
方案D2
方案D3：
该定位夹紧机构利用了杠杆的增力作用。
可提供足够的力来加紧工件。
机构在工件水平方向定位夹紧，选取凸轮作为原动件实现间歇定位的要求。
方案D3
5.机械系统传动方案的拟定和比较
上述各机构方案择优形成如下的机械系统运动方案组合。
机械系统传动方案
E1
E2
E3
变速机构
A2
A1
A2
进刀机构
B1
B1
B2
送料机构
C1
C3
C2
定位夹紧机构
D1
D1
D2
方案1的设计为E1={A2，B1，C1，D1}
半自动钻床的变速机构采用带传动和定轴轮系的二级减速器，相比采用行星轮系传动，该方法的选用更加经济，成本相对较低。
结构较为简单。
机构的送料机构采用直动滚子从动件盘行凸轮机构。
盘形凸轮机构把转动动力输入给导杆利用杠杆转化为杆件的往复运动。
同时设计凸轮尺寸来满足滑块的间歇运动和快进快退的变速运动。
机构的定位夹紧机构由凸轮机构结合连杆来夹紧工件，并按要求设计凸轮的外形尺寸以满足间歇运动。
机构的进刀机构由凸轮机构和圆弧齿轮与齿条啮合，并采用连杆带动。
先把回转运动动力转化为圆弧齿轮的往复摆动，将运动通过齿轮传递给齿条。
其中增加至两个齿轮的目的是为达到使传动更加平稳可靠的目的。
方案2的设计为E2={A1，B1，C1，D1}
半自动钻床的变速机构采用带传动和行星轮系的减速器，以满足设计要求传动比=输入转速/输出转速=1450的大幅度减速，且皮带传动传动比i≈2，每级齿轮传动传动比i≤7.5。
相比于定轴轮系，其结构更加紧凑。
机构的送料机构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。
机构的定位夹紧机构如同方案1。
机构的进刀机构如同方案1。
方案3的设计为E3={A2，B2，C2，D2}
半自动钻床的变速机构如同方案1。
机构的送料机构采用一个曲柄导杆机构来传递齿轮齿条机构。
虽然结构较为简单，但由于没有杠杆，所以不能传动很大的范围。
如若保证传动范围，则凸轮尺寸形状会过大。
机构的定位夹紧机构采用一对凸轮机构相向放置，凸轮推压导杆，定位零件，且凸轮轮廓满足间歇定位的要求。
但此机构对两凸轮的运动状态同时性有较高的要求，不便于实现。
机构的进刀机构采用曲柄导杆结合齿轮齿条的啮合来实现动力头的垂直往复运动。
但其并不能满足动力头的间歇运动要求。
综上所述，实际采用的半自动钻床的系统方案图如下图所示：
半自动钻床系统方案图
6.主运动机构尺度综合
6.1减速传动机构的设计计算
Z1=20，Z2=80，Z3=20，Z4=100；则齿轮传动比i14=（Z2Z4）/（Z1Z3）=20
蜗轮蜗杆传动比i=72
其中，带传动的两皮带轮半径均为100mm
综上所述，减速传动机构的传动比i=1440≈1450
设计定轴轮系传动机构的相应参数如下表：
齿轮参数
模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
2
20
20
40
齿轮2
2
20
80
160
齿轮3
2
20
20
40
齿轮4
2
20
100
200
6.2进刀机构的设计计算
进刀机构如图B1所示，快进行程20mm，工进行程15mm
各杆尺寸如下：
CD=50mm，BC=20mm，CE=50mm，EF=125mm
圆弧齿条设计如下：
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，得到r=63.69mm
两相同齿轮设计：
m=2，齿数z=25，压力角=20°
齿条设计：
m=2，z=40，压力角=20°
凸轮设计：
基圆半径rb=50mm，最大压力角αmax=29°，最小曲率半径ρmin=20mm。
其位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置见A1图纸。
6.3送料机构的设计计算
送料机构如图C1所示，根据要求，进料机构工作行程为40mm，
各杆尺寸如下：
AB=100mm，BC=50mm，CD=50mm
送料机构凸轮设计：
基圆半径rb=50mm,最大压力角αmax=23°，最小曲率半径ρmin=32mm。
其位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置见A1图纸。
6.4定位夹紧机构的设计计算
定位机构如图D1所示，定位机构行程为30mm
各杆尺寸如下：
AB=50mm，BC=100mm，CD=50mm，DG=20mm，BF=20mm
定位机构凸轮设计：
基圆半径rb=50mm，最大压力角αmax=28°，最小曲率半径ρmin=25mm。
其位移曲线、凸轮廓线和从动件的初始位置见A1图纸。
7.机械系统运动循环图
钻头的快进、工进和快退为进刀机构的一个运动循环。
在此运动循环过程中应该保证定位夹紧机构和送料机构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：
机械系统运动循环图
凸轮轴转角φ
10º
20º
30º
45º
60º
75º
90º
270º
300º
360º
送料
快进
休止
快退
休止
定位夹紧
休止
快进及夹紧
休止
快退
进刀
休止
快进
工进
快退
休止
8.设计总结
通过本次为期一周半的机械原理课程设计，在感受到了设计过程的艰辛的同时也收获了丰富的经验。
相比于在机械工程方面的感性直观认识的认识实习和金工实习，本次课程设计则主要集中于理性的分析和设计思考。
从开始的感觉无处下手，到在老师的悉心指导和组员们的帮助下，根据任务书和指导书上的要求，并结合的理论知识和查阅大量资料的顺利完成课程设计任务。
机械原理是研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。
人们一般把机构和机器合称为机械。
机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。
机器是由一个或一个以上的机构组成，用来做有用的功或完成机械能与其他形式的能量之间的转换。
其作为机械类或近机械类中重要的一门专业基础课，对于后续的专业学习有着重要的作用。
本次课程设计使我更加深入地了解了一些简单机构的元件的作用，更加深入地接触到了关于机械原理和设计等的要领和技能，这无疑为今后的深造奠定了良好的基础。
在设计内容繁多的情况中，我深深地体会到了合作的重要性。
在设计过程中我和组员们遇到过很多新鲜而棘手的问题，而没有办法独立解决。
这时作为一个团队，其发挥了重要的作用。
组员们一起讨论、规划和设计，思维的火花彼此碰撞，不仅增强了团队意识，更加深了对机械机构原理的不同角度的清晰认识。
大量的图形的绘制对每个组员提出了较高的绘图技能要求。
能够熟练地运用CAD等绘图软件无疑在设计效率上更胜一筹，同时操作CAD也成为了一种在机械专业的基本技能。
其次，本次课程设计无形中要求将理论知识融入实践设计中，并涉及到用自己所掌握的理论知识逐个解决在机械设计中遇到的各种问题。
在以后的学习工作中，应具备严谨的态度和着眼实践的思想。
同时应逐渐培养坚韧的精神，以在繁琐的机构设计过程中保持良好的心态。
通过不断地实践实习巩固已有的理论基础知识，以便在此基础上进行创造性的机械设计，得到更为高效、便捷、经济的机械系统。
9.参考资料
[1]孙桓，陈作模.机械原理[M].北京：
高等教育出版社，2001.
[2]孟宪源.现代机构手册[M].北京：
机械工业出版社，1994.
[3]彭文生，李志明，黄华梁.机械设计[M].北京：
高等教育出版社，2008.
[4]唐增宝，常建娥.机械设计课程设计[M].武汉：
华中科技大学出版社，2006.
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