半自动钻床课程设计.docx
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半自动钻床课程设计
课程设计说明书
课程名称：
半自动钻床
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学号：
姓名：
指导老师：
2017年01月06日
目录：
一、课程设计要求
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加工工件图2
半自动钻床设计数据参看表3。
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/min
A
40
30
15
1450
1
B
35
25
20
1400
2
C
30
20
10
960
1
表3半自动钻床凸轮设计数据
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。
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。
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
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
快进
快退
休止
二、所设计的机构工作原理
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：
2.机构的选择原理
（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：
1）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。
2）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。
属于此类原动机的有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。
（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。
3.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，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
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。
三、功能分解图和执行机构动作
1.功能分解图如下图
图3
2.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
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、运动方案的选择与比较
1.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。
图4-1
（2）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
（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，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。
图4-3
（4）对比机构：
在摆杆上加一个平行四边行四杆机构，这样也可以来实现传动，但是当加了四杆机构以后并没有达到改善传动的效果，只是多增加了四杆机构，为了使机构结构紧凑，又能完成需要的传动，所以选择了一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。
图4-4
（5）送料系统：
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。
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。
图4-5
（6）对比机构：
所选用的对比四杆机构如下图（图4-6），由于在空间上轴与轴之间的距离较大，但选用下来此四杆的尺寸太小。
故优先选用六杆机构。
图4-6
（7）定位系统：
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，它就可以满足我们的实际要求了。
图4-7
（8）对比机构：
采用弹力急回间歇机构来代替偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它是将旋转运动转换成单侧停歇的往复运动。
这样也可以完成实际要求，但是为了使设计的机构结构紧凑，又能节省材料，所以还是选偏置直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。
图4-8
五、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
六、执行机构设计过程及尺寸计算
1．送料机构采用如下分析
送料连杆机构：
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=，急回特性不是很明显，但对送料机构来说并无影响。
各杆尺寸：
（如图6-1）
AB=BC=CD=60DA=60CE=40EF=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。
图6-1
2.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=，如图6-2
图6-2
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。
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，要用多级传动。
（2）用行星轮系传动
图6-3
Z1=35Z2=20Z2’=20Z3=35传动比iH3=700
根据行星轮传动公式：
i（H3）=1-i（31）H=1-Z2’Z1/Z3Z2
由i（1H）=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：
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
七、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={A2B3C1D2}
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={A1B1C2D1}。
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
八、工作循环图
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：
九、设计总结
通过本次为期一周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。
在设计内容繁多的情况中，我深深地体会到了能够熟练地运用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。
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。
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