整理半自动钻床机械原理课程设计.docx
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整理半自动钻床机械原理课程设计
半自动钻床
机械原理
学号:
020841113
姓名：
邹泽海
指导教师：
袁作彬
一、设计要求---------------------------------------------------------2
二、设计工作原理---------------------------------------------------4
三、功能分解图，执行构件动作------------------------------6
四、运动方案的选择----------------------------------------------8
五、执行机构设计过程及尺寸计算---------------------------11
六、机构运动总体方案图（机构运动简图）---------------16
七、工作循环图------------------------------------------------------18
一、设计要求
1.1设计题目
设计加工所示工件Φ12mm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。
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
半自动钻床凸轮轴设计数据
1.2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，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；
1.3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，还需要设计送料机构、定位机构。
各机构运动循环要求见下表。
3.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
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、设计工作原理
2.1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，与传动轴相连的凸轮机构控制送料，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，简图如下：
2.2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，执行机构动作
3.1功能分解图如下图
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，我们可以用复位弹簧来实现，然后通过杆件连续作用于加工原件上的力来实现建工元件的连续传递，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
1.减速机构：
定轴轮系传动；传动比=n输入/n输出=750传动比很大，要用多级传动。
如图：
2.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.。
3．送料系统：
采用凸轮机构实现送料的快进、休止、快退、休止，先由主轴转动带动凸轮将工件运至加工位置，然后由弹簧的回复力士杆件带动凸轮回到原位置，实现一个运动过程，此后，凸轮往复循环运动，实现送料的连续。
4.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。
五、执行机构设计过程及尺寸计算
1．送料凸轮机构机构采用如下分析
凸轮机构采用直动滚子端面柱体凸轮，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，实现进料功能。
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=20mm,
凸轮转角λ=0°-30°,送料机构快进,推杆行程h=40mm;
凸轮转角λ=30°-45°,送料机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=45°-90°,送料机构快退,推杆行程h=-40mm;
凸轮转角λ=90°-360°,送料机构休止,推杆行程h=0mm;
2.进刀机构的设计
《1》.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=0-55°,β=0°;
凸轮转角λ=55°-270°，刀具快进，β=18°
凸轮转角λ=270°-300°,β=0°
凸轮转角λ=300°-360°
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=15mm，
3.得到r=47.78mm，
《2》进刀连杆机构：
根据要求，进刀机构工作行程为15mm，可取BCDE四杆机构的极位夹角为10度，则由
得K=1.12，急回特性不是很明显，对进刀机构来说并无影响。
各杆尺寸：
AB=75BC=30.2CD=88DE=11.5BE=100EF=47.78
以上尺寸满足要求。
3.定位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=30
凸轮转角λ=0°-15°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=25°-30°,定位机构快进,推杆行程h=30mm;
凸轮转角λ=30°-50°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=50°-90°,定位机构快退,推杆行程h=-30mm;
凸轮转角λ=90°-360,定位机构休止，推杆行程h=0mm;
设计偏心距e=30的原因是因为此凸轮执行的是定位，其定位杆的行程为30故如此设计。
4．行星轮系的计算:
用行星轮系传动
（2）评价范围。
根据评价机构专业特长和工作能力，确定其相应的评价范围。
传动比=n输入/n输出=725传动比很大，要用多级传动。
然后由主轴输出，在经过带轮传递到凸轮轴。
选用如图所示的行星轮传动，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：
（2）区域、流域、海域的建设、开发利用规划。
环境影响篇章或说明
为了有别于传统的忽视环境价值的理论和方法，环境经济学家把环境的价值称为总经济价值（TEV），包括环境的使用价值和非使用价值两个部分。
皮带轮参数
1.规划环境影响评价的技术依据
环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体。
名称
皮带轮1
皮带轮2
（3）环境影响评价中应用环境标准的原则。
半径（mm）
50
一、环境影响评价的发展与管理体系、相关法律法规体系和技术导则的应用100
表三：
周围环境概况和工艺流程与污染流程；齿轮参数
分类具体内容应编写的环境影响评价文件
（1）报送审批综合性规划草案和专项规划中的指导性规划草案时，将环境影响篇章或者说明一并报送。
模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
2
20
145
145
齿轮2
2
20
181
181
齿轮2·
2
20
25
25
齿轮3
2
20
20
20
六、机构运动总体方案图（机构运动简图）
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。
优化方案的设计矩阵为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：
七、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：
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