機(jī)械原理課程設(shè)計之半自動鉆床

1、機(jī)械原理課程設(shè)計說明書目錄第一章設(shè)計要求第二章功能分解第三章機(jī)構(gòu)對比選用第四章機(jī)構(gòu)組合第五章傳動設(shè)計方案設(shè)計第六章運(yùn)動協(xié)調(diào)性設(shè)計第七章 機(jī)構(gòu)設(shè)計 . 第八章方案的評價參考資料 .第一章概述及其設(shè)計要求1.1 功能要求半自動鉆床機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)送料、定位、和孔的一體化功能。設(shè)計要求的機(jī)床的進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程大于等于40mm動力鉆頭工作行程大于18mm電動機(jī)轉(zhuǎn)速1450r/min ,每分鐘1件構(gòu)件加工好。半自動鉆床機(jī)由送料機(jī)構(gòu)，定位機(jī)構(gòu)，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)以及電動機(jī)組成。送料機(jī)構(gòu)將被加工工件推入加工位置并由定位機(jī)構(gòu)使被加工工件可靠固定，最終由進(jìn)刀機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)動力頭的升降來進(jìn)行鉆孔工作。選擇送料機(jī)構(gòu)時要考慮到被加工的構(gòu)件

2、的形狀，送料機(jī)構(gòu)要以直 線、間隙、定量地將要加工的構(gòu)件送入加工臺，可用來回往復(fù)移動構(gòu) 件走直線軌跡段推構(gòu)件向前進(jìn)，用定位機(jī)構(gòu)來定住構(gòu)件的要被加工的 位置，加緊之后再鉆，打好孔之后再退刀，退出時可以用送料機(jī)構(gòu)送 的構(gòu)件推出加工臺，以此來實現(xiàn)循環(huán)加工。10020030045o6007509001050270030003600送料快進(jìn)休止快退休止定位休止快進(jìn)休止快退休止進(jìn)刀休止快進(jìn)慢進(jìn)快 退休 止1.2 設(shè)計任務(wù)要求1 .半自動鉆床至少包括凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)在內(nèi)的三種機(jī)構(gòu)；2 .設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配，并在圖紙上畫出傳動系統(tǒng)圖；3 .圖紙上畫出半自動鉆床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案簡圖和運(yùn)動循環(huán)圖；4 .

3、凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算。按各凸輪機(jī)構(gòu)的工作要求，自選從動件 的運(yùn)動規(guī)律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。 對盤狀凸輪要用電算法計算出理論廓線、實際廓線值。畫出從 動件運(yùn)動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖；5 .設(shè)計計算其他機(jī)構(gòu)；6 .編寫設(shè)計計算說明書；1.3 方案提示要求設(shè)計該半自動鉆床的送料、定位、及進(jìn)刀的整體傳動系統(tǒng)。 其中：1 .鉆頭由動力頭驅(qū)動，設(shè)計者只需考慮動力頭的進(jìn)刀（升降）運(yùn) 動。2 .除動力頭升降機(jī)構(gòu)外，還需要設(shè)計送料機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)。各機(jī) 構(gòu)運(yùn)動循環(huán)要求見下表。3 .可采用凸輪軸的方法分配協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動。1.4 設(shè)計數(shù)據(jù)及工件尺寸加工工件第二章功能分解半自動鉆床的工作原理是利用轉(zhuǎn)

4、頭的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)刀切削掉工件的余料而得到工件尺寸形狀。工藝動作過程由送料定位 鉆孔三部分組成。各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動由同一電機(jī)驅(qū)動， 運(yùn)動由電動機(jī)經(jīng)過減速裝置后分為兩路，一路隨著傳動傳動皮帶傳送動力到定位機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)， 分別帶動凸輪做轉(zhuǎn)動控制四桿機(jī)構(gòu)對工件的定位和帶動凸輪四桿機(jī)構(gòu)控制推桿做往復(fù)直線運(yùn)動。另一路直接傳動到鉆頭的進(jìn)退刀機(jī)構(gòu)， 控制鉆頭的進(jìn)退。基本運(yùn)動為：推桿的往復(fù)直線運(yùn)動，定位機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動和鉆頭的 往復(fù)運(yùn)動。止匕外，還要滿足傳動性能要求：1送料 定位 進(jìn)刀機(jī)構(gòu)在凸輪軸不同轉(zhuǎn)角時候快慢行程不同。2各個機(jī)構(gòu)之間的配合相互有序，滿足凸輪軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的性能要求。第三章機(jī)構(gòu)選用根據(jù)前述設(shè)計要求，送料機(jī)

5、構(gòu)應(yīng)該做往復(fù)運(yùn)動，并且必須保證工作 行程中有快進(jìn)、休止和快退過程。定位機(jī)構(gòu)也有休止、快進(jìn)、快退過 程。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)有快進(jìn)和慢進(jìn)、快退和休止過程。此外三個機(jī)構(gòu)之間還要滿足隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角不同完成動作的過程不同且相互配合。這些運(yùn)動要求不一定完全能夠達(dá)到，但必須保證三者之間相互滿足凸輪不同 角度時候配合完好，以及送料機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動和進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的往復(fù)循環(huán) 及各個機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動。I變速機(jī)構(gòu)：方案一：A1由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是1450r/min ,而選用設(shè)計要求 的主軸轉(zhuǎn)速為1r/min。可以考慮利用行星輪進(jìn)行大比例的降速， 然后采用蝸輪變向。方案二：A2利用定軸輪系傳動；傳動比=n輸入/n輸出=1450/1=145

6、0 , 因為傳動比很大，所以要用多級傳動。II送料機(jī)構(gòu)的選型：方案一：B1直接采用凸輪滑塊機(jī)構(gòu)，并且在輪同軸的齒輪組合中加 入不完全齒輪以滿足間歇休止運(yùn)動要求。方案二：B2采用凸輪與四桿機(jī)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)既有快慢變化的運(yùn) 動又有休止的間歇運(yùn)動。方案三：B3采用一個六桿機(jī)構(gòu)來代替曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于設(shè)計的鉆床在空間上傳動軸之間的距離有點大，故一般四桿機(jī)構(gòu)很難實現(xiàn)這種遠(yuǎn)距離的運(yùn)動。再加上用四桿機(jī)構(gòu)在本設(shè)計中在尺寸上很小。 所以考慮到所設(shè)計的機(jī)構(gòu)能否穩(wěn)定的運(yùn)行因此優(yōu)先選用了如下圖的六桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn) 。出定位機(jī)構(gòu)選型方案一：C1利用四桿機(jī)構(gòu)中死點的積極作用，選取凸輪結(jié)合夾緊機(jī) 構(gòu)共同作用達(dá)到定位機(jī)構(gòu)和間歇

7、定位的要求。方案二：C2定位系統(tǒng)采用的是一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，因為定位系統(tǒng)要 有間歇，所以就要使用凸輪機(jī)構(gòu)，但如果 是平底推桿從動件，則凸輪就會失真，若增加凸輪的基圓半徑， 那么凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)就會很大，也不求實際，所以就采用一個偏 置直動滾子從動件盤型凸輪，它就可以滿足實際要求了。IV進(jìn)刀機(jī)構(gòu)方案一：D1為了達(dá)到輸出間歇運(yùn)動同時能夠做到循環(huán)往復(fù)運(yùn)動,采用凸輪機(jī)構(gòu)和扇形齒與齒條配合，中間采用連桿帶動。先 把回轉(zhuǎn)運(yùn)動動力轉(zhuǎn)化為扇形齒的往復(fù)擺動，在通過齒輪傳遞 給齒條，增加一個齒輪的目的是為了使傳動更加的平穩(wěn)可 靠。方案二：D2采用一個擺動滾子從動件盤行凸輪機(jī)構(gòu)來傳遞齒輪齒條 機(jī)構(gòu).因為我

8、們用一個擺動滾子從動件盤行凸輪機(jī)構(gòu)來傳遞齒輪 機(jī)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)刀的時候，凸輪在推程階段運(yùn)行，很容易通過機(jī)構(gòu)傳 遞帶動齒輪齒條嚙合.帶動動刀頭來完成鉆孔，擺桿轉(zhuǎn)動的幅度 也是等于齒廓轉(zhuǎn)動的幅度，兩個齒輪來傳動也具有穩(wěn)性。第四章機(jī)構(gòu)組合上述各機(jī)構(gòu)方案擇優(yōu)形成如下的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案組合機(jī)械系統(tǒng)方案E1E2E3變速機(jī)構(gòu)A2A1A1送料機(jī)構(gòu)B3B1B2定位機(jī)構(gòu)C1C2C1進(jìn)刀機(jī)構(gòu)D2D1D1方案1的設(shè)計矩陣為E1=A2 B3 C1 D2鉆床的變速裝置采用定軸齒輪變速，由于設(shè)計要求傳動比=n輸入/n輸出=1450/1=1450 ,非常大，此時再結(jié)合蝸輪蝸桿傳動可以大幅 度降速。機(jī)構(gòu)的送料裝置采用由凸輪與四桿機(jī)構(gòu)

9、的組合結(jié)構(gòu)，此組合機(jī)構(gòu)既可以滿足設(shè)計要求同時相對于其他的滿足同樣要求的機(jī)構(gòu)又具有尺寸小和運(yùn)動可靠的特點。盤形凸輪機(jī)構(gòu)把轉(zhuǎn)動動力輸入給四桿機(jī)構(gòu)中 的一個桿件從而轉(zhuǎn)化為這個桿件的往復(fù)運(yùn)動， 此機(jī)構(gòu)中的四桿機(jī)構(gòu)為 雙搖桿機(jī)構(gòu)，由此雙搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動。 同時設(shè)計凸輪尺 寸來滿足滑塊的間歇運(yùn)動和快慢交替的變速運(yùn)動。機(jī)構(gòu)的定位機(jī)構(gòu)由凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)的死點來夾住工件，并按要求設(shè)計凸輪的外形尺寸以滿足定位機(jī)構(gòu)同樣滿足間歇運(yùn)動和休止。機(jī)構(gòu)的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)由輪機(jī)構(gòu)和扇形齒與齒條配合，中間采用連桿帶 動。先把回轉(zhuǎn)運(yùn)動動力轉(zhuǎn)化為扇形齒的往復(fù)擺動，在通過齒輪傳遞給 齒條，增加兩個齒輪的目的是為了使傳動更加的平穩(wěn)

10、可靠。方案2的設(shè)計矩陣為E2=A1 B1 C2 D1。半自動鉆床的變速機(jī)構(gòu)采用行星輪可以實現(xiàn)較大幅度的速度轉(zhuǎn)變， 相比單純的采用齒輪傳動，次方法的選用更加經(jīng)濟(jì)成本相對較低， 而 且具有傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單，傳動比大的特點，可滿足具有較大傳動 比的工作要求，占據(jù)空間也較小。送料裝置如果采用凸輪滑塊機(jī)構(gòu)，雖然可以實現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動， 但是不能夠保證滑塊能夠?qū)崿F(xiàn)間歇休止并且配合好其他機(jī)構(gòu)。采用C2類型的定位裝置可以滿足設(shè)計要求，但是整個半自動鉆床 的空間尺寸有限這樣的設(shè)計務(wù)必會占用較大的空間從而使材料的使 用增多，浪費了材料。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)采用D1時候能夠滿足設(shè)計要求，但是機(jī)構(gòu)構(gòu)件之間缺乏 穩(wěn)定的傳動，對

11、制造出的工件精度很難保證質(zhì)量。更具鉆床每分鐘完成一個工件的鉆孔的設(shè)計要求， 并且選用能夠提 供間歇運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，以及結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造方便、低成本等性能指標(biāo)，選取設(shè)計方案 E1/。實際采用的半自動鉆床運(yùn)動方案如下圖所示：1電動機(jī)2定軸齒輪3蝸輪4凸輪5連桿6工件毛坯7滑塊8鉆頭9齒輪10扇形齒輪11彈簧12連桿13夾具14連桿15凸輪16皮帶半自動鉆床運(yùn)動簡圖第五章傳動設(shè)計方案設(shè)計傳動比分配 根據(jù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和工件生產(chǎn)的速度，確定系統(tǒng)總的傳動比為i=n 輸入/n 輸出=1450/1=1450對于定軸齒輪轉(zhuǎn)動部分，由齒輪傳動的強(qiáng)度確定齒輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4.3齒輪齒數(shù)：設(shè)定Z1=20,因為

12、齒輪1直接與電動機(jī)連接，所以n1 = 1450令 i12=n1/n2=Z2/Z1=4 所以 n2=362.5 z2=80令 Z2 '=20, n 2'=n2=362.5 360i2'3=5=n2 '/n3=Z3/Z2 ' 所以 n3=72, Z3=100最后確定蝸桿齒數(shù)蝸桿轉(zhuǎn)速53=72,所以i=72/1=72所以n蝸桿=1, Z蝸桿=72齒輪參數(shù)模數(shù)（mm壓力角（° ）齒數(shù)（個）直徑（mrm齒輪14202080齒輪242080320齒輪2'4202080齒輪342072288第六章運(yùn)動協(xié)調(diào)性設(shè)計鉆床進(jìn)刀鉆孔和退刀為一個運(yùn)動循環(huán)。應(yīng)該保

13、證鉆床在鉆孔運(yùn)動 循環(huán)中，定位裝置和送料裝置和鉆頭在時間和凸輪轉(zhuǎn)動角度上相互協(xié) 調(diào)。根據(jù)半自動鉆床各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動要求， 繪制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動循 環(huán)圖如下：1凸輪擺桿進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計：(1) .由進(jìn)刀規(guī)律，我們設(shè)計了凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，又以齒輪齒條的嚙合來實現(xiàn)刀頭的上下運(yùn)動；(2) .用凸輪擺桿機(jī)構(gòu)和圓弧形齒條所構(gòu)成的同一構(gòu)件，凸輪擺桿從動件的擺動就可以實現(xiàn)弧形齒條的來回擺動，從而實現(xiàn)要求；采用滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸.刀具的運(yùn)動規(guī)律就與凸輪擺桿的運(yùn)動規(guī)律一致;(3) .弧形齒條所轉(zhuǎn)過的弧長即為刀頭所運(yùn)動的的距離。具體設(shè)計步驟如下：1 .根據(jù)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)規(guī)

14、律，設(shè)計凸輪基圓半徑r0=40mm中 心距A=80mm擺桿長度d=65mm最大擺角B為18° ,凸輪轉(zhuǎn)角入=0-60 ° ,(3=0° ；凸輪轉(zhuǎn)角入=60° -270° ,刀具快進(jìn)，(3=5° ,凸輪轉(zhuǎn)角入=270 -300 ;凸輪轉(zhuǎn)角入=300° -360 , 8=0°2 .設(shè)計圓形齒條，根據(jù)刀頭的行程和凸輪的擺角，設(shè)計出圓形齒輪 的半徑 r=l/ (3 ,由 B =18° , l=20mm ,3 .得至U r=63.69mm,如圖 7-2圖7-22凸輪推桿滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計：凸輪設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)采用直動滾子盤

15、行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸，實現(xiàn)定位功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計 出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得我們所需要的運(yùn)動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè)計如下 ：設(shè)計基圓半徑r0=40mm偏心距e=25凸輪轉(zhuǎn)角入=0° -100 ° ,定位機(jī)構(gòu)休止，推桿行程h=0mm;凸輪轉(zhuǎn)角入=100° -285 ° ,定位機(jī)構(gòu)快進(jìn)，推桿行程h=25mm;凸輪轉(zhuǎn)角入=285° -300 ° ,定位機(jī)構(gòu)休止，推桿行程h=0mm;凸輪轉(zhuǎn)角入=300 -360 ,定位機(jī)構(gòu)快退，推桿行程h=-25mm;設(shè)計偏心距e

16、=25的原因是因為此凸輪執(zhí)行的是定位，其定位桿的 行程為25故如此設(shè)計。 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計：采用如下機(jī)構(gòu)來送料，根據(jù)要求，進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程為40mm可取ABCD4干機(jī)構(gòu)的極位夾角為12度，則由180 (K -1)9 =K 1得K=1.14,急回特性不是很明顯，但對送料機(jī)構(gòu)來說并無影響。根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的急回特性計算得各桿尺寸：AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8該尺寸可以滿足設(shè)計要求，即滑塊的左右運(yùn)動為40, ABCD勺極位夾 角為12度。第八章方案評價1運(yùn)動鏈的選擇選擇帶傳動代替原來的齒輪傳動不僅能夠滿足動力傳動的要求，同樣可以節(jié)省機(jī)構(gòu)占用空間，簡化機(jī)械的構(gòu)

17、造，降低制造的費用，減輕 機(jī)構(gòu)的重量，有利于降低成本提高機(jī)械效率?？梢詼p少各個零件制造 誤差而形成的運(yùn)動鏈的運(yùn)動累計誤差，從而提高零件加工的工藝性和 工作可靠性，提高傳動精度。因此，在選型的時候有時寧可采用具有 較小設(shè)計誤差但結(jié)構(gòu)簡單的近似機(jī)構(gòu)，而不是采用理論上沒有誤差但 結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。止匕外，為了減少構(gòu)件的數(shù)目還有利于提高系統(tǒng)的剛 性。因此此方案中采取了機(jī)構(gòu)簡單實際工作軌跡近似的裝置代替了理 論上完全達(dá)到要求而實際設(shè)計制造很不方便的機(jī)構(gòu)。2傳動比的分配運(yùn)動鏈的傳動比的分配是否合理將直接影響機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。采用渦輪蝸桿結(jié)合定軸齒輪結(jié)構(gòu)代替星系結(jié)構(gòu)不僅可以滿足大幅度 減速的要求，同樣可以減少空間的浪費和材料的使用，節(jié)約成本。在 安排傳動比分配的時候運(yùn)動鏈逐級減速， 可以使得各級中間軸有較高 的轉(zhuǎn)速及較小的轉(zhuǎn)矩，從而可以使軸及軸上零件有較小的尺寸， 是機(jī) 構(gòu)較為緊湊。3動力源的選擇1:對于小功率傳動，應(yīng)在考慮滿足性能的需要下，選用結(jié)構(gòu)簡 單的傳動裝置，盡可能降低初始費用。2:對大功率傳動，應(yīng)優(yōu)先考慮傳動的效率，節(jié)約能源，降低運(yùn) 轉(zhuǎn)費用和維修費用。3：當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求變速