半自動鉆床工作機構(gòu)設(shè)計詳解

1、課程名稱：機械原理設(shè)計題目:半自動鉆床工作機構(gòu)設(shè)計機械系 機械設(shè)計制造技術(shù)及其自動化西南交通大學(xué)2015年11月20日機械原理設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名班級學(xué)號設(shè)計題目:半自動鉆床工作機構(gòu)設(shè)計一、設(shè)計題目簡介設(shè)計加工圖1所示工件巾12mm孔的半自動鉆床。進(jìn)刀機構(gòu)負(fù)責(zé)動力頭的升降，送料機構(gòu)將被加工工件推入加工位置，并由定位機構(gòu)使被加工工件可靠固 定。圖1加工工件設(shè)計數(shù)據(jù)與要求方案號進(jìn)料機構(gòu)工作行程mm定位機構(gòu)工作行程mm動力頭工作行程mm電動機轉(zhuǎn) 速r/mm工作節(jié)拍（生產(chǎn)率）件 /minD25201514002設(shè)計任務(wù)1. 半自動鉆床至少包括凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)在內(nèi)的三種機構(gòu)。2. 設(shè)計傳動系統(tǒng)并確定其傳

2、動比分配。3.圖紙上畫出半自動鉆床的機構(gòu)簡圖和運動循環(huán)圖。4. 凸輪機構(gòu)的設(shè)計計算。按各凸輪機構(gòu)的工作要求，自選從動件的運動規(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。畫出從動件運動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖。5.確定電動機的功率與轉(zhuǎn)速;6.用軟件（VB MATLAB ADAM或SOLIDWORK等均可）對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行運 動仿真，并畫出輸出機構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。7.編寫設(shè)計計算說明書，說明書應(yīng)包括設(shè)計思路、計算及運動模型建立過 程以及效果分析等。8.在實驗室應(yīng)用機構(gòu)綜合實驗裝置驗證設(shè)計方案的可行性。四、設(shè)計提示1.鉆頭由動力頭驅(qū)動，

3、設(shè)計者只需考慮動力頭的進(jìn)刀（升降）運動。2.除動力頭升降機構(gòu)外，還需要設(shè)計送料機構(gòu)、定位機構(gòu)。各機構(gòu)運動循 環(huán)要求見表4。3. 可采用凸輪軸的方法分配協(xié)調(diào)各機構(gòu)運動。表4機構(gòu)運動循環(huán)要求凸輪軸轉(zhuǎn)角10o20030o45o60o75o90o105o 270o300o360o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)快進(jìn)快退休止指導(dǎo)教師完成日期：年月日五、設(shè)計工作原理5.1機構(gòu)的工作原理該系統(tǒng)由電機驅(qū)動，通過變速傳動將電機的 1400r/min 降到主軸的 2r/min ，與傳動軸相連的凸輪機構(gòu)控制送料，定位，和進(jìn)刀等工藝動作，通過齒輪傳動帶動齒條上下平穩(wěn)地運動，這樣動力頭也就能帶動

4、刀具平穩(wěn)地上下移動從而保證了較高的加工質(zhì)量，簡圖如下：六、功能分解圖，執(zhí)行機構(gòu)動作6.1功能分解圖如下圖6.2執(zhí)行構(gòu)件的選擇1. 減速傳動功能選用經(jīng)濟(jì)成本相對較低，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，我們這里就采用皮帶輪來實現(xiàn)我設(shè)計的傳動。方案一（選用）選用的裝置具有經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單的特點，由于電動機的轉(zhuǎn)速為1400r/min ，而選用設(shè)計要求的主軸轉(zhuǎn)速為 2r/min 。，通過變速傳動將電機的 1400r/min 降到主軸的 2r/min ，使得實現(xiàn)每秒 2 個工作節(jié)拍。方案二用定軸輪系減速傳動。由于傳動比 =輸入轉(zhuǎn)速 1400/ 輸出轉(zhuǎn)速 2=700傳動比過大，故用二

5、級減速傳動。其中帶傳動起過載保護(hù)作用。此機構(gòu)雖然可 以是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的緩慢下降，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。2. 送料功能由于我們設(shè)計的機構(gòu)要有間歇往復(fù)的運動，有當(dāng)凸輪由近休到遠(yuǎn)休運動過程中，定位桿就阻止了工件滑動，當(dāng)凸輪由遠(yuǎn)休到近休運動過程中可通過兩側(cè)的彈簧實現(xiàn)定 位機構(gòu)的回位，等待送料，凸輪的循環(huán)運動完成了此功能。方案一 （選用）其較方案一結(jié)構(gòu)簡單，但由于缺少杠桿，其完成快進(jìn)、休止和快退的動作， 如果行程較大，為達(dá)到壓力角要求，要求凸輪基圓半徑較大，不利于遠(yuǎn)距離的運動傳 遞，使制造成本升高，機構(gòu)笨重。方案二采用一個凸輪機構(gòu)來完成送料機構(gòu)的往復(fù)運動。通過凸輪機構(gòu)和導(dǎo)桿滑塊實現(xiàn)送料時的快進(jìn)、休止和快退的

6、動作。由于采用了杠桿，故其能夠完 成送料的較大傳動距離。3. 定位功能方案一（選用）結(jié)構(gòu)簡單，但由于缺少杠桿，無法對工件施加較大的力。而且如果行程較大，為達(dá)到壓力角要求，要求凸輪基圓半徑較大，不利于遠(yuǎn)距離的運動傳遞， 使制造成本升高，機構(gòu)笨重。方案二通過凸輪機構(gòu)實現(xiàn)定位夾緊時的休止、快進(jìn)及夾緊和快退的動作。由于采用了杠桿，夾緊裝置可對工件施加較大的夾緊力保證完成定位夾緊的功能。4. 進(jìn)刀功能采用凸輪的循環(huán)運動，推動滾子使?jié)L子擺動一個角度，在杠桿的另一端焊接一個 圓弧齒輪，圓弧齒輪的擺動實現(xiàn)齒輪的轉(zhuǎn)動，齒輪的轉(zhuǎn)動再帶動動力頭的升降運動實 現(xiàn)進(jìn)刀。方案一采用一個直動滾子從動件盤行凸輪機構(gòu)并結(jié)合滑塊

7、導(dǎo)桿傳遞齒輪齒條機構(gòu)。進(jìn)刀時，凸輪在推程階段運行，其通過機構(gòu)傳遞帶動齒輪齒條嚙合，進(jìn)而帶動動 力頭完成鉆孔。導(dǎo)桿垂直移動的距離即為齒輪弧轉(zhuǎn)動的角度，且齒輪齒條傳動具有穩(wěn) 定性。方案二（選用）采用一個凸輪機構(gòu)來傳遞齒輪齒條機構(gòu)。其比方案一簡單，但由于沒有杠桿，所以不能傳動很大的范圍。、 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計過程及尺寸計算1送料凸輪機構(gòu)機構(gòu)采用如下分析凸輪機構(gòu)采用直動滾子端面柱體凸輪，且為力封閉凸輪機構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸，實現(xiàn)進(jìn)料功能。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動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè) 計如下:設(shè)計基圓半徑 r0=40mm

8、,凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入=0-30 ,送料機構(gòu)快進(jìn) , 推桿行程 h=25mm；, 送料機構(gòu)休止 , 推桿行程 h=0mm；, 送料機構(gòu)快退 , 推桿行程 h=-25mm；, 送料機構(gòu)休止 , 推桿行程 h=0mm；=30=45=90-45-90-3602.進(jìn)刀機構(gòu)的設(shè)計(1) . 由進(jìn)刀規(guī)律，我們設(shè)計了凸輪擺桿機構(gòu)，又以齒輪齒條的嚙合來實現(xiàn)刀頭的上下 運動；(2) . 用凸輪擺桿機構(gòu)和直齒條所構(gòu)成的同一構(gòu)件，凸輪擺桿從動件的擺動就可以實現(xiàn) 齒條的上下擺動，從而實現(xiàn)要求；采用滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸 .刀具的運動規(guī)律就與凸輪擺桿的運動

9、規(guī)律一致；(3) . 弧形齒條所轉(zhuǎn)過的弧長即為刀頭所運動的的距離。具體設(shè)計步驟如下：1.根據(jù)進(jìn)刀機構(gòu)的工作循環(huán)規(guī)律 , 設(shè)計凸輪：基圓半徑 r 0=40mm；凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入凸輪轉(zhuǎn)角入=0-60, 刀具休止，推桿行程 h=0mm；=60-270 ，刀具快進(jìn)，推桿行程 h=15mm； =270-300 , 刀具快退，推桿行程 h=-15mm； =300 -360 刀具休止，推桿行程 h=0mm2.設(shè)計齒條齒輪 , 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=60mm模數(shù)m=1齒數(shù)z=60,兩個齒條的模數(shù) m=1齒數(shù)z=25,兩個齒條與齒輪嚙合。齒輪材料：齒輪采用45號鋼

10、，軟齒面，齒輪調(diào)制處理。齒面硬度：為217-255HBW平均硬度為236HBW/ 齒輪強度極限為650MPa齒輪的屈服極限為360MPa 齒輪齒面平均硬度差為46HBW/在30-50HBW范圍內(nèi)。齒條正火處理，齒面硬度為162-217HBVy平均硬度為190HBW 按GB/T10095 1998，均選擇8級精度。(1) 齒面接觸疲勞強度計算因為是軟齒面閉式傳動，故按齒面接觸疲勞強度設(shè)計齒輪傳動:960齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T 95血1 10=N?mm齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：n設(shè)計時，因v值未知，K不能確定，初取Kt 1.4 ；由機械設(shè)計中表10-7取齒寬系數(shù)d 1.1 ；表10-5查得彈性系數(shù)ZeSg.SJM

11、Pa ；圖10-20選取區(qū)域系數(shù)Zh 2.5；式10-9計算接觸疲勞強度用重合度系數(shù) Z齒條乙25,齒輪Z260(2) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力H由圖10-25d得接觸疲勞極限應(yīng)力 Hlim1=600MPa 2=550“Pa ;式10-15計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù):圖10-23查取接觸疲勞壽命系數(shù)Khn1 0.9, Khn2 0.95取安全系數(shù)S=1,L H1K HN 1 H lim1 0.9600S1540M Pa,取 H H 2 522MPa ；初算齒輪的分度圓直徑d1，得3J2KtT1 u 1 (ZhZeZ、2叮I521.160 251(2 1.4 1 10 60#25 1 2.5s9*8 0.85

12、 =59.86mm60mm V 1.160 25522所以齒面接觸疲勞強度滿足要求。(3) 齒根彎曲疲勞強度校核選 Kf=1.55 T1 105 N ?mmd 1.1 m=1由機械設(shè)計中式10-5計算彎曲疲勞強度用重合度系數(shù) Y由機械設(shè)計中圖10-17查得齒形系數(shù)YFa12.63, YFa2 2-13由機械設(shè)計中圖10-18查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1 1-58，Y sa2 1-65由機械設(shè)計中圖10-24C查得彎曲疲勞極限,齒輪 Flim 1220 MPa齒條 Flim 2170 MPa1, Kfn2 1由機械設(shè)計中圖10-22查得得彎曲疲勞壽命系數(shù):.Kfn1取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.25 (

13、1%失效概率)因為F1 F , F2 F 2所以齒根齒根彎曲疲勞強度滿足要求。3.定位凸輪推桿機構(gòu)的設(shè)計:凸輪機構(gòu)采用直動滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機構(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 我們所需要的運動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè)計如設(shè)計基圓半徑r0=40mm凸輪轉(zhuǎn)角入=0 -10 ,定位機構(gòu)休止,推桿行程h=0mm凸輪轉(zhuǎn)角入=10-30 ,定位機構(gòu)快進(jìn)，推桿行程h=20mm凸輪轉(zhuǎn)角入=30-50 ,定位機構(gòu)休止，推桿行程h=0mm凸輪轉(zhuǎn)角入=50-90 ,定位機構(gòu)快退，推桿行程h=-20mm凸輪轉(zhuǎn)角

14、入=90-360 ,定位機構(gòu)休止，推桿行程h=0mm（定位機構(gòu)與凸輪的進(jìn)退是相反的）4.皮帶輪的計算：皮帶輪參數(shù)名稱皮帶輪1皮帶輪2皮帶輪3半徑（mm101050半徑（mm25028050齒輪參數(shù)模數(shù)（mm壓力角（）齒數(shù)（個）直徑（mm直齒輪1206060錐齒輪32024725.軸的強度計算以及軸承的選擇1.因為這個主軸是以轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸，所以我采用按扭轉(zhuǎn)強度計算的方對軸的強度進(jìn)行計算。選擇軸的材料為 45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217255HBS由表查得許用應(yīng)力【=59MPa電動機數(shù)據(jù) Y80S-4額定功率 P=1.1KW 滿載 n=1400r/minT 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N?mm）WT 軸的抗扭截面系數(shù)（mm3）由于我采用的是實心軸Wt d 3 /160.2d3P 軸傳遞的功率（kW）;n 軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；T許用切應(yīng)力（MPa） d=8.6*1.03=19mm d 取 20mm當(dāng)截面上有鍵槽時，可按圓軸計算，并適當(dāng)增大軸徑。對于直徑小于 100的軸，單鍵增大57%雙鍵增大1015%對于直徑大于100的軸，單鍵 增大3%雙鍵增大7%2.滾動軸承的優(yōu)勢摩擦阻尼?。ㄏ鄬τ诜且后w摩擦滑動軸承），啟動靈活;可同時承受徑向和軸向載荷，簡化了支