半自動(dòng)鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)詳解

1、課程名稱：機(jī)械原理設(shè)計(jì)題目:半自動(dòng)鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)及其自動(dòng)化西南交通大學(xué)2015年11月20日機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)設(shè)計(jì)題目:半自動(dòng)鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)加工圖1所示工件巾12mm孔的半自動(dòng)鉆床。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)動(dòng)力頭的升降，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。圖1加工工件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求方案號(hào)進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程mm定位機(jī)構(gòu)工作行程mm動(dòng)力頭工作行程mm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速r/mm工作節(jié)拍（生產(chǎn)率）件 /minD25201514002設(shè)計(jì)任務(wù)1. 半自動(dòng)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(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)并確定其傳

2、動(dòng)比分配。3.圖紙上畫出半自動(dòng)鉆床的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。4. 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。按各凸輪機(jī)構(gòu)的工作要求，自選從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對(duì)盤狀凸輪要用電算法計(jì)算 出理論廓線、實(shí)際廓線值。畫出從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律線圖及凸輪廓線圖。5.確定電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速;6.用軟件（VB MATLAB ADAM或SOLIDWORK等均可）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)仿真，并畫出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。7.編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，說明書應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動(dòng)模型建立過 程以及效果分析等。8.在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。四、設(shè)計(jì)提示1.鉆頭由動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)，

3、設(shè)計(jì)者只需考慮動(dòng)力頭的進(jìn)刀（升降）運(yùn)動(dòng)。2.除動(dòng)力頭升降機(jī)構(gòu)外，還需要設(shè)計(jì)送料機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。表4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)工作原理5.1機(jī)構(gòu)的工作原理該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過變速傳動(dòng)將電機(jī)的 1400r/min 降到主軸的 2r/min ，與傳動(dòng)軸相連的凸輪機(jī)構(gòu)控制送料，定位，和進(jìn)刀等工藝動(dòng)作，通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)齒條上下平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，這樣動(dòng)力頭也就能帶動(dòng)

4、刀具平穩(wěn)地上下移動(dòng)從而保證了較高的加工質(zhì)量，簡(jiǎn)圖如下：六、功能分解圖，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)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(dòng)功能選用經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，可滿足具有較大傳動(dòng)比的 工作要求，我們這里就采用皮帶輪來實(shí)現(xiàn)我設(shè)計(jì)的傳動(dòng)。方案一（選用）選用的裝置具有經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1400r/min ，而選用設(shè)計(jì)要求的主軸轉(zhuǎn)速為 2r/min 。，通過變速傳動(dòng)將電機(jī)的 1400r/min 降到主軸的 2r/min ，使得實(shí)現(xiàn)每秒 2 個(gè)工作節(jié)拍。方案二用定軸輪系減速傳動(dòng)。由于傳動(dòng)比 =輸入轉(zhuǎn)速 1400/ 輸出轉(zhuǎn)速 2=700傳動(dòng)比過大，故用二

5、級(jí)減速傳動(dòng)。其中帶傳動(dòng)起過載保護(hù)作用。此機(jī)構(gòu)雖然可 以是實(shí)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?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要有間歇往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，有當(dāng)凸輪由近休到遠(yuǎn)休運(yùn)動(dòng)過程中，定位桿就阻止了工件滑動(dòng)，當(dāng)凸輪由遠(yuǎn)休到近休運(yùn)動(dòng)過程中可通過兩側(cè)的彈簧實(shí)現(xiàn)定 位機(jī)構(gòu)的回位，等待送料，凸輪的循環(huán)運(yùn)動(dòng)完成了此功能。方案一 （選用）其較方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于缺少杠桿，其完成快進(jìn)、休止和快退的動(dòng)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(yùn)動(dòng)傳 遞，使制造成本升高，機(jī)構(gòu)笨重。方案二采用一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)來完成送料機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過凸輪機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿滑塊實(shí)現(xiàn)送料時(shí)的快進(jìn)、休止和快退的

6、動(dòng)作。由于采用了杠桿，故其能夠完 成送料的較大傳動(dòng)距離。3. 定位功能方案一（選用）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于缺少杠桿，無法對(duì)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(yùn)動(dòng)傳遞， 使制造成本升高，機(jī)構(gòu)笨重。方案二通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位夾緊時(shí)的休止、快進(jìn)及夾緊和快退的動(dòng)作。由于采用了杠桿，夾緊裝置可對(duì)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(yùn)動(dòng)，推動(dòng)滾子使?jié)L子擺動(dòng)一個(gè)角度，在杠桿的另一端焊接一個(gè) 圓弧齒輪，圓弧齒輪的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)再帶動(dòng)動(dòng)力頭的升降運(yùn)動(dòng)實(shí) 現(xiàn)進(jìn)刀。方案一采用一個(gè)直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤行凸輪機(jī)構(gòu)并結(jié)合滑塊

7、導(dǎo)桿傳遞齒輪齒條機(jī)構(gòu)。進(jìn)刀時(shí)，凸輪在推程階段運(yùn)行，其通過機(jī)構(gòu)傳遞帶動(dòng)齒輪齒條嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)動(dòng) 力頭完成鉆孔。導(dǎo)桿垂直移動(dòng)的距離即為齒輪弧轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，且齒輪齒條傳動(dòng)具有穩(wěn) 定性。方案二（選用）采用一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)來傳遞齒輪齒條機(jī)構(gòu)。其比方案一簡(jiǎn)單，但由于沒有杠桿，所以不能傳動(dòng)很大的范圍。、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程及尺寸計(jì)算1送料凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)采用如下分析凸輪機(jī)構(gòu)采用直動(dòng)滾子端面柱體凸輪，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(shí)現(xiàn)進(jìn)料功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推 桿得我們所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。具體設(shè) 計(jì)如下:設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)快進(jìn) , 推桿行程 h=25mm；, 送料機(jī)構(gòu)休止 , 推桿行程 h=0mm；, 送料機(jī)構(gòu)快退 , 推桿行程 h=-25mm；, 送料機(jī)構(gòu)休止 , 推桿行程 h=0mm；=30=45=90-45-90-3602.進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1) . 由進(jìn)刀規(guī)律，我們?cè)O(shè)計(jì)了凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，又以齒輪齒條的嚙合來實(shí)現(xiàn)刀頭的上下 運(yùn)動(dòng)；(2) . 用凸輪擺桿機(jī)構(gòu)和直齒條所構(gòu)成的同一構(gòu)件，凸輪擺桿從動(dòng)件的擺動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn) 齒條的上下擺動(dòng)，從而實(shí)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(dòng)規(guī)律就與凸輪擺桿的運(yùn)動(dòng)

9、規(guī)律一致；(3) . 弧形齒條所轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)即為刀頭所運(yùn)動(dòng)的的距離。具體設(shè)計(jì)步驟如下：1.根據(jù)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)規(guī)律 , 設(shè)計(jì)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(jì)齒條齒輪 , 根據(jù)刀頭的行程和凸輪的擺角 , 設(shè)計(jì)出圓形齒輪的半徑r=60mm模數(shù)m=1齒數(shù)z=60,兩個(gè)齒條的模數(shù) m=1齒數(shù)z=25,兩個(gè)齒條與齒輪嚙合。齒輪材料：齒輪采用45號(hào)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(qiáng)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(jí)精度。(1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算因?yàn)槭擒淉X面閉式傳動(dòng)，故按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng):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(jì)時(shí)，因v值未知，K不能確定，初取Kt 1.4 ；由機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù) Z齒條乙25,齒輪Z260(2) 計(jì)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(jì)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(qiáng)度滿足要求。(3) 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核選 Kf=1.55 T1 105 N ?mmd 1.1 m=1由機(jī)械設(shè)計(jì)中式10-5計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù) Y由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-17查得齒形系數(shù)YFa12.63, YFa2 2-13由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-18查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1 1-58，Y sa2 1-65由機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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?yàn)镕1 F , F2 F 2所以齒根齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。3.定位凸輪推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì):凸輪機(jī)構(gòu)采用直動(dòng)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，實(shí)現(xiàn)定位功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得 我們所需要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。具體設(shè)計(jì)如設(shè)計(jì)基圓半徑r0=40mm凸輪轉(zhuǎn)角入=0 -10 ,定位機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm凸輪轉(zhuǎn)角入=10-30 ,定位機(jī)構(gòu)快進(jìn)，推桿行程h=20mm凸輪轉(zhuǎn)角入=30-50 ,定位機(jī)構(gòu)休止，推桿行程h=0mm凸輪轉(zhuǎn)角入=50-90 ,定位機(jī)構(gòu)快退，推桿行程h=-20mm凸輪轉(zhuǎn)角

14、入=90-360 ,定位機(jī)構(gòu)休止，推桿行程h=0mm（定位機(jī)構(gòu)與凸輪的進(jìn)退是相反的）4.皮帶輪的計(jì)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(gè)）直徑（mm直齒輪1206060錐齒輪32024725.軸的強(qiáng)度計(jì)算以及軸承的選擇1.因?yàn)檫@個(gè)主軸是以轉(zhuǎn)矩為主的傳動(dòng)軸，所以我采用按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的方對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。選擇軸的材料為 45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217255HBS由表查得許用應(yīng)力【=59MPa電動(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)，可按圓軸計(jì)算，并適當(dāng)增大軸徑。對(duì)于直徑小于 100的軸，單鍵增大57%雙鍵增大1015%對(duì)于直徑大于100的軸，單鍵 增大3%雙鍵增大7%2.滾動(dòng)軸承的優(yōu)勢(shì)摩擦阻尼?。ㄏ鄬?duì)于非液體摩擦滑動(dòng)軸承），啟動(dòng)靈活;可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，簡(jiǎn)化了支