半自动钻床结构

1《半自动钻床结构设计》课程设计说明书专业班级：姓名：学号：指导教师：设计时间:物理与电气工程学院年月日2目录一、摘要...........................................................3二、设计任务及要求.................................................31)设计题目及原始数据...........................................32)设计方案提示.................................................43）设计要求....................................................5三、设计原理.......................................................5四、机构选择及其原理...............................................6五、机构运动方案比较...............................................7六、执行机构设计过程及尺寸计算.....................................13七、系统机构运动总体方案图..........................................18八、总结............................................................18九、参考文献........................................................183一、摘要1)摘要随着科学技术、工业水平的不断发展和人们的生活条件的不断改善，消费者的价值观念也随之变化很快，市场需求出现多样化的特征，机械产品种类日益增多。例如，各种金属切削机床、仪器仪表、重型机械、轻工机械、纺织机械、石油化工机械、交通运输机械、海洋作业机械、钢铁成套设备、办公设备、家用电器以及儿童玩具等等。同时，这些机械产品的寿命周期也缩短。企业为了赢得市场，必须不断开发符合市场需求的产品。新产品的设计与制造，其中设计是产品开发的第一步，是决定产品的性能、质量水平、市场竞争力的最主要因素。机械产品的设计是对产品的功能、工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计等进行分析计算，并将其转化为具体的描述以作为制造的工作过程。其中机械产品的工作原理、系统运动方案、机构的运动与动力设计、机构的结构尺寸、力和能量的传递方式等内容都作为机械原理课程学习内容。机械原理课程设计是机械原理课程的一个重要实践性教学环节，在培养学生的机械综合设计能力及创新意识与能力方面起着重要作用。本次课程设计设计的是半自动钻床结构设计，该机构中包括齿轮机构，平面连杆机构和凸轮机构等。半自动能实现送料，定位和钻孔的一体化功能，分别由送料机构，定位机构和进刀机构以及电动机组成。2)关键词：齿轮机构、凸轮机构、平面连杆机构、送料、定位、进刀二、设计要求及任务1)设计题目及原始数据半自动能实现送料，定位和钻孔的一体化功能。设计加工如图所示工件的半自动钻床。送料机构将加工工件推入加工位置并由定位机构使加工工件可靠固定，最终由进刀机构负责动刀头的升降进行钻孔工作。4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/minB352520140022)设计方案提示1.钻头需由动力头直接驱动，只需考虑动力头的升降运动。2.需要考虑送料机构，定位机构和进刀机构间的循环。各机构运动循环见下表：3.可采用凸轮轴的方法分配协调各机构的运动。凸轮轴转角10º20º30º45º60º75º90º105º-270º300º360º送料休止定位休止休止进刀快进慢进快退休止休止休止快进快进休止快进快退53)设计要求1.半自动钻床机构至少包括齿轮机构，凸轮机构和平面连杆机构在内的三种机构。2.设计传动系统并确定传动比分配。3.凸轮机构的计算以及按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，校核最大压力角和最小曲率半径。4.设计计算其他机构。三、设计原理半自动钻床的工作原理是利用钻头的旋转和进刀切削掉工件的余料而得到工件尺寸。工艺动作由送料、定位、钻孔三部分组成。各机构由同一电机驱动，运动由电动机经减速装置分成两路，一路随着传动系统传送动力到送料机构和定位机构，分别带着凸轮做转动控制四杆机构对工件的定位和带动凸轮四杆机构控制推杆做往复直线运动。另一路直接传送动力到钻头，控制钻头的进退，即该系统由电动机驱动，通过变速传动将电动机的转速降到主轴上的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，最后由凸轮推动四杆机构，通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动，这样动力头也能带动刀具平稳地上下移动从而保证较高的加工质量。送料机构功能定位机构功能送料、夹紧定位、进刀要协调工作（依靠凸轮机构）进刀退刀机构功能变速齿轮机构原动机输出量6四、机构的选择及其原理根据前述设计要求，送料机构应该做往复运动，并且必须保证工作行程中有快进、休止和快退过程，定位机构也有休止、快进和快退过程，进刀机构有快进、慢进、快退和休止过程。此外三个机构之间还要满足随着凸轮轴转角不同完成动作的过程不同且相互配合。这些运动要求不一定完全能够达到，但必须保证三者之间相互满足凸轮不同角度时候配合完好，以及送料机构的往复运动和进刀机构的往复循环及各个机构的间歇运动。1.减速机构在满足设计要求的情况下，应该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，故这里就采用行星轮系来实现传动。2.送料机构进料只需把料送到，无需间歇，加上为了方便进行运动分析，因此采用了六杆机构（正置曲柄摇杆机构）。3.定位机构由于我们设计的机构要有间歇往复的运动，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，定位杆就阻止了工件滑动，当凸轮由近休到远休运动过程中，等待送料，凸轮循环运动完成每加工一工件实现定位一次。4.夹紧功能在工件送到后，须得夹紧，然后才能加工，为了实现这一功能，我们采用盘型凸轮滚子推杆机构，推杆顶端加一v型槽，从近休到远休，实现夹紧，远休到近休，由弹簧实现复位。5.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扇齿，扇齿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，从而7实现进刀功能。五、机构运动方案的比较方案的分析与比较A.减速机构：行星轮系；由于电动机转速是1400r/min，而设计要求主轴转速为2r/min，利用行星轮进行大比例的降速，然后利用圆锥齿轮实现方向的转换。如图1图1a)减速对比机构：定轴轮系；传动比=n(输入)/n(输出)=700，传动比很大，要用多级传动。如图28图2总结：由于电动机的转速是1400r/min，而设计要求的主轴转速为2r/min，定轴轮系所用的齿轮半径大，齿数多，齿轮体积庞大，传动效率低，安装不便，且不经济，所以宜采用体积小，结构紧凑，传动比大，效率高，比较经济的行星轮系。B.送料机构：六杆机构；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间距离有点大，故一般四杆机构很难实现这种远距离的运动。再加上四杆机构在本设计中的尺寸很小。所以考虑到所设计的机构能够稳定的运行，因此优先选用六杆机构。由于本设计中送料机构不需要有间歇，所以不需要凸轮机构。如图39图3b)送料机构对比机构：曲柄滑块；如图1-4图410总结：由于我们设计的送料方案中，送料时间与回程时间相等，不用考虑快进慢回、间歇，且由于设计的钻床在空间上传动轴之间的距离大，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轴线尺寸上很小。所以考虑到所设计的机构能否稳定地运行，因此优先选用了如3所示的六杆机构。说明：曲柄逆时针转动，机构送料，送到后，曲柄继续转，滑块退出，以此循环。C.定位机构:凸轮机构；定位机构采用的是一个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。相对于对比机构节省材料，较为方便。如图5图5c)定位机构对比机构：弹力急回间歇机构；如图611图6总结：弹力急回间歇机构来代替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，所以还是选直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。说明：远休到近休，先有一段空行程，然后由弹簧夹紧，并保持设计所需要的定位时间，然后近休到远休，定位杆退出，以此循环。D.夹紧机构：凸轮机构；如图7图7d)夹紧机构对比机构：不完全齿轮+齿条机构；如图812图8总结：一开始我们采用不完全齿轮+齿条机构，这虽然能满足设计要求，但是与凸轮机构相比，有一些缺点，首先，凸轮好加工，价格便宜，能较好地满足系统的要求，而齿轮齿条则难加工，并且性能不如凸轮好，所以我们最终采用凸轮机构。说明：凸轮近休到远休，实现夹紧，并保持夹紧时间，然后凸轮回程，由弹簧完成复位，以此循环。E.进刀机构：凸轮+齿扇机构；采用的是一个摆动滚子从动盘形凸轮来传递齿轮齿条机构，当进刀阶段时，凸轮在推程阶段，很容易通过机构传递带动齿轮齿条啮合，带动刀头来完成钻孔，摆杆转动的幅度也等于齿廓转动的幅度两个齿轮来传动也具有稳定性。如图9图913e)进刀机构对比机构：凸轮+齿条机构；如图10图10总结：凸轮+齿条机构虽然能满足设计要求，但是与组合机构相比，存在不耐用的缺点，为了延长使用寿命，我们小组采用组合机构。说明：凸轮近休到远休，实现空行程和加工，远休到近休，由弹簧实现。六、执行机构设计过程及尺寸计算1、送料机构机构采用如下分析此为正置曲柄摇杆机构，即为夹角为0，即行程速比系数为1，无急回运动，画图如下：14此为正置曲柄摇杆机构，极位夹角为0，即行程速比系数为1，无急回运动，画图如下：A点位置由功能轴和工作台的距离决定，取A点位坐标原点，我们假设曲柄AB为7，以AB为原点画半径为7的圆，又根据设计要求将此曲柄摇杆设计为正置曲柄摇杆，故在水平两位置B1（左圆圆心）和B2（右圆圆心）取两个极限位置，并假设连杆BC为30，以B1为圆心画半径30的圆，以B2为圆心画半径为30的圆，两园与水平线交予C1和C2两点（图中2个圆与绿线交点），做C1C2的中垂线，则D点在C1C2的中垂线上。由公式H=L1×DE÷DC,由此可得，DE与DC的比列为2.5，取DC为40mm，则DE的尺寸定下来，为100mm，D点的坐标也定下来，得AD为49.51mm；最后数据为AB=7mm;BC=30mm;DE=100mm;EF=60mm;（为适应程序，须大一些）；AD=49.51mm。计算过程：θ=180°×(K−1)÷(K+1)其中θ为极位夹角，K为行程速度变化系15H=2×L1×DE÷DC;H=35mmL1取7mm，DE÷DC=2.5，DC取40mm，DE=100mm;又L1×L1+L0×L0=L2×L2+L3×L3其中L1：曲柄长度L2：连杆长度L3：摇杆长度（DC段）L0：机架长度取L2=30mm;L3=40mm;算得L0=49.51mm，考虑到实际加工，取机架长度L0为50mm。2、定位凸轮数据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，就可以使推杆实现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=70mm,偏心距e=0,滚子半径r=15mm凸轮转角λ=0~100°°,定位机构休止,推杆行程h=0;凸轮转角λ=100~174°,定位机构快进,推杆行程h=30mm;凸轮