半自动钻床优秀课程设计.doc

课程设计说明书

课程名称： 半自动钻床

专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级：
学 号：
姓 名：
指导老师：

01月06日

目录：

一、课程设计要求 2
二、所设计机构工作原理 4
三、功效分解图和实施机构动作 6
五、机构运动总体方案图（机构运动简图） 11
六、实施机构设计过程及尺寸计算 12
七、机构组合 15
八、工作循环图 16
九、设计总结 17

一、课程设计要求
1.设计题目
设计加工图1所表示工件ф12mm孔半自动钻床。进刀机构负责动力头升降，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。

图1 加工工件 图2
半自动钻床设计数据参看表3。
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/min
A
40
30
15
1450
1
B
35
25
20
1400
2
C
30
20
10
960
1

表3 半自动钻床凸轮设计数据
2.设计任务
1）半自动钻床最少包含凸轮机构、齿轮机构在内三种机构。
2）设计传动系统并确定其传动比分配。
3） 图纸上画出半自动钻床机构运动方案简图和运动循环图。
4）凸轮机构设计计算。按各凸轮机构工作要求，自选从动件运动规律，确定基圆半径，校核最大压力角和最小曲率半径。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）设计计算其它机构。
6）编写设计计算说明书。
7）学生可深入完成：凸轮数控加工，半自动钻床计算机演示验证等。
3.设计提醒
1）钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头进刀（升降）运动。
2）除动力头升降机构外，还需设计送料机构、定位机构。各机构运动循环要求见表4。
3）可采取凸轮轴方法分配协调各机构运动。
表4 机构运动循环要求
凸轮轴
转角
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、所设计机构工作原理
1.机构工作原理
该系统由电机驱动，经过变速传动将电机1450r/min降到主轴2r/min，和传动轴相连各机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，最终由凸轮机 经过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这么动力头也就能带动刀具平稳地上下移动从而确保了较高加工质量，具体选择原理和工作原理以下：
2.机构选择原理
（1）原动机分类：
原动机种类按其输入能量不一样能够分为两类：
1）一次原动机
这类原动机是把自然界能源直接转变为机械能，所以称为一次原动机。属于这类原动机有柴油机，汽油机，汽轮机和燃汽机等。
2）二次原动机
这类原动机是将发电机等能机所产生多种形态能量转变为机械能，所以称为二次原动机。属于这类原动机有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。
（2）选择原动机时需考虑原因：
1）考虑现场能源供给情况。
2）考虑原动机机械特征和工作制度和工作相匹配。
3）考虑工作机对原动机提出开启，过载，运转平稳，调速和控制等方面要求。
4）考虑工作环境影响。
5）考虑工作可靠，操作简易，维修方便。
6）为了提升机械系统经济效益，须考虑经济成本：包含初始成本和运转维护成本。
总而言之，在半自动钻床中最益选择二次原动机中电动机作为原动件。
3.传动机构选择和工作原理
（1）传动机构作用
1)把原动机输出转矩变换为实施机构所需转矩或力。
2)把原动机输出速度降低或提升，以适应实施机构需要。
3)用原动机进行调速不经济和不可能时，采取变速传动来满足实施机构常常调要求
4）把原动机输出等速回转运动转变
5）实现由一个或多个动力机驱动或若干个速度相同或不一样实施机构。
6）因为受机体外形，尺寸限制，或为了安全和操作方便，实施机构不宜和原动机直接连接时，也需要用传动装置来联接。
（2）传动机构选择标准
1)对于小功率传动，应在考虑满足性能需要下，选择结构简单传动装置，尽可能降低初始费用。
2)对大功率传动，应优先考虑传动效率，节省能源，降低运转费用和维修费用。
3）当实施机构要求变速时，若能和动力机调速比相适应，可直接连接或采取定传动比传动装置；当实施机构要求变速范围大。用动力机调速不能满足机械特征和经济性要求时，则应采取变传动比传动；除实施机构要求连续变速外，尽可能采取有级变速。
4）实施机构上载荷改变频繁，且可能出现过载，这时应加过载保护装置。
5）主，从动轴要求同时时，应采取无滑动传动装置。
6)动装置选择必需和制造水平相适应，尽可能选择专业厂生产标准传动装置，加减速器，变速器和无级变速器等。
三、功效分解图和实施机构动作
1.功效分解图以下图

图3
2.实施构件选择
（1）减速传动功效
选择经济成本相对较低，而且含有传动效率高,结构简单,传动比大特点,可满足含有较大传动比工作要求，故我们这里就采取行星轮系来实现我设计传动。
（2）定位功效
因为我们设计机构要有间歇往复运动，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经过两侧弹簧实现定位机构回位,等候送料,凸轮循环运动完成了此功效。、
（3）进料功效
进料也要要求有一定间歇运动，我们能够用圆锥齿轮来实现换向，然后经过和齿轮啮合来传输，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构,用从动件滚子推杆直线往复运动实现进料。
（4）进刀功效
采取凸轮循环运动,推进滚子使滚子摆动一个角度,经过杠杆摆动弧度放大原理将滚子摆动角度进行放大.可增大刀具进给量,在杠杆另一端焊接一个 圆弧齿轮,圆弧齿轮摆动实现齿轮转动,齿轮转动再带动动力头升降运动实现进刀.
四、运动方案选择和比较
1.方案分析和比较
（1）减速机构：因为电动机转速是1450r/min，而设计要求主轴转速为2r/min，利用行星轮进行大百分比降速，然后用圆锥齿轮实现方向转换。

图4-1

（2）对比机构：定轴轮系传动；传动比 =n输入/n输出 =700 传动比很大，要用多级传动。图4-2.

图4-2
(3) 进刀机构： 采取一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传输齿轮齿条机构.因为我们用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传输齿轮机构，当进刀时候，凸轮在推程阶段运行，很轻易经过机构传输带动齿轮齿条啮合.带动动刀头来完成钻孔，摆杆转动幅度也是等于齿廓转动幅度，两个齿轮来传动也含有稳性。

图4-3

（4）对比机构：在摆杆上加一个平行四边行四杆机构，这么也能够来实现传动，不过当加了四杆机构以后并没有达成改善传动效果，只是多增加了四杆机构，为了使机构结构紧凑，又能完成需要传动，所以选择了一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。

图4-4
（5）送料系统：采取一个六杆机构来替换曲柄滑块机构，因为设计钻床在空间上传动轴之间距离有点大，故通常四杆机构极难实现这种远距离运动。再加上用四杆机构在本设计中在尺寸上很小。所以考虑到所设计机构能否稳定运行所以优先选择了以下图六杆机构来实现。因为本设计送料时不要求在传动过程中有间歇，所以不需要使用凸轮机构。图4-5。

图4-5
（6）对比机构：所选择对比四杆机构以下图(图4-6)，因为在空间上轴和轴之间距离较大，但选择下来此四杆尺寸太小。故优先选择六杆机构。

图4-6
（7）定位系统：定位系统采取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，但假如是平底推杆从动件，则凸轮就会失真，若增加凸轮基圆半径，那么凸轮机构结构就会很大，也不求实际，所以就采取一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它就能够满足我们实际要求了。

图4-7
（8）对比机构：采取弹力急回间歇机构来替换偏置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往复运动。这么也能够完成实际要求，不过为了使设计机构结构紧凑，又能节省材料，所以还是选偏置直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。

图4-8
五、机构运动总体方案图（机构运动简图）
依据前面表3-3中实线连接方案运动简图确定本设计中半自动钻床总体方案图图5-1

图5-1
六、实施机构设计过程及尺寸计算
1．送料机构采取以下分析
送料连杆机构：采取以下机构来送料，依据要求，进料机构工作行程为40mm，可取ABCD4杆机构极位夹角为12度，则由，得K=1.14，急回特征不是很显著，但对送料机构来说并无影响。
各杆尺寸：（图6-1）
AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8
该尺寸能够满足设计要求，即滑块左右运动为40，ABCD极位夹角为12度。

图6-1
2.凸轮摆杆机构设计：
(1)由进刀规律，我们设计了凸轮摆杆机构，又以齿轮齿条啮合来实现刀头上下运动；
(2)用凸轮摆杆机构和圆弧形齿条所组成同一构件，凸轮摆杆从动件摆动就能够实现弧形齿条往返摆动，从而实现要求；采取滚子盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使滚子和凸轮保持接触.刀具运动规律就和凸轮摆杆运动规律一致；
（3)弧形齿条所转过弧长即为刀头所运动距离。具体设计步骤以下：
1）依据进刀机构工作循环规律,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=0-60°,β=0°;
凸轮转角λ=60°-270°，刀具快进，β=5°，
凸轮转角λ=270°-300°；
凸轮转角λ=300°-360°，β=0°
2）设计圆形齿条,依据刀头行程和凸轮摆角,设计出圆形齿轮半径r=l/β,由β=18°, l=20mm，
3）得到r=63.69mm，图6-2

图6-2
3.凸轮推杆机构设计：
凸轮机构采取直动滚子盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使滚子和凸轮保持接触，实现定位功效。只要合适地设计出凸轮轮廓曲线，就能够使推杆得我们所需要运动规律，满足加工要求，而且响应快速，机构简单紧凑。具体设计以下:
设计基圆半径r0=40mm,偏心距e=25
凸轮转角λ=0°-100°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=100°-285°,定位机构快进,推杆行程h=25mm;
凸轮转角λ=285°-300°,定位机构休止,推杆行程h=0mm;
凸轮转角λ=300°-360°,定位机构快退,推杆行程h=-25mm;
设计偏心距e=25原因是因为此凸轮实施是定位，其定位杆行程为25故如此设计。
4．行星轮系计算:
（1）用定轴轮系传动
传动比 =n输入/n输出 =700 传动比很大，要用多级传动。
（2）用行星轮系传动

图6-3
Z1=35 Z2=20 Z2’=20 Z3=35 传动比iH3=700
依据行星轮传动公式：i（H3）=1-i(31)H=1-Z2’Z1/Z3Z2
由i(1H)=1-Z2'Z1/Z3Z2，考虑到齿轮大小和传动合理性，经过比较设计皮带传动机构和齿轮系传动机构对应参数以下表：
皮带轮参数
名称
皮带轮1
皮带轮2
半径（mm）
100
100
齿轮参数

模数（mm）
压力角（°）
齿数（个）
直径（mm）
齿轮1
2
20
35
70
齿轮2
2
20
20
40
齿轮2’
2
20
20
40
齿轮3
2
20
35
70
七、机构组合
上述各机构方案择优形成以下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设计矩阵为E1={A2 B3 C1 D2}
钻床变速装置采取定轴齿轮变速，因为设计要求传动比=n输入/n输出 =1450/1=1450 ,很大，此时再结合蜗轮蜗杆传动能够大幅度降速。
机构送料装置采取由凸轮和四杆机构组合结构，此组合机构既能够满足设计要求同时相对于其它满足一样要求机构又含有尺寸小和运动可靠特点。盘形凸轮机构把转动动力输入给四杆机构中一个杆件从而转化为这个杆件往复运动，此机构中四杆机构为双摇杆机构，由此双摇杆机构实现滑块往复运动。同时设计凸轮尺寸来满足滑块间歇运动和快慢交替变速运动。
机构定位机构由凸轮机构结合四杆机构死点来夹住工件，并按要求设计凸轮外形尺寸以满足定位机构一样满足间歇运动和休止。
机构进刀机构由轮机构和扇形齿和齿条配合，中间采取连杆带动。先把回转运动动力转化为扇形齿往复摆动，在经过齿轮传输给齿条，增加两个齿轮目标是为了使传动愈加平稳可靠。
方案2设计矩阵为E2={A1 B1 C2 D1}。
半自动钻床变速机构采取行星轮能够实现较大幅度速度转变，相比单纯采取齿轮传动，次方法选择愈加经济成本相对较低，而且含有传动效率高,结构简单,传动比大特点,可满足含有较大传动比工作要求，占据空间也较小。
送料装置假如采取凸轮滑块机构，即使能够实现滑块往复运动，不过不能够确保滑块能够实现间歇休止而且配合好其它机构。
采取C2 类型定位装置能够满足设计要求，不过整个半自动钻床空间尺寸有限这么设计务必会占用较大空间从而使材料使用增多，浪费了材料。
进刀机构采取D1时候能够满足设计要求，不过机构构件之间缺乏稳定传动，对制造出工件精度极难确保质量。
更具钻床每分钟完成一个工件钻孔设计要求，而且选择能够提供间歇运动机构，和结合产品结构简单、紧凑、制造方便、低成本等性能指标，选择设计方案E1/。实际采取半自动钻床运动方案以下图所表示：

1电动机 2定轴齿轮 3蜗轮 4凸轮 5连杆 6工件毛坯 7滑块
8钻头 9齿轮 10扇形齿轮 11弹簧 12连杆 13夹具 14连杆
15凸轮 16皮带
八、工作循环图
钻床进刀、钻孔和退刀为一个运动循环。应该确保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。依据半自动钻床各实施机构运动要求，绘制机构系统运动循环图以下：

九、设计总结
经过此次为期一周机械原理课程设计，在感受到了设计过程艰辛同时也收获了丰富经验。相比于在机械工程方面感性直观认识认识实习和金工实习，此次课程设计则关键集中于理性分析和设计思索。从开始感觉无处下手，到在老师悉心指导和组员们帮助下，依据任务书和指导书上要求，并结合理论知识和查阅大量资料顺利完成课程设计任务。
机械原理是研究机械中机构结构和运动，和机器结构、受力、质量和运动学科。大家通常把机构和机器合称为机械。机构是由两个以上构件经过活动联接以实现要求运动组合体。机器是由一个或一个以上机构组成，用来做有用功或完成机械能和其它形式能量之间转换。其作为机械类或近机械类中关键一门专业基础课，对于后续专业学习有着关键作用。此次课程设计使我愈加深入地了解了部分简单机构元件作用，愈加深入地接触到了相关机械原理和设计等要领和技能。
在设计内容繁多情况中，我深深地体会到了能够熟练地利用CAD等绘图软件无疑在设计效率上更胜一筹，同时操作CAD也成为了一个在机械专业基础技能。
其次，此次课程设计无形中要求将理论知识融入实践设计中，并包含到用自己所掌握理论知识逐一处理在机械设计中碰到多种问题。在以后学习工作中，应含有严谨态度和着眼实践思想。同时应逐步培养坚韧精神，以在繁琐机构设计过程中保持良好心态。经过不停地实践实习巩固已经有理论基础知识，方便在此基础上进行发明性机械设计，得到更为高效、便捷、经济机械系统。
最关键是，经过此次课程设计让我体验了怎样将理论知识转化为生产实际所需。让我更早接触机械设计相关要领和技能，为以后机械设计课程设计和毕业设计打好了基础，更值得一提是为我们以后走出学校走向岗位奠定良好基石。