机械原理课程设计

机械原理课程设计-------半自动钻床工作机构班级：10级班姓名：学号：指导老师：西南校区2012年12月21日西南目录第1章设计任务 (1)1.1设计题目及原始数据 (1)1.2设计要求及方案提示 (1)1.3设计任务 (2)第2章所设计的机构工作原理 (3)2.1机构的工作原理 (3)2.2传动机构的选择和工作原理 (3)第3章运动方案的选择与比较 (5)3.1减速机构 (5)2.2进刀机构 (6)2.3送料系统 (7)2.4定位系统 (7)第4章执行机构设计过程及尺寸计算 (9)4.1送料机构机构分析 (9)4.2凸轮推杆机构的分析 (9)4.3行星轮系的计算 (10)第5章仿真分析 (11)5.1 送料机构仿真分析 (11)5.2 定位机构仿真分析 (12)设计总结 (14)参考资料 (15)第1章设计任务本章节主要是对设计题目要求的概述以及设计相关的任务和数据的陈述。

1.1设计题目及原始数据设计加工所示工件ф12mm孔的半自动钻床，如图1-1所示。

进刀机构负责动力头的升降，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。

机构设计的相关数据要求见表1-1。

图1-1 加工工件表1-1 设计数据表1.2设计要求及方案提示要求设计该半自动钻床的送料、定位、及进刀的整体传动系统。

其中：1.钻头由动力头驱动，设计者只需考虑动力头的进刀（升降）运动。

2. 除动力头升降机构外，还需要设计送料机构、定位机构。

各机构运动循环要求见表1-1所示。

3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。

表1-1 机构运动循环要求1.3设计任务1.半自动钻床至少包括凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。

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的机构简图和运动循环图。

4.凸轮机构的设计计算。

按各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，校核最大压力角与最小曲率半径。

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. 确定电动机的功率与转速；6. 用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

7. 编写设计计算说明书，说明书应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。

8.在实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。

第2章所设计的机构工作原理本章节主要是介绍一下半自动钻床的工作原理和相关机构的选择原则。

2.1机构的工作原理该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1400r/min降到主轴的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，最后由凸轮机通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这样动力头也就能带动刀具平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量，具体的选择原理和工作原理如下：原动机的分类原动机的种类按其输入能量的不同可以分为两类：A一次原动机此类原动机是把自然界的能源直接转变为机械能，因此称为一次原动机。

属于此类原动机的有柴油机，汽油机，汽轮机和燃汽机等。

B二次原动机此类原动机是将发电机等能机所产生的各种形态的能量转变为机械能，因此称为二次原动机。

属于此类原动机的有电动机，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。

选择原动机时需考虑的因素：1：考虑现场能源的供应情况。

2：考虑原动机的机械特性和工作制度与工作相匹配。

3：考虑工作机对原动机提出的启动，过载，运转平稳，调速和控制等方面的要求。

4：考虑工作环境的影响。

5：考虑工作可靠，操作简易，维修方便。

6：为了提高机械系统的经济效益，须考虑经济成本：包括初始成本和运转维护成本。

综上所述，在半自动钻床中最益选择二次原动机中的电动机作为原动件。

2.2传动机构的选择和工作原理（1）传动机构的作用1：把原动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力。

2：把原动机输出的速度降低或提高，以适应执行机构的需要。

3：用原动机进行调速不经济和不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常调要求4：把原动机输出的等速回转运动转变5：实现由一个或多个动力机驱动或若干个速度相同或不同的执行机构。

6：由于受机体的外形，尺寸的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与原动机直接连接时，也需要用传动装置来联接。

（2）传动机构选择的原则1：对于小功率传动，应在考虑满足性能的需要下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用。

2：对大功率传动，应优先考虑传动的效率，节约能源，降低运转费用和维修费用。

3：当执行机构要求变速时，若能与动力机调速比相适应，可直接连接或采用定传动比的传动装置；当执行机构要求变速范围大。

用动力机调速不能满足机械特性和经济性要求时，则应采用变传动比传动；除执行机构要求连续变速外，尽量采用有级变速。

4：执行机构上载荷变化频繁，且可能出现过载，这时应加过载保护装置。

5：主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。

6：动装置的选用必须与制造水平相适应，尽可能选用专业厂生产的标准传动装置，加减速器，变速器和无级变速器等。

第3章运动方案的选择与比较本章节主要是设计机构的运动方案，主要包括减速机构、进刀机构、定位机构和送料机构。

3.1减速机构由于电动机的转速是1450r/min，而设计要求的主轴转速为2r/min，利用行星轮进行大比例的降速，然后用圆锥齿轮实现方向的转换。

如图3-1。

图3-1 减速机构方案1采用定轴轮系传动。

其传动比i（H3）=n输入/n输出=700 传动比很大，要用多级传动。

如图3-2。

图3-2 减速机构方案2两个机构对比，我们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，故我们这里就采用行星轮系来实现我设计的传动。

2.2进刀机构第一个方案是采用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传递齿轮齿条机构。

因为我们用一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构来传递齿轮机构，当进刀的时候，凸轮在推程阶段运行，很容易通过机构传递带动齿轮齿条啮合.带动动刀头来完成钻孔，摆杆转动的幅度也是等于齿廓转动的幅度，两个齿轮来传动也具有稳性。

如图3-3。

图3-3 进到机构方案一另一个方案就是在摆杆上加一个平行四边行四杆机构，这样也可以来实现传动，但是当加了四杆机构以后并没有达到改善传动的效果，只是多增加了四杆机构，为了使机构结构紧凑，又能完成需要的传动，所以选择了一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。

图3-4 进刀机构方案二由于进刀机构是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个圆弧齿轮,圆弧齿轮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实现进刀。

所以我们选择第一个方案。

2.3送料系统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之间的距离有点大，故一般四杆机构很难实现这种远距离的运动。

再加上用四杆机构在本设计中在尺寸上很小。

所以考虑到所设计的机构能否稳定的运行因此优先选用了如下图的六杆机构来实现。

由于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。

如图4-5。

图3-5 送料机构2.4定位系统定位系统采用的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，但如果是平底推杆从动件，则凸轮就会失真，若增加凸轮的基圆半径，那么凸轮机构的结构就会很大，也不求实际，所以就采用一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它就可以满足我们的实际要求了。

图3-6 定位机构根据前面的方案的运动简图确定本设计中半自动钻床的总体方案图如图3-7。

图3-7 机构总体方案图第4章 执行机构设计过程及尺寸计算本章节主要是对半自动钻床的送料机构、定位机构和变速机构的一些尺寸计算。

4.1送料机构机构分析送料连杆机构：采用如下机构来送料，根据要求，进料机构工作行程为40mm ，可取ABCD4杆机构的极位夹角为12度，则由 得k=1.14，急回特性不是很明显，但对送料机构来说并无影响。

各杆长为：AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40EF=8。

该尺寸可以满足设计要求，即滑块的左右运动为40，ABCD 的极位夹角为12度。

图4-1 送料机构4.2凸轮推杆机构的分析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，就可以使推杆得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=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的原因是因为此凸轮执行的是定位，其定位杆的行程为25故如此设计。

180(1)1K K θ⨯-=+4.3行星轮系的计算（1）用定轴轮系传动传动比i（H3）=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Z1=35 Z2=20 Z2’=20 Z3=35 传动比i（H3）=700根据行星轮传动公式：i（H3）=1-i(31)H=1-Z2’Z1/Z3Z2由i(1H)=1-Z2'Z1/Z3Z2，考虑到齿轮大小与传动的合理性，经过比较设计皮带传动机构与齿轮系传动机构的相应参数如表4-1和4-2所示表4-2 齿轮参数第5章仿真分析本章节主要是基于Simpack动力学分析软件对半自动钻床机构中的送料机构和定位机构的仿真分析。

5.1 送料机构仿真分析根据在第2章中对送料机构的各个杆件尺寸计算，在Simpack中建立机构三维简化模型，如图5-1所示。

图5-1 送料机构三维简化模型对送料机构的仿真分析主要是对需要加工的物料在水平方向的位移和速度分析。

通过仿真软件分析得到位移曲线图5-2和速度曲线图5-3。

图5-2 物料运动位移曲线图5-3 物料水平方向速度曲线由位移和速度曲线分析可得，物料在输送到加工台的过程中变化规律都是很均匀的，没有特别明显的急回特性，这也满足设计的要求。

5.2 定位机构仿真分析半自动钻床机构的定位装置主要是利用的一个凸轮滚子推杆机构。

机构的一些主要参数在上一章节中已经计算得到。

图5-4为凸轮滚子推杆机构的三维仿真。

图5-4 凸轮滚子推杆机构分析凸轮机构主要是对推杆在竖直方向的运动特征的分析，包括推杆的位移、速度和加速度的曲线绘制。