半自动钻床工作机构设计详解

课程名称：机械原理

设计题目：半自动钻床工作机构设计

院系：机械系

专业：机械设计制造技术及其自动化

学号：

姓名：

西南交通大学

2015年11 月20 日

机械原理设计任务书

学生姓名班级学号

设计题目：半自动钻床工作机构设计

一、设计题目简介

设计加工图1所示工件ф12mm孔的半自动钻床。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。

图1 加工工件

二、设计数据与要求

三、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。

四、设计提示

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4。

3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。

表4 机构运动循环要求

完成日期：年月日指导教师

五、设计工作原理

5.1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，与传动轴相连的凸轮机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，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，简图如下：

六、功能分解图，执行机构动作

6.1功能分解图如下图

6.2执行构件的选择

1.减速传动功能

选用经济成本相对较低，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，我们这里就采用皮带轮来实现我设计的传动。

方案一（选用）

选用的装置具有经济、结构简单的特点，由于电动机的转速为1400r/min，而选用设计要求的主轴转速为2r/min。，通过变速传动将电机的1400r/min降到主轴的2r/min，使得实现每秒2个工作节拍。

方案二

用定轴轮系减速传动。由于传动比=输入转速1400/输出转速2=700传动比过大，故用二

级减速传动。其中带传动起过载保护作用。此机构虽然可以是实现转速的缓慢下降，但是结构复杂，成本高。

2.送料功能

由于我们设计的机构要有间歇往复的运动，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通过两侧的弹簧实现定位机构的回位，等待送料，凸轮的循环运动完成了此功能。

方案一（选用）

其较方案一结构简单，但由于缺少杠杆，其完成快进、休止和快退的动作，如果行程较大，为达到压力角要求，要求凸轮基圆半径较大，不利于远距离的运动传递，使制造成本升高，机构笨重。

方案二

采用一个凸轮机构来完成送料机构的往复运动。通过凸轮机构和导杆滑块实现送料时的快进、休止和快退的动作。由于采用了杠杆，故其能够完成送料的较大传动距离。

3.定位功能

方案一（选用）

结构简单，但由于缺少杠杆，无法对工件施加较大的力。而且如果行程较大，为达到压力角

要求，要求凸轮基圆半径较大，不利于远距离的运动传递，使制造成本升高，机构笨重。

方案二

通过凸轮机构实现定位夹紧时的休止、快进及夹紧和快退的动作。由于采用了杠杆，夹紧装

置可对工件施加较大的夹紧力保证完成定位夹紧的功能。

4.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，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。

方案一

采用一个直动滚子从动件盘行凸轮机构并结合滑块导杆传递齿轮齿条机构。进刀时，凸轮在推程阶段运行，其通过机构传递带动齿轮齿条啮合，进而带动动力头完成钻孔。导杆垂直移动的距离即为齿轮弧转动的角度，且齿轮齿条传动具有稳定性。

方案二（选用）

采用一个凸轮机构来传递齿轮齿条机构。其比方案一简单，但由于没有杠杆，所以不能传动很大的范围。

七、执行机构设计过程及尺寸计算

1．送料凸轮机构机构采用如下分析

凸轮机构采用直动滚子端面柱体凸轮，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，实现进料功能。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,

凸轮转角λ=0°-30°,送料机构快进,推杆行程h=25mm；

凸轮转角λ=30°-45°,送料机构休止,推杆行程h=0mm；

凸轮转角λ=45°-90°, 送料机构快退,推杆行程h=-25mm；

凸轮转角λ=90°-360°, 送料机构休止,推杆行程h=0mm；

2.进刀机构的设计

(1).由进刀规律，我们设计了凸轮摆杆机构，又以齿轮齿条的啮合来实现刀头的上下运动；

(2).用凸轮摆杆机构和直齿条所构成的同一构件，凸轮摆杆从动件的摆动就可以实现齿条的上下摆动，从而实现要求；采用滚子盘行凸轮，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.刀具的运动规律就与凸轮摆杆的运动规律一致；

(3).弧形齿条所转过的弧长即为刀头所运动的的距离。具体设计步骤如下：