半自动钻床

专业:机械设计制造及其自动化班级:

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课程名称: 机械原理

日期：2010/6/12

目录

一．任务书

1.1、工作原理及工艺动作过程--------------------3

1.2、设计原始数据及设计要求--------------------3

1.3、设计任务-------------------------------------4

二、方案的分析

2.1功能分解图、机械系统运动转换功能--------------4

2.2各个机构运动方案分析及确定---------------------5

2.3、原动机的选择原理-----------------------------10

三、机构的参数设计几计算

3.1、送料机构机构的计算分析-----------------------10

3.2、凸轮摆杆机构的计算分析-----------------------11

3.3、凸轮推杆机构的计算分析-----------------------12

3.4、行星轮系的计算分析--------------------------13

3.5、凸轮设计分段图轮廓图和设计结果------------14

四、机构运动总体方案图及循环图--------------------17

五、机构总体分析----------------------------------19

六、设计总结-------------------------------------19

七、参考资料--------------------------------------19

附录一定位凸轮机构------------------------------21

附录二运动行程图--------------------------------22

附录三机构图总效果图---------------------------24

一、任务书

1.1、工作原理及工艺动作过程

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。

设计加工图（一）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（一）

1.2、设计原始数据及设计要求

半自动钻床设计数据参看表（一）

表（一）半自动钻床凸轮设计数据

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/min)

工作节拍（生

存率）/（件

/min）

A 40 30 15 1450 1

B 35 25 20 1400 2

C 30 20 10 960 1

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下表（二）。

3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。

表（二）机构运动循环要求表

10o20o30o45o60o75o90o105o～270o300o360o

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

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运动方案简图和运动循环图；

(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。对盘状凸轮要用解析法计算出理论廓线、实际廓线值。画出从动件运动规律线图及凸轮廓线图；

(5).设计计算其他机构；

(6).编写设计计算说明书；

二、方案的分析

2.1．功能分解图如下图

图3-1

2.1.2、绘制机械系统运动转换功能

2.2、各个机构运动方案分析及确定

（一）减速机构

由于电动机的转速是1400r/min，而设计要求的主轴转速为2r/min，利用复合轮系大比例的降速，可以克服周转轮系传动比高，效率低的特点。

对比机构

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。如下图.

（二）进刀机构

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。

对比机构

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

（三）送料机构

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。

对比机构

所选用的对比四杆机构如下图，由于在空间上轴与轴之间的距离较大，但选用下来此四杆的尺寸太小。故优先选用六杆机构。

（四）定位机构

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。

对比机构

采用弹力急回间歇机构来代替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，所以还是选偏置直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。

1.减速传动功能

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，故我们这里就采用复合轮系来实现我设计的传动，可以克服周转轮系传动比高，效率低的特点。

2.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.

3.进料功能

进料也要要求有一定的间歇运动，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通过和齿轮的啮合来传递，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构,用从动件滚子推杆的直线往复运动实现进料。

4.定位功能

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。

2.3、原动机的选择原理

（1）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。

（2）选择原动机时需考虑的因素

考虑现场能源的供应情况、原动机的机械特性和工作制度与工作相匹配、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、工作环境的影响、工作可靠，操作简易，维修方便、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。

三、机构的参数设计几计算

3.1、送料机构机构计算分析

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

1)1

( 180

+-

?=

K K

θ

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。

各杆尺寸：（如下图）

AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=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。

3.2、凸轮摆杆机构的计算分析

(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).用凸轮摆杆机构和圆弧形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

弧形齿条的来回摆动，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：

1.根据进刀机构的工作循环规律,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,根据刀头的行程和凸轮的摆角,设计出圆形齿轮的半径r=l/β,由β=18°, l=20mm。

3.得到r=63.69mm，如下图

3.3、凸轮推杆机构的计算分析

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。

3.4、行星轮系的计算分析

111z =210z =2'9z =310z = 428z =58z =620z =

710

z = 传动比=100 根据周转轮传动公式：

32

21

32'1/11/(1)

H z z i i z z =-=-13

H

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 11 22 齿轮2 2 20 10 20 齿轮2’ 2 20 9 18 齿轮3 2 20 10 20 齿轮4 2 20 28 60 齿轮5 2 20 8 18 齿轮6 2 20 20 44 齿轮7

2

20

10

20

3.5、凸轮设计分段图轮廓图和设计结果

一.定位凸轮

如图为定位凸轮分段图和设计结果图

基圆半径【Ro】=40 滚子半径【Rt】=10 转速【W】=1r/min 中心距【A】=80

摆杆长【L】=65 计算步长=5

图（二）和（三）为定位凸轮的轮廓图（二内包络线图，三外包络线图）

图（二）

图（三）

二.进刀凸轮

进刀凸轮类型设计结果如图，凸轮运动分段如下图

基圆半径【Ro】=40 滚子半径【Rt】=10 转速【W】=1r/min 偏心距【E】=65 计算步长=5

进刀凸轮轮廓线设计如图（四）（内包络线）和图（五）（外包络线）

图（四）

图（五）

四、机构运动总体方案图及循环图设计中半自动钻床的总体方案图如下图

上图所示的机械系统方案的执行件需要进行运动协调设其

运动循环如下图

五、机构总体分析

设计减速机构时，考虑到应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，故我们这里就采用复合轮系来实现我设计的传动，可以克服周转轮系传动比高，效率低的特点。

设计进刀时采用了凸轮的循环运动,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.

设计进料机构时考虑到进料也要要求有一定的间歇运动，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通过和齿轮的啮合来传递，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构,用从动件滚子推杆的直线往复运动实现进料。

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。

设计过程中遇到了许多麻烦。比如因为每一个数据都要从机械设计书上或者机械设计手册上找到出处或有相关的计算过程。我因为这个就吃了不少的亏，比如在我设计半自动钻床装配草图时我没有太注意相关尺寸，致使我设计的整体图出现了较大的结

构错误，间接导致了我以后的装配图的步履维艰。对于设计中涉及到的一些标准件选用，因之前学的不够扎实，以致于不得不翻阅大量的书籍，这其中浪费了许多时间。

六、设计总结

一个星期的机械原理课程设计结束了，通过本次课程设计感受到了设计过程中的艰辛。特别是对于从来没有经历过亲身设计的我来说，刚开始根本感觉无处下手。在老师的悉心指导和们的热心帮助下，根据任务书和指导书上的要求，结合自己平时的理论基础和查阅大量资料才顺利完成了这次机械原理课程设计在此我要衷心感谢我的老师和我的同学。

同时在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.

课程设计这样集体的任务光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，合作的原则就是要利益均沾，责任公担。如果让任务交给一个人，那样既增加了他的压力，也增大了完成任务的风险，降低了工作的效率。所以在集体工作中，团结是必备因素，要团结就是要让我们在合作的过程中：真诚，自然，微笑；说礼貌用语；不斤斤计较；多讨论，少争论，会谅解对方；对他

人主动打招呼；会征求同学的意见，会关心同学，会主动认错，找出共同点；会接受帮助，信守诺言，尊重别人，保持自己的特色。

七、参考资料

1.鸣歧王保民王振莆《机械原理课程设计手册》重庆大学出版社

2.孙桓《机械原理教材》高等教育出版社

3.《贵州大学机械原理课程设计任务书》

4.邹家祥《现代机械设计理论与方法》

附录一、

定位凸轮机构