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1、机械原理半自动化钻床设计BeijingInstituteofPetrochenilTechnology课程设计（课程实习）机械设计与制造主题实践（-）院（系、部）:桃虹?寿院设计题目半般麻姓名：同构成员：班级：wg:2012年07月05日北京目录1 .方案设计31.1 设计要求31.1.1 设计题目及原始数据31.1.2 设计方案提示31.1.3 设计要求31.2 工作原理42 .运动循环表与运动循环图53 .机构设计63.1 送料机构63.1.1 送料机构曲柄滑块机构63.1.2 送料机构对比机构73.2 定位机构93.2.1 定位机构凸轮-摩擦式棘轮机构93.2.2 定位机构对比机构103
2、.3 进刀机构103.3.1 进刀机构一平底凸轮机构103.3.2 进刀机构对比机构113.4 减速器机构123.4.1 减速器机构蜗轮蜗杆机构123.4.2 减速器对比机构124 .运动分析134.1 送料机构的运动分析134.2 定位机构的运动分析194.3 进刀机构的运动分析275 .动力分析315.1 计算等效阻力矩Mr315.2 计算等效驱动力矩Md325.3 计算最大盈亏功325.4 计算飞轮的最大转动惯量335.5 确定飞轮的尺寸336 .设计心得367 .参考文献371方案设计1.1 设计要求1.1.1 设计题目及原始数据设计加工所示工件也12mm孔的半自动钻床。进刀机构负责动
3、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。半自动钻床设计数据参看下表。半自动钻床凸轮设计数据表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minA40301450B35252014002C30201。9601.1.2 设计方案提示L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。机构运动循环要求表凸轮轴转角IOo203045607590105。270300360送料快进休止快退休止定位休止快进休止快退休止进刀
4、休止快进快进快退休止3 .可使用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。1.1.3设计任务1 .半自动钻床至少包含凸轮机构、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，并在图纸上画出传动系统图；3 .图纸上画出半自动钻床的机构运动方窠简图与运动循环图；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 .设计计算其他机构；6 .编写设计计算说明书；7 .学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。1.2工作原理电机
5、运区0支送料机构工熊解I构J进刀机构该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1400rmin降到主轴的2rmin,与传动轴相连相连的各机构操纵送料，定位与进刀等工艺动作，主轴的2rmin到各个工作之间通过齿轮、齿条等连接最后还是2rmino通过讨论分析，我组决定进料机构使用曲柄导杆机构，该机构由牛头刨床切削机构改装而成的，定位机构与进刀机构均使用凸轮机构。考虑到所有的机构运动均在同i面上，我们先用锥齿轮进行转向。具体运动示意图如图1所示，送料机构将工件送至加工位置，然后定位机构将工件夹紧，同时进刀机构运动，开始钻孔。该机构一个比较大的特点就是进刀机构与加紧定位机构是是有一个齿轮加以操纵的，减少了
6、齿轮传动机构的设计与加工，同时减少了传输的积存误差。图1工作原理示意图2运动循环表与运动循环图根据我们设计送料、定位与进刀方案设计出了如下图的运动循环表，以使方案优化，我们使用老师给的方案B进行了设计，但是进料行程改为40mm,为工件的一个最大直径，定位行程25mm,进刀行程为20mm,电动机转速为1400转min,一分钟制造工件2个。表1机构运动循环要求表凸轮轴转角10140150220280290Q350360P送料快退慢进定位休止快进休止快退休止进刀休止慢进休止快退休止图2机构循环图3机构设计3.2送料机构3.1.1送料机构一曲柄导杆机构该结构是由牛头刨床切削机构改装而成的，利用曲柄滑块
7、机构使得主动件与连架杆的压力角始终为零，用此机构还解决了行程比较大的问题，能够通过连杆作用将工作行程放大，机构的急回特性能够节约时间。根据要求，进料机构工作行程为40mm,可取主动导杆的两个极限位置的的极位夹角为140,则由K=(360-140)/140=11/7=1.5714得K=L57.设置主动杆即曲柄的长度为10mm.利用图解法设计,取比例尺P=ImmZlmm.设计过程如图4所示。作图步骤如下:已知主动杆两极限位置夹角NBICB2=140。画出主动杆两个极限位置根据极限位置的时候曲柄与连架杆的夹角为90,即NABlC=90,ZAB2C=90o,做两条直线交与一点A。由行程为DlD2=40
8、mm,做直线分别于ABI与AB2交与点Dl与D2。由CAD能够测量到Hl=25.7U50439mm,H2=29.238044mm,由此确定了进料图4用解析法画进料机构3.1.2送料机构对比机构对比机构一：曲柄滑块机构该机构由压力角的限制同时导杆占用横向空间比较大。对比结构二：盘形凸轮机构（平底或者滚子的）该机构能够实现间歇运动，但是由于送料行程比较大，所制造的凸轮的轮廓较大。同时凸轮的制造与安装要求比较高。对比结构三：圆柱凸轮机该机构能实现间歇运动同时所占用的体积也比较小而且能够解决大行程的问题，但是该结构制造与安装技术要求比较高，制造成本也比较高。对比机构四：六杆机构该机构与组装机构比较更杂
9、且不易安装，误差积存比较大，且还要考虑压力角的问题,个人感受计算还挺烦恼的。3. 2定位机构3.1.1 定位机构-凸轮-摩擦式棘轮机构当凸轮位于远休的时候棘轮机构顶在试件上。在摩擦力的作用下使得棘轮处于锁死状态，棘轮机构的理论曲线是对数螺线线，这样锁死是在静摩擦的作用之下，不可能是工件在被加工的时候出现滑动，棘轮机构处还有一个拨动弹簧进行压紧，以使得工件能够完全被压紧，假如说工件的尺寸不是很规范，高度略高或者者是略低，都能够在弹簧的作用下压紧。当接触点法向方向通过棘轮的摩擦圆的时候就会出现棘轮锁死的状态，从而实现工件被压紧，如今凸轮处于远休，当凸轮过了远休之后，棘轮成放松状态，工件不处于压紧状
10、态。该结构的特点是：（1） .通过机构锁死靠棘轮与工件的静摩擦来实现工件被压紧,不可能是工件在被加工的时候出现滑动；（2）通过凸轮设计3-4-5多项式的轮廓使得工件在被压紧的时候不可能出现柔性或者刚性冲击；（3）用杠杆传动力，能够实现力的放大，但是本设计中仍使用的力矩之比为1:1；（4）使用平底机构，是压力角始终为0,提高了力的传输比。图5定位机构示意图3.1.2 定位机构对比机构对比机构一：摆动凸轮-弹簧机构该机构在弹簧作何用下实现加紧，难免弹簧弹力不够使试件在被加工的时候出现滑动摩擦的现象匚MAM-Q对比机构二：凸轮机构该机构能够实现间隙运动，但是是靠滑动摩擦力来实现加紧试件的，试件在加工
11、的时候可能在滑动摩擦力的作用下发生滑动，降低制造的工艺。/a、对比机构三：平底或者滚子凸轮该机构在凸轮远休的时候能够实现试件的加紧，但是假如说试件制造比实际的较矮，则会造成试件不被加紧；假如试件制造比实际的较高，则会使试件被夹的过紧。3.3 进刀机构3.3.1 进刀机构一平底凸轮机构该机构要求有间歇运动且为连续运转，因此设计凸轮结构比较合适，设计为平底凸轮比较简单，就是使用的平底凸轮机构，这样大大减小了机构的制造成本；机构简单，减小了传动的积存误差；平底设计，使得压力角始终为零，增大力的传输比进刀机构简图2zx图6进刀机构示意图3.3.2 进刀机构对比机构对比机构一：该机构靠凸轮一杠杆一扇形齿
12、轮一齿轮一齿条来传动动力,所使用的机构尽管稳固性能比较高，也能够通过杠杆是凸轮轮廓得到放大，但是零件使用的比较多，积存的误差比较大,假如将齿轮轮廓放大，同时也会是力传输率降低。假如设计的是滚子凸轮的还要考虑压力角的问题。3.4 减速器机构3.4.1 减速器机构一蜗轮蜗杆机构利用二级蜗轮蜗杆来实现变速，将1400rmin减为2rmin,由于传动比为700,比较大，同时需要的传输的力矩也比较大，我们选用的是该机构。为了方便在实际中安装、拆卸、维修操作方便，我们一开始用的是皮带轮进行传输动力。途中你用模数为2的齿轮，1、3为蜗杆，2、4为齿轮。参数如下：Zl=3,Z2=80、Z3=4、Z4=105、
13、模数为2由齿轮的传动比的计算能够得Z2Z480x105I.=700符合题意且符合实际情况。3.4.2 减速器对比机构对比机构一：2K-H型行星轮系之WW型该行星轮系的传动比能够从1.2到几千，但是外面的尺寸与重量很大；同时该轮系的传动效率很低，同时随着的增加而急速下降且制造困难，传递功率WlOkw,通常不用此轮系做动力传动。当行星架从动时，w从某数值起会发生自锁。对比机构二：2K-H型行星轮系之NGW型该轮系传递功率效率在0.97099,很高，同时体积小、重量轻、结构简单、制造方便，能够用于各类工况条件下，在机械传动中应用最广。但是单机传动比范围较小，通常在113到13.7之间，因此这里要的传
14、动比在700,需要多级传动才能够，那样的话就失去了它的优越性了。对比机构三：2K-H型行星轮系之NW型该轮系传动效率在0.97-0.99,效率高，且传递功率大、径向尺寸小、传动比范围比NGW型的大，i能够是150,通常用525,能够用于各类工况条件，但是制造工艺比较复杂，而且由题意能够得知传动比为700,要是用此轮系需要多级传动，且制造工艺也将更加复杂。4运动分析4.1送料机构运动分析送料机构计算公式由余弦定理得：公式1L22=l2+H22-2L1H2cos(90o+a)由正弦定理得:LLl八人=公式2sinsin(90o+a)由设计可知：%=(/1+/72)tan公式3将公式1与公式2带路公
15、式3得到.Llsin(90o+cr)八2X=(Hl+H2)tanasm/公式4L12+H22-2Ll72cos(90o+a)将公式4在MATLAB中求一次微分得到V:命令：symst;hl=5;h2=7;ll=9;w=5;dx_dt=diff(hl+h2)*tan(asin(ll*sin(pi2+w*t)(ll2+h22-2*l1*h2*cos(pi2+w*t)0.5),t,1)运行结果为：dx_dt=-54O*sin(5*t)(l30+126*sin(5*t)(1/2)/(1-81*cos(5*t)2(130+126*sin(5*t)(l2)-34020*cos(5*t)2(l30+126*
16、sin(5*t)(32)(l-81*cos(5*t)2(l30+126*sin(5*t)(l2)-54*cos(5*t)(130+126*sin(5*t)(l2)(l-81*cos(5*t)2(l30+126*sin(5*t)(32)*(810*cos(5*t)(l30+126*sin(5*t)*sin(5*t)+51030*cos(5*t)3(130+126*sin(5*t)2)将此结构在word中将Pi替换为pi(),同时将t替换为,带入excel中能够运行得到V的有关数据，详见表2。将公式4在MATLAB中进行二次微分，能够得到加速度a:命令为：symst;h1=25.71150439;
17、h2=29.238044;l1=10;w=2/30*pi;dx_dt=diff(hl+h2)*tan(asin(ll*sin(pi2+w*t)(l12+h22-2*l1*h2*cos(pi2+w*t)0.5),t,2)运行结果为：dx_dt=-3866730713334079/1583296743997440*cos(115*pi*t)*pi2(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)A(l/2)/(l-100*cos(l/15*pi*t)A2/(8399065679741231/8
18、796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(l2)+19888959003231586648699840834511/9284550294640352061743431680*sin(l15*pi*t)*pi2(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(ll5*pi*t)(32)(l-10O*cos(l/15*pi*t)2(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/879609302
19、2208*sin(l/15*pi*t)A(l/2)*cos(l/15*pi*t)+3866730713334079/105553116266496*sin(l/15*pi*t)*pi/(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(l2)(1-100*cos(l/15*pi*t)2(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)(32)*(403*cos(1/15*pi*t)(8399
20、065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(l15*pi*t)*sin(l15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(ll5*pi*t)3(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)A2*pi)+102301070221449928389106432447337821311058920799/163335536122050462462419811567248
21、741498880*cos(ll5*pi*t)3(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)A(5/2)/(l-100*cos(l/15*pi*t)A2/(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(l2)*pi2+19888959003231586648699840834511/1856910058928070412348686336*cos(l/15*pi*t)2(83990
22、65679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(32)(l-100*cos(ll5*pi*t)2(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(32)*pi*(403*cos(l15*pi*t)(8399065679741231879609302220851436110962282098796093022208*sin(l15*pi*t)*sin(l15*pi*t)*pi+257180554811
23、410456597069766656*cos(l15*pi*t)3(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)A2*pi)+58000960700011185/140737488355328*cos(l/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)A(l/2)/(l-100*cos(l/15*pi*t)A2/(8399065679741231/879609302
24、2208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(52)*(403*cos(l15*pi*t)(839906567974123187960930222085143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)*sin(l/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(l/15*pi*t)A3/(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(l15*pi*t)2*pi)2-193
25、33653566670395/70368744177664*cos(l/15*pi*t)(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(l/2)/(1-100*cos(l/15*pi*t)2(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)(32)*(-89*sin(l/15*pi*t)2*pi2(8399065679741231/8796093022208+514361109622820
26、98796093022208*sin(l/15*pi*t)-25718055481141045/19791209299968*cos(l/15*pi*t)A2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(l/15*pi*t)A2*sin(l/15*pi*t)*piA2+8/9*cos(1/15*pi*t)2(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(1/15*pi*t)*pi2-26456735109241957905
27、266207347681/87042659012253300578844672*cos(l15*pi*t)4(8399065679741231/8796093022208+51436110962282098796093022208*sin(l15*pi*t)3*pi2)处理方法与求V的时候样，最后带入excel中求的a的有关数据，见表2.表2送料机构运动分析数据L2PXVa030.9008611118.8817212318.79385242-0.774420872-0.63151985531.7147991618307115418.18039634-0.717219076-0.84293651
28、81032.5023980417.6376037517.47072471-0.6613787351.2213837821533.2597424816.883037416.67718121-0.6075666110.1863895962033.9832784916.0523887315.81091833-0.556204381-0.0675613672534.6697828615.153828514.88192277-0.507522721-0.761793563035.3163369714.194805113.89907228-0.461607282-0.4837286783535.92030
29、45513.182122212.8702126-0.4184364781.0931785294036.4793128412.1220128611.80224598-0.3779116780.1422463384536.9912368111.0202088810.70122522-0.339880739-0.095601315037.454185889.8820051279.572448727-0.304155908-0.9026267485537.866492948.7123187358.420553809-0.270527101-0.0709217526038.226705257.51574
30、34927.249606345-0.2387714730.9507509896538.5335776.2965998786.063186008-0.2086600760.1061512577038.786063235.0589812254.864466651-0.179962251-0.1294063287538.983315063.8067965653.656292034-0.152448302-1.0464880138039.124675912.5438107412.441247319-0.1258908620.3499668398539.209678721.2736823391.2217
31、26991-0.1000653060.8078625999039.2380441.78818E-15I.71496E-15-0.0747494570.0763676069539.20967872-1.273682339-1.221726991-0.049722801-0.17066452610039.12467591-2.543810741-2.441247319-0.024765373-1.18127815310538.98331506-3.806796565-3.6562920340.0003435530.73153009611038.78606323-5.058981225-4.8644
32、666510.0258268490.67347646211538.533577-6.296599878-6.0631860080.0519108780.05130521512038.22670525-7.515743492-7.2496063450.078826672-0.221202612537.86649294-8.712318735-8.4205538090.10681081-1.28989052313037.45418588-9.882005127-9.5724487270.1361058151.03538863713536.99123681-11.02020888-10.701225
33、220.1669598540.5525960514036.47931284-12.12201286-11.802245980.1996254460.02950857514535.92030455-13.1821222-12.87021260.234356827-0.28293629715035.31633697-14.1948051-13.899072280.271405493-1.35089823915534.66978286/5.1538285-14.881922770.3110133261.2397032216033.98327849-16.05238873-15.810918330.3
34、53402590.44731183116533.25974248-16.8830374-16.677181210.3987618940.00962730317032.50239804-17.63760375-17.470724710.447227107-0.35775269917531.71479916-18.3071154-18.180396340.498856074-1.34102539218030.90086111-18.88172123-18.793852420.5535959621.34101342718530.06489561-19.35062201-19.297578020.61
35、12421310.35777130819029.21165103-19.70201768-19.676969920.671387841-0.00962290819528.34635716-19.92308437-19.916502670.733364756-0.44728973220027.47477419-20-200.796175572-1.23973772520526.60324398-19.91804465-19.911034540.8584220621.35090491521025.73874078-19.66181069-19.633475720.9182348190.282951
36、73421524.88891632-19.21556756-19.152199530.973214923-0.02950389222024.06213143-18.56383456-18.453961571.020402561-0.55257033522523.26746298-17.69221932-17.528416131.056292775-1.03544680523022.51467065-16.58857268-16.36923921.0769227141.28991065423521.81410431-15.24448451-14.975283711.0780559920.2212
37、1527524021.1765304-13.65708869-13.351664221.055484942-0.05129994724520.6128571-11.83105224-11.510642681.005457182-0.67344735225020.13374613-9.780497402-9.4721742050.925206442-0.73160909725519.74911595-7.530473356-7.2639794070.8135297481.1813065326019.4675671-5.11751087-4.921044580.6713113210.1706748
38、7826519.29579044-2.588831892-2.484511620.501863539-0.07636143627019.238044-7.29438E-15-6.99568E-150.310957412-0.8078308627519.295790442.5888318922.484511620.106464227-0.35005965228019.46756715.117510874.92104458-0.1023778941.04652020528519.749115957.5304733567.263979407-0.3059528590.12941478429020.1
39、33746139.7804974029.472174205-0.495314946-0.1061438429520.612857111.8310522411.51064268-0.663087119-0.95071816830021.176530413.6570886913.35166422-0.8040526690.07082524330521.8141043115.2444845114.97528371-0.9153759110.90265943931022.5146706516.5885726816.3692392-0.9964808920.09560827231523.26746298
40、17.6922193217.52841613-1.048681069-0.14223729632024.0621314318.5638345618.45396157-1.074676935-1.09314718232524.8889163219.2155675619.15219953-1.0780288230.48363945933025.7387407819.6618106919.63347572-1.0626828570.76182455233526.6032439819.9180446519.91103454-1.0325936540.06756719934027.47477419202
41、0-0.991457612-0.186378518345283463571619.9230843719.91650267-0.942549889-1.2213576135029.2116510319.7020176819.67696992-0.8886467790.84286387635530.0648956119.3506220119.29757802-0.8320113170.63154788336030.9008611118.8817212318.79385242-0.7744208720.043748668注：为主动件BC转过的角度，B为从动件AB在不致时刻转过的角度，L2为AB在不致
42、时刻的长度;X为D点在不致时刻的位移，V为D在不致时刻的速度，a为D在不致时刻的加速度图7送料机构位移图图8送料机构速度图加速度示意图角度图9送料机构加速度图4.2定位机构h_10ft-()l I 5(1-(品+酝)I J I J_6f()lI a J30hM-(+l)Y s )24一(今+诟)、 ( + )I&- J I 4 J60/町21 3 - (4 + 幅)、s J-35-(今+幅)凸轮轮廓计算公式:X=(弓 + s) Sin(MO) + M(#SCoy=(与+s)cos(M(P)M基圆半径为60mm,计算平底长度为78mm表3定位机构凸轮部分运动分析数据SXyV000600050.0
43、816252167.92678302959.617623610.5656125422.506098649100.58160290419.584464358.062902321.9277681923.855536384151.73699946532.7878464755.129368013.6446867384.241090022203.61754031145.7843717951.036223815.3549116443.855536384256.15907806357.2874946446.284868416.7773100492.891652288309.19706074866.4835596141.51758226
