课设---半自动钻床说明书

课程设计

课程名称： 机械原理 学 院：机械工程学院 专 业： 机 制 姓 名： 学 号： 年 级： 2010级 任课教师： 戴 明

2013年1月18日

机械原理课程设计任务书

题号03

半自动钻床

一、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。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。

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

二、设计方案提示

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下表。

机构运动循环要求表

3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。

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，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；

目录

一 设计工作原理 . ............................................................................................................................ 5

1.1工作原理和工艺动作分解 . ........................................................................................ 5 1.2三个执行构件的运动形式 . ........................................................................................ 6

二 执行机构功能分析 . .................................................................................................................... 7

2.1 减速传动功能 . ........................................................................................................... 7 2.2 进料功能 . ................................................................................................................... 7 2.3定位功能 . .................................................................................................................... 7 2.4 进刀功能 . ................................................................................................................... 7

三 机械运动方案的选择和对比 . .................................................................................................... 8

3.1减速机构 . .................................................................................................................... 8 3.2送料机构 . .................................................................................................................. 10 3.3定位机构 . .................................................................................................................. 11 3.4 动力头工作机构 . ..................................................................................................... 13 3.5功能单元匹配及循环图 . .......................................................................................... 14

四 执行机构设计过程及尺寸计算 . .............................................................................................. 17

4.1行星轮系的计算 . ...................................................................................................... 17 4.2送料连杆机构 . .......................................................................................................... 18 4.3定位机构采用如下分析 . .......................................................................................... 19 4.4动力头机构采用如下分析 . ...................................................................................... 21

五 总体机构简图 . .......................................................................................................................... 25 六 凸轮设计参数 . .......................................................................................................................... 26

6.1定位凸轮参数详见附图二 . ...................................................................................... 26 6.2定位凸轮运动分段图详见附图三 . .......................................................................... 26 6.3定位凸轮运动分析图详见附图四 . .......................................................................... 26 6.4进刀凸轮参数详见附图五 . ...................................................................................... 26 6.5进刀凸轮运动分段图详见附图六 . .......................................................................... 26 6.6进刀凸轮运动分析图详见附图七 . .......................................................................... 26

七 连杆机构运动学分析 . .............................................................................................................. 26

7.1连杆三维图详见附图八 . .......................................................................................... 26 7.2连杆位置分析图详见附图九 . .................................................................................. 26 7.3连杆速度分析图详见附图十 . .................................................................................. 26 7.4连杆加速度分析图详见附图十一 . .......................................................................... 26

八 设计总体三维图 . ...................................................................................................................... 26

8.1总体三维图详见附图十二 . ...................................................................................... 26

附录 ................................................................................................................................................ 27 总结 ................................................................................................................................................ 34 参考文献......................................................................................................................................... 36

一 设计工作原理

半自动钻床的工作原理是利用钻头的旋转和进刀切削掉工件的余料而得到工件尺寸形状。工艺动作过程由送料、定位夹紧、进刀三部分组成。各个机构的运动由同一电动机驱动，运动由电动机经过减速装置后分为两路，一路随着传动系统传送动力到定位夹紧机构和进刀机构，分别带动凸轮做转动控制连杆对工件的定位和通过齿轮带动齿条和动力头做往复直线运动。另一路直接传动到送料机构，控制的送料机构的进退。即该系统由电动机驱动，通过变速传动将电动机的转速由1400r/min降到主轴的2r/min，与传动轴相连的凸轮机构控制送料，定位夹紧和进刀等工艺动作。其中动力头由凸轮机构通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动，则动力头可带动钻头平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量。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，并由定位机构使加工工件可靠固定, 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。

1.1工作原理和工艺动作分解

根据任务书的要求，该机械的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，并由定位机构将加工工件可靠固定。

功能分解如下图：

1.2三个执行构件的运动形式

(1)送料机构做水平的往复运动，工作行程是35mm 。开始送料机构先把胚料送到加工台，然后返回，送料机构返回过程中定位机构和进刀机构工作。

(2)定位机构是在竖直方向做往复运动，在工件加工的时候对工件起固定的作用。行程是25mm 。在送料机构未达到最大行程时，定位机构就可开始进位，但必须在送料机构到达时，定位机构才到达最大工作行程完成定位功能。

(3)动力头完成往复（也是铅垂上下）直线运动，下移到最低点后稍作停留（主要是使刀具能把孔钻穿透）后返回。动力头的行程是20mm 。动力头再定位机构完成定位（即定位夹具到达最大行程之后）之后，并过一段时间后，刀具移至最大工作行程，保留一段时间钻透后返回，动力头返回后，定位机构返回。

二 执行机构功能分析

2.1 减速传动功能

为使成本降低，减小机构的体积，并且提高传动效率，简化结构，增大传动比，所以我们选择采用行星轮来实现我设计的传动。

2.2 进料功能

进料也要要求有一定的间歇运动，我们用圆锥齿轮来实现换向，然后通过齿轮传动，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构来实现进料。

2.3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。

2.4 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，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抵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。

三 机械运动方案的选择和对比

3.1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，利用星轮进行大比例的降速，又可解决经济问题不太昂贵减少传动级数。如图3-1所示。

.

图3-1行星轮系减速机构的运动简图

对比机构1:定轴轮系传动; 传动比=n输入/n输出=700传动比很大，要使用多级传动，考虑到实际情况和经济状况使用定轴齿轮传动不太实际。如图3-2所示。

图3-2定轴轮系减速机构的运动简图

对比机构2：采用涡轮蜗杆传动，由于涡轮蜗杆的传动比很大，则可以减少减数级数，但涡轮蜗杆效率过低。如图3-3所示

.

图3-3定轴轮系和涡轮蜗杆减数机构

3.2送料机构

采用一个四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问的距离有点大，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四杆机构来实现。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3-5所示。

图3-5送料机构运动简图

对比机构1：此方案用偏置曲柄滑块机构，较简单，但是工作台与传动主轴之间的距离远，导致连杆过长可能造成无法加工成型。如图3-6所示。

图3-6对比机构的运动简图

对比机构2：此方案结构简单，但由于缺少杠杆，其完成快进、休止和快退的动作，且其升程是35mm ，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。如图3-7所示：

图3-7 凸轮进料机构

3.3定位机构

定位系统采用的是一个对心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，且此定位机构可同时实现工件的定位和夹紧（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），比较方便实用且工作可靠，操作简易，维修方便。如图3-8所示。

图3-8定位机构的运动简图

对比机构1：此定位机构过于繁杂，要使用两个偏心轮，成本过，且效率略有不及，且偏心轮没有像凸轮那样的近休远休，时间上不好控制。如图3-9所示。

3-9对比机构的运动简图

3.4 动力头工作机构

采用一个直动滚子从动件盘行凸轮机构来传递齿轮齿条机构. 因为我们用一个直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3-10所示。

图3-10动力头工作机构的运动简图

对比机构：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但比法案一简单。但是没有杠杆，不能滑动很大的范围。如图3-11。

图3-11对比机构的运动简图

3.5功能单元匹配及循环图

拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。

进刀机构每完成一个运动循环，以该主动件的转角作为横坐标（0,360），以各构件执行构件的位移为纵坐标做出曲线。运动循环图的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，根据上述表述作出半自动钻床的运动循环图如下图所示。

其中120º对应时间为10s ，150º对应时间为12.5s 。

四 执行机构设计过程及尺寸计算

4.1行星轮系的计算

用行星轮系传动，如图4-2.

图4-1行星轮系的运动简图

根据行星轮传动公式:

i H3=1-iH 31=1-Z2' Z1/Z3Z 2

由i 1H =1-Z2'Z 1/Z3Z 2，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

齿轮参数

4.2送料连杆机构

采用如下机构米送料，根据要求，进料机构丁作行程为35mm 。 进料机构计算方法简图（如图4-2a ）；

图5-4a

先在工作台上定义滑块两极位位置为行程35mm ，假设主轴和工作台之间的距离为AN=37.47mm（此时A 为假设的），再在图形之中定义一位置E ，假设有一杆长度为FC=41.27mm，且FE=EC。再假定FC 与工作台一定角度放置（此时得两位置FEC 和DEG ），之后以一极位N 为圆心，N 到F 的距离为半径画圆得到杆长

NF=10mm，然后连接AC 两点得到曲柄AB 和连杆BC 拉伸共线，再连接DA 两点，得到曲柄AB 和连杆DG （即连杆BC 处于另一位置时的情况）折叠共线。根据拉伸共线和折叠共线的条件可以分别得到曲柄和连杆的长度，即为曲柄

AB=15.08mm，连杆BC=28.03mm。为使以下定位和进刀的凸轮方便设计（已规定凸轮基圆半径为40mm ），具体设计时把各杆长度及有效尺寸总体放大三倍（即得到主轴与工作台之间的距离为112.2mm ）。 进料机构简图(如图4-2b) ：

图4-2b 进料机构简图

4.3定位机构采用如下分析

凸轮机构采用直动平底从动件盘行凸轮，且为力封闭凸轮机构，利用弹簧力来使平底与凸轮保持接触，实现定位功能。只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到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r 0=40mm,偏心距e=0mm。

凸轮转角0º-120º，定位机构休止，推杆行程h=0mm。

凸轮转角120º-240º，定位机构快进，推杆行程h=25mm（其中7mm 空行程进刀到与所加工工件等高处，另外18mm 完成完成定位和夹紧功能）。 凸轮转角240º-350º，定位机构休止，推杆行程h=0mm。 凸轮转角350º-360º，定位机构快退，推杆行程h=25mm。

定位凸轮设计轮廓如下图4-3所示：(具体参数详见附图二，运动分段图见附图三，运动分析图见附图四

)

图4-3定位凸轮轮廓

推程杆长确定：由于以上进料机构已确定主轴到工作台距离为112.2mm ，所以可以得到：推程杆长=主轴到工作台距离+定位机构工作行程-凸轮基圆半径，

即推程杆长等于112.2mm+25mm-40mm=97.2mm。

4.4动力头机构采用如下分析

(1).由进刀规律，我们设计了凸轮滚子从动件机构，又以齿轮齿条的啮合来实现刀头的上下运动。

(2).用凸轮滚子从动件机构和圆弧形齿条所构成的同一构件，凸轮滚子从动件的上下直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直动杆的运动规律一致;

(3).弧形齿条所转过的弧长即为刀头所运动的的距离。其具体体设计步骤如下: 1. 根据进刀机构的工作循环规律，进刀行程是20mm （其中刀具快速进刀2mm ，即空行程到所加工工件等高处，然后开始进刀钻孔），则弧形齿条以20mm 来回滑动设计凸轮基圆半径r0=40mm.

凸轮转角0º-150º，凸轮近休，圆弧形齿条不摆动。

凸轮转角150º-250º，凸轮推程，圆弧形齿条带动行动头向下快速进刀。 凸轮转角250º-320º，凸轮远休，即行动头保持一定时间，使工件得以钻透。 凸轮转角320º-350º，凸轮回程，圆弧形齿条带动行动头向上快速回位。 凸轮转角350º-360º，凸轮近休，行动头不动。

定位凸轮轮廓如图4-4所示：（具体参数详见附图五，运动分段见附图六，运动分析见附图七）

图4-4进刀凸轮轮廓

2. 根据以上求定位凸轮推程杆长原理，可得进刀凸轮推程杆长等于主轴到工作台距离+行动头工作行程-进刀凸轮基圆半径。

即进刀凸轮推程杆长等于112.2mm+20mm-40mm=92.2mm。 (4)弧形齿轮半径计算

如图5-5，由于滚子凸轮带动杆MN 上下往复运动，从而带动圆弧形齿轮以中心N 摆动啮合，假设杆MN 上下摆动的角度为60º，而凸轮带动杆上升和下降的唯一都为20mm ，那么可以计算出圆弧形齿轮的半径为40mm 。作图得出如下图4-6.

图4-5

图4-6

如下图4-7所示为圆弧形齿轮和两同样大小的齿轮啮合带动行动头向下运动的机构运动简图。

图4-7

五 总体机构简图

总体机构简图大图见附录附图一

图5-1半自动钻床的总体机构运动简图

总得来说该机构首先通过减速机构达到工作要求的转速即2r/min，然后将进料机构、定位以及动力头机构的凸轮。

送料机构则是由一个圆盘（此处用锥齿轮代替）与连杆滑块的配合，使滑块在水平方向上做往复的运动，从而使其上的工件不断的送到加工位置。因为曲柄滑块是偏心安置的，所以存在急回特性，这提高了生产率。

定位机构则由弹簧使滚子从动件始终紧贴凸轮，形成力封闭。再由凸轮的旋转带动滚子杆的上下直动，把凸轮的轮廓所表示出的运动形式以滚子的运动表示出来，从而获得预期的定位和夹紧工件的运动。

动力头机构由对心直动滚子从动件盘形凸轮机构通过杠杆控制弧形齿条的的运动，再由弧形齿条与齿轮、齿轮和齿条的啮合传动控制钻头的来回往复运动。

整个过程就是工件被送料机推入加工位置，此时定位夹紧机构将被加工的工件可靠的固定住，钻头同时下降进行钻削，送料机构也同时后退。加工完成后钻头退回，这时新的工件被送料机构推入，从而重复的进行加工。

六 凸轮设计参数

6.1定位凸轮参数详见附图二 6.2定位凸轮运动分段图详见附图三 6.3定位凸轮运动分析图详见附图四 6.4进刀凸轮参数详见附图五 6.5进刀凸轮运动分段图详见附图六 6.6进刀凸轮运动分析图详见附图七

七 连杆机构运动学分析

7.1连杆三维图详见附图八 7.2连杆位置分析图详见附图九 7.3连杆速度分析图详见附图十 7.4连杆加速度分析图详见附图十一

八 设计总体三维图

8.1总体三维图详见附图十二

附录

附图一

定位凸轮基本参数图

附图三

定位凸轮的运动分段图

定位凸轮的运动分析图

附图五

进刀凸轮基本参数图

进刀凸轮的运动分段图

附图七

进刀凸轮的运动分析图

附图八

连杆运动三维图

附图九

连杆运动分析位置图

附图十

连杆运动分析速度图

附图十一

连杆运动分析加速度图

附图十二

半自动钻床总体设计三维图

总结

两个多星期的课程设计很快就过去了，虽然过程非常的辛苦，但是总的说来我得到了极大的收获。经历了之前的认识实习和金工实习，我对机械行业有了一定的感性的直观上的认识，而这次的课程设计则更多的给我理性上的认识，从更高的层面认识机械专业。

说实话，课程设计真的有点累。然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这两周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消。虽然这是我刚学会踏出的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多。

通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致。课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱，但想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯。

短短两周的课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用。这说明课程设计确实使我有收获了。

经过课程设计, 我对机械设计有了最初的一些印象。刚开始的时候，因为自己从来没有接触过机械设计，只是学习了基础的机械原理知识，所以感觉无从下手。后来在老师的耐心指导下，我在图书馆翻阅了各种资料，在网上也参考了很多这方面的资料，也才终于找到了下手的方法。

由于这次的设计内容比较的多，所以我深深的感受到了合作的重要性。在设计中我和同组的同学经常会遇到很多问题，自己根本没有办法解决，这时我们都会在一起讨论商量对策，这使我们的设计速度快了很多，也少走了很多的弯路。因为要作图的原因，这次设计让我好好的复习了之前学过的CAD 以及proe （当然也还有很多有用的软件对课程设计也有着很重要的帮助），同时提醒了我CAD 和proe 对我们机械专业的重要性。因为很多操作技巧都不是很熟练，所以一个很简单的图，往往要做很久，这告诉我以前学习的只是皮毛，自己还是要多多的练习和自学才可以。我相信在未来的发展中计算机辅助设计将是每个设计人员必

备的素质。

这次学习最重要的就是我第一次学会了如何把理论知识融入实践，如何用学过的知识逐个的解决自己在设计中遇到的各种问题。这对我以后参加设计工作，甚至是以后的就业都有极大的意义，对我以后工作的极大启蒙作用。同时在以后的工作中我也要摆正自己的心态，因为每个设计都是很辛苦的，都包含了设计者很大的心血，所以我一定要抱着谦虚的态度好好的学习。

最后非常感谢学校可以给我这次机会，我将在以后的学习中，运用好这次课程设计所学习到得知识和经验，更加好的，更加有目的性的学习理论知识。从实际运用方面，从计算机使用方面，从团队合作方面综合的提升和锻炼自己！

参考文献

1、机械原理课程设计手册（第二版）刘鸣岐等，重庆大学出版社

2、机械原理（第七版） 孙恒等，高等教育出版社

3、机械原理学习指南（第五版） 陈作模，高等教育出版社

4、贵州大学机械原理课程设计任务书