机械原理-半自动化钻床设计.docx

机械原理课程设计（半自动化钻床） 课 程 设 计（ 课 程 实 习 ）机械设计与制造主题实践(一) 院（系、部）： 机械工程学院 设计题目 半自动化钻床 姓 名： 同组成员： 班 级： 指导教师签名： 2012年07月05日·北京目 录1. 方案设计 31.1 设计要求3 1.1.1 设计题目及原始数据3 1.1.2 设计方案提示3 1.1.3 设计要求3 1.2工作原理42. 运动循环表和运动循环图 53.机构设计6 3.1 送料机构6 3.1.1 送料机构曲柄滑块机构6 3.1.2 送料机构对比机构7 3.2 定位机构9 3.2.1 定位机构凸轮-摩擦式棘轮机构9 3.2.2 定位机构对比机构10 3.3 进刀机构10 3.3.1 进刀机构平底凸轮机构10 3.3.2 进刀机构对比机构11 3.4 减速器机构12 3.4.1 减速器机构蜗轮蜗杆机构12 3.4.2 减速器对比机构124. 运动分析13 4.1 送料机构的运动分析13 4.2 定位机构的运动分析19 4.3 进刀机构的运动分析275. 动力分析31 5.1 计算等效阻力矩Mr31 5.2 计算等效驱动力矩Md32 5.3 计算最大盈亏功32 5.4 计算飞轮的最大转动惯量33 5.5 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12mm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/minA40301514501B35252014002C30201096011.1.2 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凸轮轴转角10º20º30º45º60º75º90º105º270º300º360º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3. 可采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；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。电机1.2 工作原理减速箱运动分支送料机构定位机构进刀机构工作原理图该系统由电机驱动，通过变速传动将电机的1400r/min降到主轴的2r/min，与传动轴相连相连的各机构控制送料，定位和进刀等工艺动作，主轴的2r/min到各个工作之间通过齿轮、齿条等连接最后还是2r/min。经过讨论分析，我组决定进料机构采用曲柄导杆机构，该机构由牛头刨床切削机构改装而成的，定位机构和进刀机构均采用凸轮机构。考虑到所有的机构运动均在同一面上，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和加紧定位机构是是有一个齿轮加以控制的，减少了齿轮传动机构的设计和加工，同时减少了传输的积累误差。图1 工作原理示意图2 运动循环表和运动循环图根据我们设计送料、定位和进刀方案设计出了如下图的运动循环表，以使方案优化，我们采用老师给的方案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10º140º150º220º280º290º350º360º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由运动循环表可以得到运动循环图，见图2： 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-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，可以通过连杆作用将工作行程放大，机构的急回特性可以节约时间。图3 进料机构示意图根据要求，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°-140º）/140°=11/7=1.5714得K=1.57.设置主动杆即曲柄的长度为10mm.利用图解法设计，取比例尺=1mm/1mm.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B1CB2=140°画出主动杆两个极限位置 根据极限位置的时候曲柄和连架杆的夹角为90°,即AB1C=90°，AB2C=90°，做两条直线交与一点A。 由行程为D1D2=40mm，做直线分别于AB1和AB2交与点D1和D2。 由CAD可以测量到H1=25.71150439mm,H2=29.238044mm,由此确定了进料机构的所需要的尺寸图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并且导杆占用横向空间比较大。对比结构二：盘形凸轮机构（平底或滚子的）该机构可以实现间歇运动，但是由于送料行程比较大，所制造的凸轮的轮廓较大。并且凸轮的制造和安装要求比较高。对比结构三：圆柱凸轮机该机构能实现间歇运动并且所占用的体积也比较小而且可以解决大行程的问题，但是该结构制造和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复杂且不易安装，误差积累比较大，且还要考虑压力角的问题，个人感觉计算还挺麻烦的。3.2 定位机构 3.2.1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，不会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，以使得工件可以完全被压紧，假如说工件的尺寸不是很规范，高度略高或者是略低，都可以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，此时凸轮处于远休，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，不会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会出现柔性或刚性冲击；（3） 用杠杆传动力，可以实现力的放大，但是本设计中仍采用的力矩之比为1:1；（4） 采用平底机构，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 3.2.2 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对比机构二：凸轮机构该机构可以实现间隙运动，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。对比机构三：平底或滚子凸轮该机构在凸轮远休的时候可以实现试件的加紧，但是如果说试件制造比实际的较矮，则会造成试件不被加紧；如果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-平底凸轮机构该机构要求有间歇运动且为连续运转，所以设计凸轮结构比较合适，设计为平底凸轮比较简单，就是采用的平底凸轮机构，这样大大减小了机构的制造成本；机构简单，减小了传动的积累误差；平底设计，使得压力角始终为零，增大力的传输比图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-杠杆-扇形齿轮-齿轮-齿条来传动动力，所使用的机构虽然稳定性能比较高，也可以通过杠杆是凸轮轮廓得到放大，但是零件使用的比较多，积累的误差比较大，如果将齿轮轮廓放大，同时也会是力传输率降低。如果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 减速器机构蜗轮蜗杆机构利用二级蜗轮蜗杆来实现变速，将1400r/min减为2r/min，由于传动比为700，比较大，并且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：Z1=3，Z2=80、Z3=4、Z4=105、模数为2由齿轮的传动比的计算可以得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可以从1.2到几千，但是外面的尺寸和重量很大；并且该轮系的传动效率很低，并且随着的增加而急速下降且制造困难，传递功率10kW,一般不用此轮系做动力传动。当行星架从动时，从某一数值起会发生自锁。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0.970.99,很高，并且体积小、重量轻、结构简单、制造方便，可以用于各种工况条件下，在机械传动中应用最广。但是单机传动比范围较小，一般在1.13到13.7之间，所以这里要的传动比在700，需要多级传动才可以，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0.970.99，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可以是150，一般用525，可以用于各种工况条件，但是制造工艺比较复杂，而且由题意可以得知传动比为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1由正弦定理得： 公式2由设计可知： 公式3将公式1和公式2带路公式3得到 公式4将公式4在MATLAB中求一次微分得到V:命令：syms t ;h1=5;h2=7;l1=9;w=5;dx_dt=diff(h1+h2)*tan(asin(l1*sin(pi/2+w*t)/(l12+h22-2*l1*h2*cos(pi/2+w*t)0.5),t,1)运行结果为：dx_dt = -540*sin(5*t)/(130+126*sin(5*t)(1/2)/(1-81*cos(5*t)2/(130+126*sin(5*t)(1/2)-34020*cos(5*t)2/(130+126*sin(5*t)(3/2)/(1-81*cos(5*t)2/(130+126*sin(5*t)(1/2)-54*cos(5*t)/(130+126*sin(5*t)(1/2)/(1-81*cos(5*t)2/(130+126*sin(5*t)(3/2)*(810*cos(5*t)/(130+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(),并且将t替换为/，带入excel中可以运行得到V的相关数据，详见表2。将公式4在MATLAB中进行二次微分，可以得到加速度a:命令为：syms t ;h1=25.71150439;h2=29.238044;l1=10;w=2/30*pi;dx_dt=diff(h1+h2)*tan(asin(l1*sin(pi/2+w*t)/(l12+h22-2*l1*h2*cos(pi/2+w*t)0.5),t,2)运行结果为：dx_dt = -3866730713334079/1583296743997440*cos(1/15*pi*t)*pi2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)+19888959003231586648699840834511/9284550294640352061743431680*sin(1/15*pi*t)*pi2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(3/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)*cos(1/15*pi*t)+3866730713334079/105553116266496*sin(1/15*pi*t)*pi/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(3/2)*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(1/15*pi*t)3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)2*pi)+102301070221449928389106432447337821311058920799/163335536122050462462419811567248741498880*cos(1/15*pi*t)3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(5/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)*pi2+19888959003231586648699840834511/1856910058928070412348686336*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(3/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(3/2)*pi*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(1/15*pi*t)3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)2*pi)+58000960700011185/140737488355328*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(5/2)*(40/3*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)*sin(1/15*pi*t)*pi+25718055481141045/6597069766656*cos(1/15*pi*t)3/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)2*pi)2-19333653566670395/70368744177664*cos(1/15*pi*t)/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(1/2)/(1-100*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)(3/2)*(-8/9*sin(1/15*pi*t)2*pi2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)-25718055481141045/19791209299968*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)2*sin(1/15*pi*t)*pi2+8/9*cos(1/15*pi*t)2/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)*pi2-26456735109241957905266207347681/87042659012253300578844672*cos(1/15*pi*t)4/(8399065679741231/8796093022208+5143611096228209/8796093022208*sin(1/15*pi*t)3*pi2) 处理方法和求V的时候一样，最后带入excel中求的a的相关数据，见表2.表2 送料机构运动分析数据L2xva030.9008611118.8817212318.79385242-0.774420872-0.63151985531.7147991618.307115418.18039634-0.717219076-0.8429365181032.5023980417.6376037517.47072471-0.6613787351.2213837821533.2597424816.883037416.67718121-0.6075666110.1863895962033.9832784916.0523887315.81091833-0.556204381-0.0675613672534.6697828615.153828514.88192277-0.507522721-0.761793563035.3163369714.194805113.89907228-0.461607282-0.4837286783535.9203045513.182122212.8702126-0.4184364781.0931785294036.4793128412.1220128611.80224598-0.3779116780.1422463384536.9912368111.0202088810.70122522-0.339880739-0.095601315037.454185889.8820051279.572448727-0.304155908-0.9026267485537.866492948.7123187358.420553809-0.270527101-0.0709217526038.226705257.5157434927.249606345-0.2387714730.9507509896538.5335776.2965998786.063186008-0.2086600760.1061512577038.786063235.0589812254.864466651-0.179962251-0.1294063287538.983315063.8067965653.656292034-0.152448302-1.0464880138039.124675912.5438107412.441247319-0.1258908620.3499668398539.209678721.2736823391.221726991-0.1000653060.8078625999039.2380441.78818E-151.71496E-15-0.0747494570.0763676069539.20967872-1.273682339-1.221726991-0.049722801-0.17066452610039.12467591-2.543810741-2.441247319-0.024765373-1.18127815310538.98331506-3.806796565-3.6562920340.0003435530.73153009611038.78606323-5.058981225-4.8644666510.0258268490.67347646211538.533577-6.296599878-6.0631860080.0519108780.05130521512038.22670525-7.515743492-7.2496063450.078826672-0.221202612537.86649294-8.712318735-8.4205538090.10681081-1.28989052313037.45418588-9.882005127-9.5724487270.1361058151.03538863713536.99123681-11.02020888-10.701225220.1669598540.5525960514036.47931284-12.12201286-11.802245980.1996254460.02950857514535.92030455-13.1821222-12.87021260.234356827-0.28293629715035.31633697-14.1948051-13.899072280.271405493-1.35089823915534.66978286-15.1538285-14.881922770.3110133261.2397032216033.98327849-16.05238873-15.810918330.353402590.44731183116533.25974248-16.8830374-16.677181210.3987618940.00962730317032.50239804-17.63760375-17.470724710.447227107-0.35775269917531.71479916-18.3071154-18.180396340.498856074-1.34102539218030.90086111-18.88172123-18.793852420.5535959621.34101342718530.06489561-19.35062201-19.297578020.6112421310.35777130819029.21165103-19.70201768-19.676969920.671387841-0.00962290819528.34635716-19.92308437-19.916502670.733364756-0.44728973220027.47477419-20-200.796175572-1.23973772520526.60324398-19.91804465-19.911034540.8584220621.35090491521025.73874078-19.66181069-19.633475720.9182348190.28295173421524.88891632-19.21556756-19.152199530.973214923-0.02950389222024.06213143-18.56383456-18.453961571.020402561-0.55257033522523.26746298-17.69221932-17.528416131.056292775-1.03544680523022.51467065-16.58857268-16.36923921.0769227141.28991065423521.81410431-15.24448451-14.975283711.0780559920.22121527524021.1765304-13.65708869-13.351664221.055484942-0.05129994724520.6128571-11.83105224-11.510642681.005457182-0.67344735225020.13374613-9.780497402-9.4721742050.925206442-0.73160909725519.74911595-7.530473356-7.2639794070.8135297481.1813065326019.4675671-5.11751087-4.921044580.6713113210.17067487826519.29579044-2.588831892-2.484511620.501863539-0.07636143627019.238044-7.29438E-15-6.99568E-150.310957412-0.8078308627519.295790442.5888318922.484511620.106464227-0.35005965228019.46756715.117510874.92104458-0.1023778941.04652020528519.749115957.5304733567.263979407-0.3059528590.12941478429020.133746139.7804974029.472174205-0.495314946-0.1061438429520.612857111.8310522411.51064268-0.663087119-0.95071816830021.176530413.6570886913.35166422-0.8040526690.07082524330521.8141043115.2444845114.97528371-0.9153759110.90265943931022.5146706516.5885726816.3692392-0.9964808920.09560827231523.2674629817.6922193217.52841613-1.048681069-0.14223729632024.0621314318.5638345618.45396157-1.074676935-1.09314718232524.8889163219.2155675619.15219953-1.0780288230.48363945933025.7387407819.6618106919.63347572-1.0626828570.76182455233526.6032439819.9180446519.91103454-1.0325936540.06756719934027.474774192020-0.991457612-0.18637851834528.3463571619.9230843719.91650267-0.942549889-1.2213576135029.2116510319.7020176819.67696992-0.8886467790.84286387635530.0648