半自动钻床工作机构设计详解

1、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e 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。图1加工工件设计数据与要求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 /minD25201514002三、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

2、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 SOLIDWORK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

3、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。完成日期：年 月 日指导教师表4机构运动循环要求凸轮轴转角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

4、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，简电动机六、功能分解图，执行机构动作6.1功能分解图如下图$ 速 齿 轮 机 构送料机检功能送料，定位夹紧，f定位夹紧机构功能f 进刀KB凸轮机构 协调工诈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

5、 2个工作节拍。万案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。万

6、案一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。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

7、再带动动力头的升降运动实现进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。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

8、构简单紧凑。具体设计如下：设计基圆半径r0=40mm,凸轮转角入=0° -30 ° ,送料机构快进,推杆行程h=25mm凸轮转角入=30° -45 ° ,送料机构休止,推杆行程h=0mm凸轮转角入=45° -90 ° ,送料机构快退,推杆行程h=-25mm凸轮转角入=90° -360 ° ,送料机构休止,推杆行程h=0mm2. 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

9、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：1.根据进刀机构的工作循环规律，设计凸轮：基圆半径ro=40mrp凸轮转角入=0-60 ° ,刀具休止，推杆行程h=0mm凸轮转角入=60° -270。，刀具快进，推杆行程h=15m;凸轮转角入=270° -300 ° ,刀具快退，推杆行程h=-15mm凸轮转角入=300° -360。刀具休止，推杆行程h=0mm2.设计齿条齿轮，根据刀头的

10、行程和凸轮的摆角，设计出圆形齿轮的半径r=60mm模数m=1齿数z=60，两个齿条的模数 m=1齿数z=25，两个齿条与齿轮啮合。齿轮材料：齿轮采用45号钢，软齿面，齿轮调制处理齿面硬度：为217-255HBW平均硬度为236HB0齿轮强度极限为650MPa齿轮的屈服极限为360MPa齿轮齿面平均硬度差为46HBW在30-50HBW范围内。齿条正火处理，齿面硬度为 162-217HBV，平均硬度为190HBW按GB/T1009A 1998,均选择8级精度。(1)齿面接触疲劳强度计算因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度设计齿轮传动:3d12KT u 1(ZhZeZ)2厂(h)齿轮传递的转矩

11、:9.55 106 PT1n69.55 10101 105N?mm960设计时，因v值未知，K不能确定,初取Kt 1.4；由机械设计中表10-7取齿宽系数d 1.1 ；i表10-5查得弹性系数ZE 1898一 MPa ；图10-20选取区域系数Zh 2.5 ；式10-9计算接触疲劳强度用重合度系数Zala2齿条乙25,齿轮乙arcco$ Z1COS乙arccoSZzeosZ2602ha2hZ 1 tan a1 - tan/25 tan 30 - tan 2044 倔 0.8533arccoS25 cos20 25 arccoS60 cos20 tan a2 - tanZ260tan 25 -

12、tan 20302521.83计算接触疲劳许用应力 由图10-25d得接触疲劳极限应力 H lm 1 =600MPa H lim 2 =550MPa ;式10-15计算应力循环次数:9Ni 60njLh 4.147 109 .9N2 N1 u 4.417 10 60 25 1.84 10图10-23查取接触疲劳寿命系数Khn1 0.9, Khn2 0.95取安全系数S=1,h1K HN 1 Hlim 10.9600S 1540MPa,H 2宁 522MPa取 h h 2 522MPa ；初算齿轮的分度圆直径d1，得2KU 1 (ZhZeZ )2 u h1 52 1.4 1 1060 25 1I

13、1.160 2522.5 189.8 0.85 =59.86mm<60mm522所以齿面接触疲劳强度满足要求(3)齿根弯曲疲劳强度校核2KfT YFa YsaYF32d m zi5选 Kf=1.55 t 1 10 N ? mm1.1 m=160由机械设计中式10-5计算弯曲疲劳强度用重合度系数 Y0.250.750.25 0750.661.83由机械设计中图10-17 查得齿形系数 Y Fa1 2.63，丫Fa2 2.13由机械设计中图10-18查得应力修正系数丫訥 1.58， Ysa21.65由机械设计中图10-24c查得弯曲疲劳极限，齿轮Fl-1 220MPa，齿条 Flim 217

14、0 MPa由机械设计中图10-22查得得弯曲疲劳寿命系数:.KFN1 ，KFN2 1取弯曲疲劳安全系数S=1.25 （1%失效概率）F1f1K FN 1Flim 1S一20 仃 6MPa1.25K FN 2Flim 2S2KfT YFa1Ysa1Yf21 170 136MPa1.2532dm Z152 1.55 10 2.63 1.58 0.66321.1 1 60 145.43MPa2KfT YFa2Ysa2YF232dm zi52 1.55 102.13 1.65 0.661.1123.01MPa因为 F13 J1 6015F2所以齿根齿根弯曲疲劳强度满足要求。3. 定位凸轮推杆机构的设计

15、: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凸轮转角入=0° -10 ° ,定位机构休止,推杆行程h=0mm凸轮转角入=10° -30 ° ,定位机构快进,推杆行程h=20mm凸轮转角入=30° -50 ° ,定位机构休止,推杆行程h=0mm凸轮转角入=50° -90 ° ,定位机构快退，推杆行程h=-20mm

16、凸轮转角入=90° -360 ,定位机构休止，推杆行程h=0mm（定位机构与凸轮的进退是相反的）4. 皮带轮的计算：皮带轮参数名称皮带轮1皮带轮2皮带轮3半径(mm)101050半径(mm)25028050齿轮参数模数（mm）压力角（°）齿数（个）直径（mm）直齿轮1206060锥齿轮32024725. 轴的强度计算以及轴承的选择1.因为这个主轴是以转矩为主的传动轴，所以我采用按扭转强度计算的方对轴的强度进行计算。选择轴的材料为45号钢，调质处理，硬度217255HBS由表查得许用应力T=59MPa电动机数据 Y80S-4额定功率P=1.1KW满 载 n=1400r/min

17、TWt9.55 106P/nWttT 轴传递的转矩（N?mm）WT 轴的抗扭截面系数（mm3）由于我米用的是实心轴WTd 3/160.2d 3P 轴传递的功率（kW）;n 轴的转速（r/min）；T 许用切应力(MPa),9.5510 6 Pd 3 'V 0.2 TnA 9.5510 6 / 0.2 T dminA3, P 200 3 1.1/1400 18.45mmd=8.6*1.03=19mm d 取 20mm100单键增当截面上有键槽时，可按圆轴计算，并适当增大轴径。对于直径小于 的轴，单键增大57%双键增大1015%对于直径大于100的轴, 大3%双键增大7%2.滚动轴承的优势摩擦阻尼小（相对于非液体摩擦滑动轴承），启动灵活；可同时承受径向和轴向载荷，简化