半自動鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)詳解

1、課程名稱：機(jī)械原理設(shè)計(jì)題目：半自動鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 系：機(jī)械系 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)及其自動化 學(xué) 號： 姓 名： 西南交通大學(xué) 2015年 11 月 20 日機(jī)械原理設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名 班級 學(xué)號設(shè)計(jì)題目： 半自動鉆床工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、設(shè)計(jì)題目簡介設(shè)計(jì)加工圖1所示工件12mm孔的半自動鉆床。進(jìn)刀機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)動力頭的升降，送料機(jī)構(gòu)將被加工工件推入加工位置，并由定位機(jī)構(gòu)使被加工工件可靠固定。圖1 加工工件二、  設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求方案號進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程mm定位機(jī)構(gòu)工作行程mm動力頭工作行程mm電動機(jī)轉(zhuǎn)速r/mm工作節(jié)拍（生產(chǎn)率）件/minD25201514002 三、

2、0; 設(shè)計(jì)任務(wù)1.半自動鉆床至少包括凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)在內(nèi)的三種機(jī)構(gòu)。2.設(shè)計(jì)傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。3. 圖紙上畫出半自動鉆床的機(jī)構(gòu)簡圖和運(yùn)動循環(huán)圖。4.凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。按各凸輪機(jī)構(gòu)的工作要求，自選從動件的運(yùn)動規(guī)律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對盤狀凸輪要用電算法計(jì)算出理論廓線、實(shí)際廓線值。畫出從動件運(yùn)動規(guī)律線圖及凸輪廓線圖。5. 確定電動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速；6. 用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，并畫出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。7. 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，說明書應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動模型建立過程以及效

3、果分析等。8.在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。四、設(shè)計(jì)提示1.鉆頭由動力頭驅(qū)動，設(shè)計(jì)者只需考慮動力頭的進(jìn)刀（升降）運(yùn)動。2. 除動力頭升降機(jī)構(gòu)外，還需要設(shè)計(jì)送料機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)。各機(jī)構(gòu)運(yùn)動循環(huán)要求見表4。3. 可采用凸輪軸的方法分配協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動。表4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動循環(huán)要求凸輪軸轉(zhuǎn)角10º20º30º45º60º75º90º105º270º300º360º送料快進(jìn)休止快退休止定位休止快進(jìn)休止快退休止進(jìn)刀休止快進(jìn)快進(jìn)快退休止完成日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師 五、設(shè)計(jì)工作原理5

4、.1機(jī)構(gòu)的工作原理該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動，通過變速傳動將電機(jī)的1400r/min降到主軸的2r/min，與傳動軸相連的凸輪機(jī)構(gòu)控制送料，定位，和進(jìn)刀等工藝動作，通過齒輪傳動帶動齒條上下平穩(wěn)地運(yùn)動，這樣動力頭也就能帶動刀具平穩(wěn)地上下移動從而保證了較高的加工質(zhì)量，簡圖如下：六、功能分解圖，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作6.1功能分解圖如下圖6.2執(zhí)行構(gòu)件的選擇1.減速傳動功能選用經(jīng)濟(jì)成本相對較低，結(jié)構(gòu)簡單，傳動比大的特點(diǎn)，可滿足具有較大傳動比的工作要求，我們這里就采用皮帶輪來實(shí)現(xiàn)我設(shè)計(jì)的傳動。方案一（選用） 選用的裝置具有經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1400r/min，而選用設(shè)計(jì)要求的主軸轉(zhuǎn)速為2r/min。

5、，通過變速傳動將電機(jī)的1400r/min降到主軸的2r/min，使得實(shí)現(xiàn)每秒2個工作節(jié)拍。方案二 用定軸輪系減速傳動。由于傳動比=輸入轉(zhuǎn)速1400/輸出轉(zhuǎn)速2=700傳動比過大，故用二級減速傳動。其中帶傳動起過載保護(hù)作用。此機(jī)構(gòu)雖然可以是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的緩慢下降，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。2.送料功能由于我們設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要有間歇往復(fù)的運(yùn)動，有當(dāng)凸輪由近休到遠(yuǎn)休運(yùn)動過程中，定位桿就阻止了工件滑動，當(dāng)凸輪由遠(yuǎn)休到近休運(yùn)動過程中可通過兩側(cè)的彈簧實(shí)現(xiàn)定位機(jī)構(gòu)的回位，等待送料，凸輪的循環(huán)運(yùn)動完成了此功能。方案一（選用） 其較方案一結(jié)構(gòu)簡單，但由于缺少杠桿，其完成快進(jìn)、休止和快退的動作，如果行程較大，為達(dá)到壓力角要求

6、，要求凸輪基圓半徑較大，不利于遠(yuǎn)距離的運(yùn)動傳遞，使制造成本升高，機(jī)構(gòu)笨重。 方案二 采用一個凸輪機(jī)構(gòu)來完成送料機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動。通過凸輪機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿滑塊實(shí)現(xiàn)送料時(shí)的快進(jìn)、休止和快退的動作。由于采用了杠桿，故其能夠完成送料的較大傳動距離。3.定位功能方案一（選用） 結(jié)構(gòu)簡單，但由于缺少杠桿，無法對工件施加較大的力。而且如果行程較大，為達(dá)到壓力角要求，要求凸輪基圓半徑較大，不利于遠(yuǎn)距離的運(yùn)動傳遞，使制造成本升高，機(jī)構(gòu)笨重。方案二 通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位夾緊時(shí)的休止、快進(jìn)及夾緊和快退的動作。由于采用了杠桿，夾緊裝置可對工件施加較大的夾緊力保證完成定位夾緊的功能。4.進(jìn)刀功能 采用凸輪的循環(huán)運(yùn)動，推動滾子使

7、滾子擺動一個角度，在杠桿的另一端焊接一個圓弧齒輪，圓弧齒輪的擺動實(shí)現(xiàn)齒輪的轉(zhuǎn)動，齒輪的轉(zhuǎn)動再帶動動力頭的升降運(yùn)動實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀。方案一 采用一個直動滾子從動件盤行凸輪機(jī)構(gòu)并結(jié)合滑塊導(dǎo)桿傳遞齒輪齒條機(jī)構(gòu)。進(jìn)刀時(shí)，凸輪在推程階段運(yùn)行，其通過機(jī)構(gòu)傳遞帶動齒輪齒條嚙合，進(jìn)而帶動動力頭完成鉆孔。導(dǎo)桿垂直移動的距離即為齒輪弧轉(zhuǎn)動的角度，且齒輪齒條傳動具有穩(wěn)定性。方案二（選用） 采用一個凸輪機(jī)構(gòu)來傳遞齒輪齒條機(jī)構(gòu)。其比方案一簡單，但由于沒有杠桿，所以不能傳動很大的范圍。七、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程及尺寸計(jì)算1送料凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)采用如下分析凸輪機(jī)構(gòu)采用直動滾子端面柱體凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸

8、，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得我們所需要的運(yùn)動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè)計(jì)如下:設(shè)計(jì)基圓半徑r0=40mm,凸輪轉(zhuǎn)角=0°-30°,送料機(jī)構(gòu)快進(jìn),推桿行程h=25mm；凸輪轉(zhuǎn)角=30°-45°,送料機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm；凸輪轉(zhuǎn)角=45°-90°, 送料機(jī)構(gòu)快退,推桿行程h=-25mm；凸輪轉(zhuǎn)角=90°-360°, 送料機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm；2.進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) (1).由進(jìn)刀規(guī)律，我們設(shè)計(jì)了凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，又以齒輪齒條的嚙合來實(shí)現(xiàn)刀頭的上下運(yùn)動

9、；(2).用凸輪擺桿機(jī)構(gòu)和直齒條所構(gòu)成的同一構(gòu)件，凸輪擺桿從動件的擺動就可以實(shí)現(xiàn)齒條的上下擺動，從而實(shí)現(xiàn)要求；采用滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸.刀具的運(yùn)動規(guī)律就與凸輪擺桿的運(yùn)動規(guī)律一致；(3).弧形齒條所轉(zhuǎn)過的弧長即為刀頭所運(yùn)動的的距離。具體設(shè)計(jì)步驟如下：1.根據(jù)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)規(guī)律,設(shè)計(jì)凸輪：基圓半徑r0=40mm；凸輪轉(zhuǎn)角=0-60°,刀具休止，推桿行程h=0mm；凸輪轉(zhuǎn)角=60°-270°，刀具快進(jìn)，推桿行程h=15mm；凸輪轉(zhuǎn)角=270°-300°, 刀具快退，推桿行程h=-15mm； 凸輪轉(zhuǎn)角=

10、300°-360°刀具休止，推桿行程h=0mm2. 設(shè)計(jì)齒條齒輪,根據(jù)刀頭的行程和凸輪的擺角,設(shè)計(jì)出圓形齒輪的半徑r=60mm,模數(shù)m=1，齒數(shù)z=60，兩個齒條的模數(shù)m=1，齒數(shù)z=25，兩個齒條與齒輪嚙合。 齒輪材料：齒輪采用45號鋼，軟齒面，齒輪調(diào)制處理。齒面硬度：為217-255HBW,平均硬度為236HBW；齒輪強(qiáng)度極限為650MPa，齒輪的屈服極限為360MPa；齒輪齒面平均硬度差為46HBW，在30-50HBW范圍內(nèi)。齒條正火處理，齒面硬度為162-217HBW，平均硬度為190HBW。按GB/T100951998，均選擇8級精度。 （1）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

11、因?yàn)槭擒淉X面閉式傳動，故按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪傳動： 齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： 設(shè)計(jì)時(shí)，因v值未知，K不能確定，初??； 由機(jī)械設(shè)計(jì)中表10-7取齒寬系數(shù)； 表10-5查得彈性系數(shù) ； 圖10-20選取區(qū)域系數(shù)； 式10-9計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù) 齒條,齒輪 （2）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 由圖10-25d得接觸疲勞極限應(yīng)力=600MPa =550MPa ; 式10-15計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 圖10-23查取接觸疲勞壽命系數(shù) , 取安全系數(shù)S=1， , ??； 初算齒輪的分度圓直徑，得 =59.86mm<60mm 所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。（3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 選=1.55 m=1 由

12、機(jī)械設(shè)計(jì)中式10-5計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù) 由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-17查得齒形系數(shù),由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-18查得應(yīng)力修正系數(shù) ， 由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-24c查得彎曲疲勞極限，齒輪，齒條由機(jī)械設(shè)計(jì)中圖10-22查得得彎曲疲勞壽命系數(shù):.,取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.25 (1%失效概率) 因?yàn)? 所以齒根齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。 3.定位凸輪推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：凸輪機(jī)構(gòu)采用直動滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸，實(shí)現(xiàn)定位功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得我們所需要的運(yùn)動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè)計(jì)如下:設(shè)計(jì)基圓半徑r

13、0=40mm；凸輪轉(zhuǎn)角=0°-10°,定位機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm；凸輪轉(zhuǎn)角=10°-30°,定位機(jī)構(gòu)快進(jìn),推桿行程h=20mm；凸輪轉(zhuǎn)角=30°-50°,定位機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm；凸輪轉(zhuǎn)角=50°-90°,定位機(jī)構(gòu)快退,推桿行程h=-20mm；凸輪轉(zhuǎn)角=90°-360 ,定位機(jī)構(gòu)休止，推桿行程h=0mm。（定位機(jī)構(gòu)與凸輪的進(jìn)退是相反的）4皮帶輪的計(jì)算: 皮帶輪參數(shù)名稱皮帶輪1皮帶輪2皮帶輪3半徑（mm）101050半徑（mm）25028050齒輪參數(shù)模數(shù)（mm）壓力角（°）齒數(shù)（個

14、）直徑（mm）直齒輪1206060錐齒輪32024725. 軸的強(qiáng)度計(jì)算以及軸承的選擇1.因?yàn)檫@個主軸是以轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸，所以我采用按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的方對軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。選擇軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度217255HBS。由表查得許用應(yīng)力=59MPa。電動機(jī)數(shù)據(jù) Y80S-4 額定功率P=1.1KW 滿載n=1400r/minT 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩(Nmm)； 軸的抗扭截面系數(shù)(mm3) 由于我采用的是實(shí)心軸P 軸傳遞的功率(kW)； n 軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；T 許用切應(yīng)力(MPa)d=8.6*1.03=19mm d取20mm當(dāng)截面上有鍵槽時(shí)，可按圓軸計(jì)算，并適當(dāng)增大軸徑。對于直徑小于100的軸，單鍵增大57%，雙鍵增大1015%；對于直徑大于100的軸，單鍵增大3%，雙鍵增大7%。2.滾動軸承的優(yōu)勢 摩擦阻尼小(相對于非液體摩擦滑動軸承)，啟動靈活； 可同時(shí)承受徑向和軸向載荷，簡化了支承結(jié)構(gòu)； 徑向間隙小，還