机械原理课程设计半自动钻床

1、课程设计课程名称： 半自动钻床 学 院： 机械学院 专 业： 机电 姓 名： 赵正杨 学 号： 0908030332 年 级： 09级 任课教师： 余述凡 2012年 1 月 4 日目录设计任务3-4一、整个系统各方面的原理5-7二、功能分解图与执行机构动作8-10三、运动方案的比较与选择11-17四 、运动循环图 18五 、执行机构设计过程及尺寸计算19-23六 、系统机构运动总体方案图24七、凸轮设计分段图轮廓图和设计结果25-20八、机构运动分析计算机辅助设计流程框图31九、程序清单（主程序和子程序）32-38小结，参考资料39设计任务书半自动钻床一、设计题目及原始数据设计加工所示工件1

2、2mm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/minb35252014002二、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凸轮轴转角10203045607590105270300360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

3、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。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；一、整个系统各方面的原理一.整个系统的工作原理:该系统由电机驱动，通过行星轮系将电机的1400r/min降到主轴

4、的1r/min，与传动轴相连的各机构控制送料、定位、夹紧和进刀等工艺动作，最后由凸轮机构通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这样动力头也就能平稳地上下移动从而保证了较高的加工质量，具体的选择原理和工作原理如下：二.原动机的选择原理2.1原动机原动机泛指利用能源产生原动力的一切机械。2.2原动机的分类原动机的种类按其输入能量的不同可以分为两类：a一次原动机 此类原动机是把自然界的能源直接转变为机械能，因此称为一次原动机。属于此类原动机的有柴油机、汽油机、汽轮机和燃汽轮机等。b二次原动机 此类原动机是将发电机等变能机所产生的各种形态的能量转变为机械能，因此称为二次原动机。属于此类原动机的有电动机、

5、液压马达、气动马达、汽缸和液压缸等。2.3原动机的输出运动形式 a 转动 具有这种输出运动形式的原动机有电动机、液压马达、气动马达、柴油机、汽油机、汽轮机和燃气轮机等。 b 往复运动 具有这种输出运动形式的原动机有直线电动机、气缸、液压缸。 c 往复摆动 具有这种输出运动形式的原动机有摆动油缸、摆动气缸。2.4选择原动机时需考虑的因素：a：必须考虑到现场能源的供应情况。b：必须考虑原动机的机械特性和工作制度与工作机相匹配。c：必须考虑工作机对原动机提出的起动、过载、运转平稳性、调速和控制等方面的要求。d：必须考虑工作环境的因素。e：必须考虑工作可靠，操作简易，维修方便。f：为了提高机械系统的经

6、济效益，必须考虑经济成本：包括初始成本和运转维护成本。此外，所选原动机的额定功率必须满足负载需要，但也不宜过大。对电动机来说所选电动机功率过大造成功率因数过低也是不经济的。综上所述，在半自动钻床中最益选择二次原动机中的电动机作为原动件。三.传动机构的选择和工作原理3.1机械系统中传动机构的作用 机械系统中的传动装置是指把原动机输出的机械能传递给执行机构并实现能量的分配、转速的改变和运动形式的改变等作用的中间装置，其作用有：a：把原动机输出的速度降低或提高，以适应执行机构的需要。b：用原动机进行调速不经济和不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常调速的要求c：把原动机输出的转矩变换为执行机构所需

7、的转矩或力。d：把原动机输出的等速回转运动转变为执行机构所要求的，其速度按某种规律变化的回转或非回转运动。e：实现由一个或多个动力机驱动若干个速度相同或不同的执行机构。f：由于受机体的外形、尺寸的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与原动机直接联接时，也需要用传动装置来联接。3.2传动类型选择的原则a：对于小功率传动，应在考虑满足性能的需要下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用。b：对大功率传动，应优先考虑传动的效率、节约能源、降低运转费用和维修费用。c：当执行机构要求变速时，若能与动力机调速比相适应，可直接连接或采用定传动比的传动装置；当执行机构要求变速范围大。用动力机调速不能满

8、足机械特性和经济性要求时，则应采用变传动比传动；除执行机构要求连续变速外，尽量采用有级变速。 d：执行机构上载荷变化频繁，且可能出现过载，这时应加过载保护装置。e：主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。f：动装置的选用必须与制造水平相适应，尽可能选用专业厂生产的标准传动装置，如减速器、变速器和无级变速器等。在本设计要求中，要将电动机1400r/min的转速降到2r/min，采用采用齿轮一级一级的降速，将会使降速装置比较庞大，而且功率损失较大，对能量的利用将会大大打折扣，考虑到经济、传动效果和节能，宜采用具有较高传动比的行星轮系。二功能分解图与执行机构动作一、功能分解图如下图图2-1二、

9、绘制机械系统运动转换功能图2-2三.执行构件的选择 1.减速传动功能在满足设计要求的情况下，应该选用经济成本相对较低，而且具有传动效率高,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，故这里就采用行星轮系来实现传动。2.进料功能进料只需把料送到，无需间歇，加上为了方便进行运动分析，因此采用了6杆机构（正置曲柄摇杆机构）3.定位功能由于我们设计的机构要有间歇往复的运动，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，定位杆就阻止了工件滑动，当凸轮由近休到远休运动过程中，等待送料，凸轮循环运动完成每加工一工件实现定位一次。4.夹紧功能 在工件送到后，须得夹紧，然后才能加工，为了

10、实现这一功能，我们采用盘型凸轮滚子推杆机构，推杆顶端加一v型槽，从近休到远休，实现夹紧，远休到近休，由弹簧实现复位。5.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扇齿，扇齿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，从而实现进刀功能。四.用形态学矩阵法创建机械系统运动方案根据系统的运动转换功能图（图2-2）可构成形态学矩阵如表（表2-3）。由表3-3所示的形态学矩阵可以求出半自动钻床系统运动方案数为： 333333729根据功能原理，工艺分解过程及执行机构的选择，确定了以下运动

11、方案，图2-3三运动方案的比较与选择方案的分析与比较：a减速机构：行星轮系；如图3-1图3-1a减速对比机构：定轴轮系；如图3-2 图3-2总结： 由于电动机的转速是1400r/min，而设计要求的主轴转速为2r/min，定轴轮系所用的齿轮半径大，齿数多，齿轮体积庞大，传动效率低，安装不便，且不经济，所以宜采用体积小，结构紧凑，传动比大，效率高，比较经济的行星轮系。b送料机构：6杆机构；如图3-3 图3-3b送料对比机构：曲柄滑块；如图3-4 图3-4总结：由于我们设计的送料方案中，送料时间与回程时间相等，不用考虑快进慢回、间歇，且由于设计的钻床在空间上传动轴之间的距离大，故一般四杆机构很难实

12、现这种远距离的运动。再加上用四杆机构在本设计中在轴线尺寸上很小。所以考虑到所设计的机构能否稳定地运行，因此优先选用了如3-3所示的六杆机构。说明：曲柄逆时针转动，机构送料，送到后，曲柄继续转，滑块退出，以此循环。c定位机构：凸轮机构；如图3-5 图3-5c定位对比机构：弹力急回间歇机构；如图3-6图3-6总结：弹力急回间歇机构来代替直动滚子从动件盘型凸轮，它是将旋转运动转换成单侧停歇的往复运动。这样也可以完成实际要求，但是为了使设计的机构结构紧凑，又能节省材料，所以还是选直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。说明：远休到近休，先有一段空行程，然后由弹簧夹紧，并保持设计所需要的定位时间，然后近休到远

13、休，定位杆退出，以此循环。d夹紧机构：凸轮机构；如图3-7d夹紧对比机构：不完全齿轮+齿条机构；如图3-8总结：一开始我们采用不完全齿轮+齿条机构，这虽然能满足设计要求，但是与凸轮机构相比，有一些缺点，首先，凸轮好加工，价格便宜，能较好地满足系统的要求，而齿轮齿条则难加工，并且性能不如凸轮好，所以我们最终采用凸轮机构。说明：凸轮近休到远休，实现夹紧，并保持夹紧时间，然后凸轮回程，由弹簧完成复位，以此循环。e进刀机构:凸轮+齿扇机构；如图3-9e进刀对比机构：凸轮+齿条机构；如图3-10总结：凸轮+齿条机构虽然能满足设计要求，但是与组合机构相比，存在不耐用的缺点，为了延长使用寿命，我们小组采用组

14、合机构。说明：凸轮近休到远休，实现空行程和加工，远休到近休，由弹簧实现复位。四 运动循环图经过我们几次细致的分析，考虑到已经加工的工件必须由第二个工件推出，因此定位杆不能和已经加工的工件发生干涉，因此定位杆须在已经加工的工件推出一半后才能伸进来，后两步须建立在此基础上。下图是运动循环图： 4-1 4-2五 执行机构设计过程及尺寸计算1.送料机构机构采用如下分析此为正置曲柄摇杆机构，即为夹角为0，即行程速比系数为1，无急回运动，画图如下： a点位置由功能轴和工作台的距离决定，取a点位坐标原点，我们假设曲柄ab为7，以ab为原点画半径为7的圆，又根据设计要求将此曲柄摇杆设计为正置曲柄摇杆，故在水平

15、两位置b1（左圆圆心）和b2（右圆圆心）取两个极限位置，并假设连杆bc为30，以b1为圆心画半径30的圆，以b2为圆心画半径为30的圆，两园与水平线交予c1和c2两点（图中2个圆与绿线交点），做c1c2的中垂线，则d点在c1c2的中垂线上。由公式h=l1*de/dc,由此可得，de与dc的比列为2.5，取dc为40，则de的尺寸定下来，为100，d点的坐标也定下来，得ad为49.51；最后数据为ab=7；bc=30；cd=40；de=100；ef=60（为适应程序，须大一些）；ad=49.51。计算过程：h=2*l1*de/dc;h=35mml1取7，de/de=2.5，dc取40，de=10

16、0;又 l1*l1+l0*l0=l2*l2+l3*l3l1：曲柄长度 l2：连杆长度 l3：摇杆长度（dc段） l0：机架长度取l2=30mm l3=40mm 算得l0=49.51mm图5-22.定位凸轮数据：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，就可以使推杆实现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=70mm,偏心距e=0,滚子半径r=15mm凸轮转角=0-100,定位机构休止,推杆行程h=0mm;凸轮转角=100-174,定位机构快进,推杆行程

17、h=30mm;凸轮转角=174-186,定位机构休止,推杆行程h=0mm;凸轮转角=186-260,定位机构快退,推杆行程h=-30mm;凸轮转角=260-360，定位机构休止，推杆行程h=0mm;3.夹紧凸轮数据：设计基圆半径r0=90mm,偏心距e=0,滚子半径r=15mm凸轮转角=0-168,夹紧机构休止,推杆行程h=0mm;凸轮转角=168-198,夹紧机构快进,推杆行程h=15mm;凸轮转角=198-324,夹紧机构休止,推杆行程h=0mm;凸轮转角=324-360,夹紧机构快退,推杆行程h=-15mm;4.进刀凸轮+摆杆机构数据： (1).由进刀规律，我们设计了凸轮+摆杆机构，又以

18、齿轮齿条的啮合来实现刀头的上下运动； (2).用凸轮摆杆机构和圆弧形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r0=15mm，中心距a=30mm，摆杆长度d=60mm，最大摆角为17, 刀具总行程h=17/360*100*6.28=29.7mm凸轮转角=0-150,=0;凸轮转角=150-185.71，刀具快进，=4.

19、4，行程=7.7mm凸轮转角=185.71-288；刀具加工工件，=12.6，行程=22mm凸轮转角=288-360，=0，刀具由弹簧牵引退回，行程29.7mm。2.设计圆形齿条,根据刀头的行程和凸轮的摆角,设计出圆形齿轮的半径r=mz/2=100mm；m=2；z（全齿）=100，现在取得齿数大于17对应的齿数，也就是17/360*100=4.725齿，可以取20齿。小齿轮m=2；z=20；r=20mm。5.行星轮系的计算:（1）用定轴轮系传动i =n（输入）/n（输出） = 700 （2）用行星轮系传动皮带轮1 r=900mm；皮带轮2 r=1400mm；z1=29 z2=30 z3=31

20、z4=30 传动比i4h=1/900 根据行星轮传动公式：i（4h）=1-i(41)h=1-（z3z1）/（z4z2）=1-31*29/30*30=1/900;由于我们b组是 2个/s，所以须得再加一个增速一倍的齿轮。z5=50，z6=25.z4与z5联在一根轴上，z6接另外一根轴（带动凸轮的轴）六 系统机构运动总体方案图下图是我们设计方案的总图 图6-1七. 凸轮设计分段图轮廓图和设计结果一：定位凸轮以下为定位凸轮分段图和设计结果图 图 7-1 图7-2 图7-3 图7-4二 夹紧凸轮：以下为夹紧凸轮分段图和设计结果图： 图7-5 图7-6 图7-8 图7-9三 进刀凸轮：以下为进刀凸轮分段

21、图和设计结果图： 图7-10 图7-11 图7-12 图7-13八机构运动分析计算机辅助设计流程框图图8-1九.程序清单（主程序和子程序） 坐标图杆组拆分图private sub command1_click()dim b(6), c(6), d(3), t as stringpai = atn(1#) * 4 / 180for fi = 0 to 360 step 10 fi1 = fi * pai call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 7, 0, fi1, 0.2093, 0, _ xb, yb, vbx, vby, abx, aby) call rrr运动分析

22、子程序(1, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, 37, 0, 0, 0, 0, 0, _ 30, 40, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, _ omega2, omega3, epsilon2, epsilon3) call 单杆运动分析子程序(37, 0, 0, 0, 0, 0, 100, 0, fi3, omega3, epsilon3, _ xe, ye, vex, vey, aex, aey) call rrp运动分析子程序(1, xe, ye, vex, vey, aex, aey, 95.85, 93.94, 0, 0

23、, 0, 0, _ 60, 0, 0, 0, xf, yf, vfx, vfy, _ afx, afy, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) t = t + fi1= + str(fi) + vbcrlf t = t + xe(m)= + str(xe) + vbcrlf t = t + ve(m/s)= + str(vex) + vbcrlf t = t + ae(m/s2)= + str(aex) + vbcrlf t = t + omega3(rad/s)= + str(omega3) + vbcrlf t = t + omega4(rad/s)=

24、+ str(omega4) + vbcrlf t = t + epsilon3(rad/s)= + str(epsilon3) + vbcrlf t = t + epsilon4(rad/s)= + str(epsilon4) + vbcrlf next fitext1.text = tend subprivate sub command2_click()dim b(6), c(6), d(3), xe1(360), vex1(360), aex1(360)pai = atn(1#) * 4 / 180 picture1.print 红色曲线表示位移, 蓝色曲线表示速度, 绿色曲线表示加速fo

25、r fi = 0 to 360 step 10 fi1 = fi * pai call 单杆运动分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 7, 0, fi1, 0.2093, 0, _ xb, yb, vbx, vby, abx, aby) call rrr运动分析子程序(1, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, 45, -28.28, 0, 0, 0, 0, _ 30, 40, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, _ omega2, omega3, epsilon2, epsilon3)call 单杆运动分析子程序(37, 0

26、, 0, 0, 0, 0, 100, 0, fi3, omega3, epsilon3, _ xe, ye, vex, vey, aex, aey)call rrp运动分析子程序(1, xe, ye, vex, vey, aex, aey, 95.85, 93.94, 0, 0, 0, 0, _ 60, 0, 0, 0, xf, yf, vfx, vfy, _ afx, afy, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) xe1(fi) = xe vex1(fi) = vex aex1(fi) = aexnext fiforecolor = qbcolor(0)

27、picture1.scale (-10, 100)-(370, -100)picture1.line (0, 0)-(360, 0), forecolorpicture1.line (0, -100)-(0, 100), forecolorforecolor = qbcolor(12) 红线表示位移picture1.pset (0, xe1(0) * 1000)for fi = 0 to 360 step 10 picture1.line -(fi, xe1(fi) * 0.8 - 52), forecolornext fiforecolor = qbcolor(0) 黑线表示速度pictur

28、e1.pset (0, vex1(0) * 100)for fi = 0 to 360 step 10 picture1.line -(fi, vex1(fi) * 10), forecolornext fiforecolor = qbcolor(10) 绿线表示加速度picture1.pset (0, aex1(0) * 0.1)for fi = 0 to 360 step 10 picture1.line -(fi, aex1(fi) * 50 + 15), forecolornext fiend subsub 单杆运动分析子程序(xa, ya, vax, vay, aax, aay, s

29、, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)xm = xa + s * cos(fi + theta)ym = ya + s * sin(fi + theta)vmx = vax - s * omega * sin(fi + theta)vmy = vay + s * omega * cos(fi + theta)amx = aax - s * epsilon * sin(fi + theta) - s * omega 2 * cos(fi + theta)amy = aay + s * epsilon * cos(fi

30、+ theta) - s * omega 2 * sin(fi + theta)end sub sub rrr运动分析子程序(m, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, _ l2, l3, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, _ omega2, omega3, epsilon2, epsilon3) dim pi, d, ca, sa, ydb, xdb, gam, ycd, xcd, e, f, q, ea, fa, delta pi = atn(1#) * 4d = (xd -

31、 xb) 2 + (yd - yb) 2) 0.5if d l2 + l3 or d 0 thengam = atn(sa / ca)else: gam = atn(sa / ca) + piend ifif m = 1 thenfi2 = delta + gamelse: fi2 = delta - gamend ifxc = xb + l2 * cos(fi2)yc = yb + l2 * sin(fi2)ycd = yc - ydxcd = xc - xdif xcd 0 thenfi3 = atn(ycd / xcd)elseif ycd = 0 thenfi3 = atn(ycd /

32、 xcd) + pielse: fi3 = atn(ycd / xcd) - piend ife = (vdx - vbx) * xcd + (vdy - vby) * ycdf = (vdx - vbx) * (xc - xb) + (vdy - vby) * (yc - yb)q = ycd * (xc - xb) - (yc - yb) * xcdomega2 = e / qomega3 = f / qvcx = vbx - omega2 * (yc - yb)vcy = vby + omega2 * (xc - xb)ea = adx - abx + omega2 2 * (xc -

33、xb) - omega3 2 * xcdfa = ady - aby + omega2 2 * (yc - yb) - omega3 2 * ycdepsilon2 = (ea * xcd + fa * ycd) / qepsilon3 = (ea * (xc - xb) + fa * (yc - yb) / qacx = abx - omega2 2 * (xc - xb) - epsilon2 * (yc - yb)acy = aby - omega2 2 * (yc - yb) + epsilon2 * (xc - xb)n1: end sub sub atn1(x1, y1, x2,

34、y2, fi) dim pi, y21, x21pi = atn(1#) * 4y21 = y2 - y1x21 = x2 - x1if x21 = 0 then 判断bd线段与x轴的夹角 if y21 0 then fi = pi / 2 elseif y21 = 0 then msgbox b、d两点重合，不能确定 else: fi = 3 * pi / 2 end ifelse if x21 = 0 then fi = atn(y21 / x21) else: fi = atn(y21 / x21) + 2 * pi end ifend ifend subsub rrp运动分析子程序(m

35、, xb, yb, vbx, vby, abx, aby, xp, yp, vpx, vpy, apx, apy, _ l2, fi3, omega3, epsilon3, xc, yc, vcx, vcy, _ acx, acy, fi2, omega2, epsilon2, sr, vsr, asr)dim pi, d2, e, f, ycb, xcb, e1, f1, q, e2, f2pi = atn(1#) * 4d2 = (xb - xp) 2 + (yb - yp) 2)e = 2 * (xp - xb) * cos(fi3) + 2 * (yp - yb) * sin(fi3)

36、f = d2 - l2 2if e 2 4 * f thenmsgbox 此位置不能装配goto n1elseend ifif m = 1 thensr = abs(-e + (e 2 - 4 * f) 0.5) / 2)else: sr = abs(-e - (e 2 - 4 * f) 0.5) / 2)end ifxc = xp + sr * cos(fi3)yc = yp + sr * sin(fi3)ycb = yc - ybxcb = xc - xbcall atn1(xb, yb, xc, yc, fi2)e1 = (vpx - vbx) - sr * omega3 * sin(fi3)f1 = (vpy - vby) + sr * omega3 * cos(fi3)q = ycb * sin(fi3) + xcb * cos(fi3)omega2 = (f