机械原理课程设计完整

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： XXX 学 号： XXXXX 年 级： 2011级 任课教师： 余述凡 2014年1月2日目录设计任务书-21. 设计工作原理-42. 功能分解图，执行机构动作分解图-63. 运动方案的选择与比较-94. 机构运动总体方案图（机构运动简图）-165. 工作循环图-186. 执行机构设计过程及尺寸计算-197. 凸轮设计分段图轮廓图设计结果-228. 机构运动分析计算机辅助设计流程-299. 程序清单（主程序和子程序）-3010. 运行结果及运动线图-3311. 设计总结-3412 参考资料-35设计任务书题号03 半

2、自动钻床一、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/minA40301514501B35252014002C3020109601二、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10º

3、;20º30º45º60º75º90º105º270º300º360º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。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

4、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、所设计的机构工作原理一.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，与传动轴相连的各机构控制送料，定位，和进刀等工艺动作，最后由凸轮机 通过齿轮传动带动齿条上下平稳地运动,这样动力头也就能带动刀具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（1）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。

5、属于此类原动机的有柴油机，汽油机，汽轮机和燃汽机等。B二次原动机 此类原动机是将发电机等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，液压马达，气压马达，汽缸和液压缸等。（1） 选择原动机时需考虑的因素：1：考虑现场能源的供应情况。2：考虑原动机的机械特性和工作制度与工作相匹配。3：考虑工作机对原动机提出的启动，过载，运转平稳，调速和控制等方面的要求。4：考虑工作环境的影响。5：考虑工作可靠，操作简易，维修方便。6：为了提高机械系统的经济效益，须考虑经济成本：包括初始成本和运转维护成本。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.

6、传动机构的选择和工作原理（1）传动机构的作用1：把原动机输出的转矩变换为执行机构所需的转矩或力。2：把原动机输出的速度降低或提高，以适应执行机构的需要。3：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要求4：把原动机输出的等速回转运动转变5：实现由一个或多个动力机驱动或若干个速度相同或不同的执行机构。6：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连接时，也需要用传动装置来联接。（2）传动机构选择的原则1：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。2：对大功率传动，应优先考虑传动的效率，节约能源，

7、降低运转费用和维修费用。3：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。 4：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。5：主，从动轴要求同步时，应采用无滑动的传动装置。6：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，加减速器，变速器和无级变速器等。二功能分解图，执行机构动作一功能分解图如下图图3-1二绘制机械系统运动转换功能图3-2三.执行构件的选择 1.减速传动功能选用经

8、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，故我们这里就采用行星轮系来实现我设计的传动。2.送料功能进料也要要求有一定的间歇运动，我们可以用圆锥齿轮来实现换向，然后通过和齿轮的啮合来传递，再在齿轮上安装一个直动滚子从动件盘型凸轮机构,用从动件滚子推杆的直线往复运动实现进料。3.夹紧功能 夹紧也要要求有一定的间歇运动，有当凸轮由近休到远休运动过程中,V形块就夹紧了工件，当凸轮由远休到近休运动过程中可通过弹簧实现夹紧机 构的回位,等待定位,凸轮的循环运动完成了此功能。4.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,

9、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。 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个 圆弧齿轮,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.四.机构运动总体方案图 根据功能原理，工艺分解过程及执行机构的选择，确定了以下运动方案。三运动方案的选择与比较方案的分析与比较： (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，利用行星轮进行大

10、比例的降速，然后用圆锥齿轮实现方向的转换。图4-1（2） 对比机构：对比机构：定轴轮系传动；传动比 =n输入/n输出 =1400 传动比很大，要用多级传动。如图4-2.图4-2(3) 进刀机构 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.因为我们用一个摆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。图4-3（4） 对比机构： 在摆杆上加一个平行四边行四杆机构，这样也可以来实现传动，但是当加了四杆机构以后并没有达到改善传动的效果，只是多增

11、加了四杆机构，为了使机构结构紧凑，又能完成需要的传动，所以选择了一个摆动滚子从动件盘行凸轮机构。图4-4（5） 送料机构： 所选用的对比四杆机构如下图(图4-5)，由于在空间上轴与轴之间的距离较大，选用下来此四杆的尺寸太小。优点是容易设计，成本较低，可以实现快速送料和慢回的效果。机构简图如图4-5。 图4-5（6）对比机构： 采用一个六杆机构来代替曲柄滑块机构，架构复杂，机构运动占据空间大，可能影响其他机构的正常运转，对材料的强度和刚度比较高，费用比较大。（7）定位系统：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，但如果是平底推杆从动件，则凸轮

12、就会失真，若增加凸轮的基圆半径，那么凸轮机构的结构就会很大，也不求实际，所以就采用一个对心直动滚子从动件盘型凸轮，它就可以满足我们的实际要求了。图4-7（8）对比机构：采用弹力急回间歇机构来代替偏置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，所以还是选偏置直动滚子从动件盘型凸轮来完成定位。图4-8（9）、夹紧机构： （1）夹紧机构运动规律类似于定位机构，系统有间歇，也需要用凸轮机构，优点是利用的一侧作为定位基准，可以减少运动产生的误差，夹紧位置比较准确；机构简图如下图 （10）对比机构： （2）该机构的运动

13、形式与规律与（1）完全相同，不一样的是夹紧头不一样，该机构采用的是两侧同时向工件中心运动的形式来夹紧，该机构夹紧易产生误差，运动难控制，加工和要组装的要求高；机构简图如下图四.机构运动总体方案图（机构运动简图） 根据前面表3-3中实线连接的方案的运动简图确定本设计中半自动钻床的总体方案图如图5-1图5-11 电机；2 行星轮系；3 圆锥此轮；4曲柄滑块；5夹紧凸轮；6 进刀凸轮；7 定位凸轮；8 刀头. 6进刀机构的S向视图 2行星轮系右视图如下：五工作循环图图5-1所示的机械系统方案的执行件需要进行运动协调设计其运动循环如图6-1凸轮轴转角10º20º30º45

14、º60º75º90º105º270º300º360º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 各执行机构的动作、时间和相应的分配轴转角如下表所示执行构件动作时间/s分配轴转角/°送料机构送料行程空回行程t1=10t2=201=1202=240定位机构远休回程近休升程t1=5t2=5t3=15t4=51=602=603=1804=60夹紧机构远休回程近休升程t1=7.5t2=5t3=12.5t4=51=902=603=1504=60进刀机构近休升程远休回程t1=12.5t2=10

15、t3=2.5t4=51=1502=1203=304=60图6-1六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送料连杆机构：采用如下机构来送料，根据要求，进料机构工作行程为35mm，可取曲柄滑块机构的极位夹角为60度，则由得K=2，急回特性不是很明显，但对送料机构来说并无影响。各杆尺寸：（如图6-1）AB=16.77 BC=39.13 e=10该尺寸可以满足设计要求，即滑块的左右运动为35mm，机构极位夹角为60度。 2行星轮系的计算: 减速机构计算：如下图所示，因为传动比达到1400:1，所以带传动减速，然后再用行星轮系减速。两个传送轮的半径为140和100，使H的转速降到1000r

16、/min。分别设定齿轮1,2,2，3的模数为1，齿数分别为87,50,20,35.由此可算的传动比为1000:1，达到减速效果。 Z1=87 Z2=50 Z2=20 Z3=35 传动比iH3=1000根据行星轮传动公式：i（H3）=1-i(31)H=1-Z2Z1/Z3Z2由i(1H)=1-Z2'Z1/Z3Z2，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： 皮带轮参数名称皮带轮1皮带轮2半径（mm）100140齿轮参数模数（mm）压力角（°）齿数（个）直径（mm）齿轮11208787齿轮21205050齿轮22202040齿轮3220

17、3570七. 凸轮设计分段图轮廓图和设计结果一.定位凸轮图8-1为定位凸轮分段图和设计结果图图8-1二、夹紧凸轮图8-2为夹紧凸轮分段图和设计结果图图8-2三.进刀凸轮进刀凸轮类型设计结果和凸轮运动分段如图8-3图8-3八机构运动分析计算机辅助设计流程框图图9-1九.程序清单（主程序和子程序）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

18、, 0, 0.0168, 0, Fi1, 1.047197551, 0, _ xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0.01, 0, 0, 0, 0, _ 0.2, 0, 0, 0, xE, yE, vEx, vEy, aEx, aey, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) t = t + "Fi1= " + Str(fi) + vbCrLf t = t + "xE(m)= " + Str(xE) +

19、 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)= " + Str(omega4) + vbCrLf t = t + "epsilon3(rad/S)= " + Str(epsilon3) + vbCrLf t = t + &q

20、uot;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 / 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, 0.0168, 0, Fi1, 1.047197551, 0, _ xB, yB,

21、vBx, vBy, aBx, aBy) Call RRP运动分析子程序(1, xB, yB, vBx, vBy, aBx, aBy, 0, 0.01, 0, 0, 0, 0, _ 0.2, 0, 0, 0, xE, yE, vEx, vEy, aEx, aey, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) xE1(fi) = xE vEx1(fi) = vEx aEx1(fi) = aExNext fiForeColor = QBColor(0)Picture1.Scale (-10, 100)-(370, -100)Picture1.Line (0, 0)-(3

22、60, 0), ForeColorPicture1.Line (0, -100)-(0, 100), ForeColorForeColor = QBColor(4)Picture1.PSet (0, xE1(0) * 100)For fi = 0 To 360 Step 10 Picture1.Line -(fi, xE1(fi) * 100), ForeColorNext fiForeColor = QBColor(9)Picture1.PSet (0, vEx1(0) * 100)For fi = 0 To 360 Step 10 Picture1.Line -(fi, vEx1(fi)

23、* 10), ForeColorNext fiForeColor = QBColor(10)Picture1.PSet (0, aEx1(0) * 0.3)For fi = 0 To 360 Step 10 Picture1.Line -(fi, aEx1(fi) * 0.3), ForeColorNext fiEnd SubSub 单杆运动分析子程序(xA, yA, vAx, vAy, aAx, aAy, S, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy)xm = xA + S * Cos(fi + theta)ym = y

24、A + 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 + theta) - S * omega 2 * Sin(fi + theta)End Sub Sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi) Dim pi, y21, x21

25、pi = 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) + pi ElseIf y21 >= 0 Then fi = Atn(y21 / x21) Else: fi = Atn(y21 /

26、 x21) + 2 * pi End IfEnd IfEnd SubSub RRP运动分析子程序(m, 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

27、 * (xP - xB) * Cos(fi3) + 2 * (yP - yB) * Sin(fi3)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 - xBC

28、all 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 = (F1 * Cos(fi3) - E1 * Sin(fi3) / Qvsr = -(F1 * yCB + E1 * xCB) / QvCx = vBx - omega2 * yCBvCy = vBy + omega2 * xCBE2 = aPx - aBx + omega2 2 * xCB

29、 - 2 * omega3 * vsr * Sin(fi3) _ - epsilon3 * (yC - yP) - omega3 2 * (xC - xP)F2 = aPy - aBy + omega2 2 * yCB + 2 * omega3 * vsr * Cos(fi3) _ + epsilon3 * (xC - xP) - omega3 2 * (yC - yP)epsilon2 = (F2 * Cos(fi3) - E2 * Sin(fi3) / Qasr = -(F2 * yCB + E2 * xCB) / QaCx = aBx - omega2 2 * xCB - epsilon2 * yCBaCy