半自动钻床设计

【有全套CAD图】需完整CAD+说明书请联系QQ1175231241海量毕业设计课程设计，承接定制、更多设计请移步：更多设计请移步：咨询半自动钻床设计说明书目录第1章绪论 11.1课题来源及研究目的和意义 11.2半自动钻床数控化的现状及趋势 11.3半自动钻床机构的方案分析 51.4机械结构分析 51.5机械结构总体方案和布局 6第2章机械结构的设计 102.1凸轮滚子机构的设计……………132.2V带的设计.142.3圆锥齿轮的设计152.4电机的选取及计算……………..16第3章各机构的三维建模 173.1圆柱凸轮滚子从动件的建模…………………193.2V带轮的三维建模…………….203.3圆锥伞齿轮的三维建模………………………22结论 25参考文献 26致谢 27第1章绪论1.1概述半自动钻床用途用于机械加工中的钻孔、扩孔、铰孔、锪平面、钻沉头孔和镗孔及攻螺纹。而数控钻床主要用于钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等加工。在汽车、机车、造船、航空航天、工程机械行业；尤其对于超长型叠板，纵梁、结构钢、管型件等多孔系零件。相对于半自动钻床而言，数控钻床具有定位精度高，加工精度高，高效率，能够减少人工，等等半自动钻床无法实现的优越性。1.2半自动钻床数控化（数控钻床）的现状及趋势从20加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控钻床是一种高度机电一体化的产结构较复杂、件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控钻床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控钻床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控钻床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控钻床为了应对国际金融危机，企业纷纷调整数控机床产业政策，竞相发展高档数控机床，以促进工业和国民经济的发展。而目前我国处于装备更新换代的高峰期和工业产业升级的关键期，对数控机床尤其是高档数控机床的需求，仍将维持30%以上的高增长水平，预计这一增长速度仍将维持35年。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

国内数控机床的需求日益增长，数控机床的发展推动了数控机床功能部件的创新升级。目前我国高档数控机床关键功能部件工业还不能满足国内需要，国内数控功能部件产业主要存在以下问题：适应性和满足度远达不到市场需求；我国数控功能部件生产企业的规模小；核心零部件大量依靠进口；缺乏高技术含量威胁产业安全。

机床行业高端化发展四步曲：业内人士表示，我国机床产业的发展需要以市场需求为导向，以发展数控机床为主导、主机为龙头、完善配套为基础，力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变。更有专家为机床行业高端化发展提出了四方面观点，为机床行业高端发展进程尽微薄之力。

一是积极落实“高档数控机床与基础制造装备”国家科技专项，创造国内自主创新技术的大环境，以市场为导向，企业为主题，以科研院校为根基，全方位带动我国高新技术的创新。

二是开拓新的数控机床市场或升级现有的数控机床市场，带动普通机床及半自动机床的升级改造和淘汰更新。极力拉动国内数控机床的内需，带动高端机床产业的快速升级。

三是紧抓技术改造，促进中高档数控机床产业化整体升级。充分利用国家技术改造贴息等优惠政策，围绕重点，加强管理，提高资金投入产出比，打好根基，为技术创新提供长足发展。

四是强化企业管理，节省成本提提高高效。数控机床企业要从内部管理的强化切入，开展结本高效的行动，维持资金流合理运转，人力资源的合理分配，避免劳民伤财，确保企业正常的运营。展望未来

高档数控机床与基础制造装备专项将实现自主创新能力显著提高，掌握一大批具有自主知识产权的核心技术，总体技术水平进入国际先进行列；届时，主机、数控系统、功能部件“中档规模化、高档产业化”将得以实现，我国将研制出一批具备国际先进水平的关键装备；进口量大的高速、精密立卧式加工中心、数控车床等产品市场占有率将有明显提升。

近年来，中国通过引进技术、消化吸收和自主开发数控系统，为数控机床的产业化奠定了技术基础。希望未来机床行业可以带来更多最新设备和前沿技术，以满足制造业对高效加工日益增长的需求。1.3半自动钻床的方案分析1.3.1机械结构分析本课题是设计一种半自动钻床，此设备占地面积小，成本低廉，通过变频电机带动圆柱凸轮滚子机构来实现工件的进给，以及利用V带轮来实现动力的转移，通过伞齿轮来实现空间传动方向的改变，以及利用齿轮齿条来实现钻头的自动升降，所有机构都联动，运行稳定，无噪音。由于钻削工件有多种方案，本课题采用机械式联动机构来实现，现提供以下设计方案：变频电机圆柱凸轮料箱工作台滚滚丝杆变频电机圆柱凸轮料箱工作台滚滚丝杆图1以变频电机为动力源的半自动钻床设计方案1.3.2机械结构总体方案和布局确定好设计方案后我们对整体方案进行大体设计布局，整个传动装置由电动机带动，由于需要在任意位置能停止，本次设计的电动机我们采用变频电动机，由于变频电动机输出转速很快，需要分配传动减速比，需要加减速器进行减速，经过减速器出来后为了能与齿轮传动轴连接，我们再加上与V带传动，最后通过圆锥伞齿轮，齿轮齿条实现机构的联动。第2章机械结构的设计2.1凸轮滚子机构的设计 在此，根据廓线方程可自动实现圆柱凸轮的精确建模，并为下一步运动仿真和数控加工奠定良好的基础。空间凸机构在自动机械中得到了广泛的应用。与平面凸轮机构相比，空间凸轮机构具有体积小、结构紧凑、刚性好、转动扭矩大等优点。直动从动件圆柱凸轮机构是一种典型的空间凸轮机构。当凸轮转速较低、精度要求不高时，可以把圆柱凸轮看成是由移动凸轮转化而来的，按基圆半径或外圆直径展开成平面矩形，作为平面直动凸轮进行近似计算。但是随着凸轮机构日益向高速方向发展，传统的圆柱凸轮机构的设计方法因误差较大，不得不进行修正，因为，这种展开法不能达到简化计算、提高精度的目的，不能满足企业的实际需要。考虑到圆柱凸轮属于空间凸轮，其理论廓面、实际廓面均为空间曲面，因此，如何构造这些曲面是一个关键问题，国内开展了一些相关研究。随着计算机辅助设计进一步发展，特别是基于特征和参数化技术的三维设计软件的出现，为空间曲面的构造提供了支撑平台。本文来用精确的数学模型建立圆柱凸轮的实际廓线方程，基于平台，通过二次开发的手段精确构造实际轮廓曲面完成了圆柱凸轮的模，通过实践证明了这种方法的可行性。圆柱凸轮轮廓线的数学模型对直动从动件圆柱凸轮建如图1所示的固定坐标系，以Z轴为圆柱凸轮的回转轴线，X轴与从动件处于最低位置时的轴线重合，原点为该轴线与凸轮轴线的交点，Y轴分别垂直于X和Z轴。图1中的几何参数有：凸轮圆柱半径为B，为圆柱凸轮的基圆柱半径，B为滚子厚度)rγ，从动件的运动规律为s(φ)，其中φ为凸轮的转角。图1圆柱凸轮的理论和实际廓线如图1件凸轮机构，圆柱的半径为R，曲线b是圆柱凸轮的理论廓线，曲线。和c是实际廓线，d表示在理论廓线上的滚子圆，根据图示固定坐标系，建立圆柱凸轮理论廓线方程如下：考虑从动件是滚子的情况，实际轮廓线是圆心位理论廓线上滚子圆的包络线，其方程为：对式(2)中的两个方程，滚子圆的方程为：式(3)中X，Y，Z为理论廓线上的坐标；，，Za为滚子圆和实际廓线上的公共点坐标，也是滚子圆和实际廓线的切点坐标。包络线方程为：式(4)中s’(φ)树表示运动规律(φ)对φ导数。由于实际廓线也位于圆柱面上，所以满足下式：联立以上3式，可得到在圆柱半径为R时的实际廓线的方程：式6)1中曲线a符号表示图1中曲线。推导了直动从动件圆柱凸轮机构实际廓线的方程。基于Solidworks平台用开发了圆柱凸轮辅助建模软件，根据廓线方程可自动实现圆柱凸轮的精确建模，并为下一步运动仿真和数控加工奠定良好的基础。2基于Solidworks平台直动从动件圆柱凸轮建模2.1实际廓线的构造式(6)是实际廓线的方程，若选定运动规律(φ)，给定转角明，可分别计算出基圆柱Rb和外圆柱Rs上的实际廓线的坐标，如果计算出四组符合精度要求的实际廓线的坐标，分别连接这些坐标成样条曲线。如图2所示，曲线a1和a2是外圆柱上的实际廓线曲线b1和b2是外圆柱上的实际廓线。为了保证实际廓线拟合精度，必须选择足够多的点来构造样条曲线，为此可把计算好实际廓线的坐标存在文件中，通过平台上的构造曲线的方法来构造样条曲线。2.2实际轮廓曲面的生成使用Solidworks的截面形状，是一个矩形，矩形的四个点落在实际廓线上，如图2所示，放样时，取矩形为轮廓，条实际廓线、b1、b23所示的实际廓面。图2实际廓线的构造图3实际廓面的形成3软件实现考虑到圆柱凸轮建模过程中有大量的凸轮实际轮廓曲线数据，为了提高效率，采用软件编程对Solidworks软件二次开发的方式来实现。由于程序规模较小，编程的语言采用Solidworks中内嵌的VBA实现。程序流程图见图4。图4程序流程软件分成两个模块：1)计算模块，主要根据输人参数，确定实际轮廓的曲线的坐标点数据；2)建模模块：主要完成绘制凸轮、实际廓线、切除放样等操作。以放样操作的编程为例说明：4结论本文通过建立圆柱凸轮实际廓线的方程，在Solidworks平台上构造了凸轮的精确实际廓线，随后通过Solidworks内部命令完成圆柱凸轮的精确建模。通过精确的三维模型，可为下一步运动仿真和数加工奠定了很好的基础。2.2V带的设计计算 1、带轮的材料带轮的常用材料为HT150（m30sVHT200（m30sV）。转速较高时可用铸钢或钢板冲压焊接结构，小功率时可用铸铝或料.3.3、带轮正常工作需满足的条件即eemaxF；为保证V带有足够的寿命，必须使带工作时的最大应力小或等于带max件下得到的单根V带所能传递的功率称为单根V带的基本额定功率。3.4、求：设计V带轮时应满足的主要要求有：结构合理，质量分布均匀转速高时要经过动平衡；与带轮接触的轮槽表面粗糙度要低，以减少带的磨损各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式的。根据带的截型确定轮槽尺寸的。根据经验公式确定带轮的其他结构尺寸，绘制带轮的零件图，并按照工艺要求注出相应的技术要求等。3.5、原始数据及设计内容1）设计V带传动原始数据2）传递的功率P=5.5kW3）主动轮和传动轮的转速：nin4）传动的用途和工作条件5）传动的位置要求3.6、设计内容包括：1)、带的型号2)、基准长度3、带的根数4）、传动中心距5）、带轮直径及结构尺寸6、轴上的压力、设计步骤：根据传递的功率P、载荷的性质和每天工作的时间等因素确定dAP=KPAK-（机械设计基础）9-13等）P-传递的额定功率（P=5.5KW经计算：pKdA=(5.56.6kWdP和转速1n9-8A型普通VdP=6.6kW1n2900r/min：D=80~100mmα2D（1）初选小带轮直径1D（1）带轮直径愈小愈好，结构紧凑但带的弯曲应力增大，由E—带的弹性模量（机械设计基础）（MPa）—带的高度见（机械设计基础）表9-4D—带轮的基准直径第三章：输入轴齿轮设计第13页知带型确定后h和E是常数，D越小，带的弯曲应力bσ越大，故小带轮带的σ大于大带轮的σ，为避免弯曲应力过大。2.3圆锥齿轮传动的设计计算：圆锥齿轮的设计计算1选定齿轮的类型，精度等级，材料及齿数：（1）选择材料及热处理小圆锥选用40Cr，调质处理，调质硬度为280HBS；大圆锥选用45#钢，调质处理，调质硬度为240HBS。(2)选齿轮小齿轮选1z=24，大齿轮选2z；大小圆锥均选用7级精度。轴交角为90度的直齿圆锥齿轮传动u=12zz=3=tan21，得δ271.6°，δ=18.4°。2.按齿面接触疲劳强度计算：公式内的各计算数值试选载荷系数Kt=1.3.（1）小圆锥齿轮的转矩T1=7.6274N.mm；（2）查机械设计教材可知锥齿轮传动的齿宽系数ΦR=13；（3从表10-6查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa；（4）有图按齿面硬度查得大小齿轮的解除疲劳强度极限1H=600MPa2H=550MPa（5）计算应力的循环次数：60jLnh=×720×1×2×8×300×10=2.07×92N=2.07×1093=0.69×10（6）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数S=1，由式（0-12）得[H1]=1lim1/S=0.9600=540MPa；[2]H试算小齿轮分度圆直径1t≥2.92(ZE[σH])2KT1ΦR(1−0.5ΦR)2u3=77.834mm试算锥距Rt=d1tu2=计算锥齿轮平均分度圆处的圆周速度=πd1n160×1000π×77.834×72060×1000=2.93m/s平均分度圆圆周处的速度Vm=2.445m/s根据Vm2.445m/s7级精度由图10-8查得动载荷系数VK=1.14查表10-2得KA=1,查教材可得Kα=KFα=1,KHβ=Kβ=875计算载荷系数K=KAKVKHαKHβ=1×1.14×11.875=2.1375按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得d1=dtKKt3=计算模数m=d11=3.83mm3.按齿根弯曲强度设计由式（10-24）得弯曲强度的设计公式为m≥1ΦR(1−0.5ΦR)12u2+1YFaY对此结果，齿面接触疲劳强度计算的模数m于由齿根弯曲强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮的直径有关。取由弯曲强度算的模数，就近圆整为。按接触算得的分度圆直径1d=91.866mm，算得小齿轮齿数1z=30，大齿轮齿数z=90这样设计的齿轮传动既满足了齿面接触强度又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。4.几何尺寸计算：1）计算分度圆直径1=1zm=90mmd=2zm=270mm2）锥度R=d1u2+1=×102=142.3mm3）锥齿宽度b=RR=1142.3=47.4mm。选取宽度1=2=45mm。2.4电机的选取及设计计算 普通电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴普通一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

普通电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。普通电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择普通电机时，首先要保证普通电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率普通电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择普通电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过普通电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率普通电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与普通电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。

选择普通电机需要进行以下计算：

4.1转动惯量计算在旋转运动中，物体的转动惯量J对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，就必须计算物体的转动惯量J和角加速度，然后得惯性力矩T＝J。物体的转动惯量为：Jr2rdV，式中：dV为体积元，为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2。以园柱体为例：J=W/8(D/1000)2式中：L：长度，mmD：直径，mm转矩22NM

4.2将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量，常见传动机构与公式如下：

Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2]（1-2）

式中Jt折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)

J1、J2齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js丝杆惯量(Kg.cm.s2)W工作台重量（N）

S丝杆螺距（cm）J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2

4.3计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt（1-3）

Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2（1-4）

式中Ma电机启动加速力矩（N.m)

Jm、Jt电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)

n电机所需达到的转速（r/min）

T电机升速时间（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-5）

Mf导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)

u摩擦系数

η传递效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-6）

Mt切削力折算至电机力矩（N.m)

Pt最大切削力（N）计算所得力矩28NM

4.4负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]1/2（1-7）

式中fq带载起动频率（Hz）

fq0空载起动频率

Ml起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)

若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2～0.4)Mmax.综上述选取三相混合普通电机110BYG350A/350A-S(接线型)3180.6/1.23300001600182080-3505联轴器的选取mm输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查《机械设计（第八版）》表14-1，由于转矩变化很小，故取，则=1.3X49.24=64012N.Mm查《机械设计课程设计》表14-4，选Lx3型弹性柱销联轴器其工称转矩为1250N.m，而电动机轴的直径为19mm所以联轴器的孔径不能太小。取=19mm，半联轴器长度L=82mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为60mm。轴向滚动丝杠副丝杠轴，选HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000，半联轴器的孔径19mm，半联轴器长度42mm。径向滚动丝杠副丝杠轴选Lx3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000，半联轴器的孔径19mm，半联轴器长度42mm。6齿轮减速器的选取 所所选取普通电机为110BYG350C，根据以上查表计算所得选取行星减速器型号为PL120。第4章各机构的三维建模4.1圆柱滚子从动件的三维建模：3.1圆柱滚子从动件的三维建模：3.2V带轮的三维建模：3.3圆锥伞齿轮三维建模：结论通过本次设计半自动钻床，从中深刻掌握到半自动钻床的联动结构，并对该结构进行设计计算，并绘制出装配图和零件图。然后在通过三维软件SOLIDWORKS软件进行零件的三维建模和装配图的建模。综上所述得到一下结论：(1)本设计通过改造半自动钻床，使之自动化了。(2)齿条齿轮结构的应用得到了认可；(3)充分查找资料根据计算结果和设计的需要，选用合适的零部件，并对其进行校核；精度验算；(4)机械系统中各个传动系统的设计，方案合理，能适应实际的情况。参考文献[1]ZhangGuoxiong，LiuShugui，QiuZurong，YuFusheng，NaYonglin，LengChanglin.NON-CONTACTMEASUREMENTOFSCULPTUREDSURFACEOFROTATION［J］.CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING.Vo1，17，No．4，2004.[2]GUOYuan，WANGYutian，HAOBing.Non—touchFiber—opticReflectiveDisplacementSensorforRoller［J］Wear.SemiconductorPhotonicsandechnology.Nov，2OO4.[3]TatsuoInoue，Youichi，Watanabe，Kazuo，Okamura，Michiharu，Narazaki，HayatoShichino，DongYing，JuHideo，Kanamori，KatsumiIchitani［M］.ACooperativeActivit