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1、自动钻床送进机构 设计说明书 班级：08 车辆 3 班 组长： 学号： 指导老师： 2011 年 6 月 10 日 目录目录 第一章 问题的提出 .- 1 - 1.1 项目背景项目背景.- 1 - 1.2 设计要求设计要求.- 1 - 第一章 设计方案的选择 .- 2 - 2.1 关键问题关键问题.- 2 - 2.2 本项目采用方案本项目采用方案.- 4 - 第三章 机构运动分析 .- 5 - 3.1 确定凸轮尺寸确定凸轮尺寸.- 5 - 3.2 确定各构件尺寸确定各构件尺寸.- 7 - 第四章 机构仿真 .- 9 - 4.1 凸轮仿真凸轮仿真.- 9 - 4.2 钻头运动曲线钻头运动曲线.-
2、 10 - 第五章 强度校核 .- 11 - 5.1 凸轮压力角验算凸轮压力角验算.- 11 - 5.2 凸轮材料选择凸轮材料选择.- 13 - 结束语结束语.- 14 - 参考文献参考文献.- 15 - 附录附录.- 16 - 第一章第一章 问题的提出问题的提出 1.1 项目背景项目背景 钻床指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进 给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪 孔，铰孔或进行攻丝等加工。加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心， 并使刀具转动(主运动)。钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动。主
3、要分为立式钻 床、台式钻床、摇臂钻床等等。该项目主要运用于台式钻床。 台式钻床简称台钻，是一种体积小巧，操作简便，通常安装在专用工作台上使用的小 型孔加工机床。台式钻床钻孔直径一般在 13 毫米以下，最大不超过 16 毫米。其主轴变速 一般通过改变三角带在塔型带轮上的位置来实现，主轴进给靠手动操作。 在台式钻床中，钻床主轴的进给运动一般是用手操纵的，往往要耗费许多时间。据统 计测算，在很多情况下，用于其它辅助工作的时间比真正用于钻孔的时间多好几倍，而用 于操纵的时间又占其它辅助工作时间的 31%40%。因此，要提高生产率，就要对钻床进 行自动化改装，其中的一个重要方面就是实现钻削工作循环的自动
4、化，如果将送料、定位、 进刀都改成自动化的，则会增加成本以及增大机构体积等。该设计主要实现钻削工作循环 的自动化，即采用自动送进机构，以减少操纵所用的时间。 1.2 设计要求设计要求 如图 1 所示、设送进机构的输入运动为构件 1 的匀速回转，其转速为 n1，输出运动 为刀具（钻头）的直线往复运动，行程为 HH1H2，P 为钻削时所受到的阻力。原始数 据如下表所示： 构件 1 转速 （转 分） H1(mm)H2(mm) 钻削时的送 进速度 V(mm /S) 钻削时钻头 所受到的阻 力 P(N) 钻头其它行 程受到阻力 P0(N) 题 11025201.6823000 对刀具运动的具体要求是 1
5、)由 A 到 B，刀具的行程为 H1，为刀具趋近工件的行程，要求刀具具有较高的 速度； 2)由 B 到 C，刀具的行程为 H2，为钻削时的送进行程。要求刀具能够以匀速 V 或近似匀速送进，以保证钻孔动作的完成和钻孔质量； 3)由 C 返回到 A，刀具的行程 HH1H2，为刀具的抬起（退回）行程，要求刀 具具有较高的速度，其平均速度与钻削时的平均速度之比（行程速比系数）K 达到或接近于 2； 4)刀具退回到 A 时，能够在此位置停歇 2 秒左右，以便装卸工件。 除了以上运动要求外，还要求机构具有良好的传动性能，结构紧凑、经济实用。 第第 1 章章 设计方案的选择设计方案的选择 2.1 关键问题关
6、键问题 本题目主要是要求机构： 实现将主动件的单向均速连续转动转变为刀具的直 线往复运动； 实现一定的行程速比系数； 实现刀具的间歇运动。下面将工程常 用的能够实现上述要求的机构归结如下： （1）将转动转变为移动的机构 连杆机构：如对心（偏置）曲柄滑块机构。 （如图 2） 图 2 凸轮机构：如直动从动件盘形凸轮机构。 （如图 3） 图 3 齿轮机构：如齿轮齿条机构。 （如图 4） 图 4 组合机构：如凸轮连杆组合机构，齿轮连杆组合机构。 （2）具有急回特性的机构 连杆机构：如曲柄摇杆机构，偏置曲柄滑块机构，摆动导杆机构。 凸轮机构 （3）实现间歇运动的机构 凸轮机构： 利用连杆轨迹曲线实现的间
7、歇运动机构 组合机构：如齿轮连杆组合机构，凸轮连杆组合机构。 棘轮机构 槽轮机构 不完全齿轮机构 2.2 本项目采用方案本项目采用方案 通过使用摆动滚子从动件盘形凸轮机构以及齿轮传动、齿轮齿条传动达到要求。 当进刀时，凸轮的推程阶段运行，通过齿轮齿条传动带动钻头完成钻孔。通过杠杆的放大 原理将凸轮的一段的运动幅度放大，达到项目要求。同时两个齿轮传动具有稳定性。弹簧 使滚子和凸轮行成力闭合。根据设计思路得出草图 5。 图 5 由于原动机的速度太快直接带动的话不能满足要求，需要减速，这里采用齿轮减速， 如图 6 所示。 图 6 第三章第三章 机构运动分析机构运动分析 3.1 确定凸轮尺寸确定凸轮尺
8、寸 构件 1 转速 （转 分） H1(mm)H2(mm) 钻削时的送 进速度 V(mm /S) 钻削时钻头 所受到的阻 力 P(N) 钻头其它行 程受到阻力 P0(N) 题 11025201.6823000 由于考虑到钻头的推程和回程之间的速度相反，为了避免产生刚性冲击，决定推程采 用正弦加速度运动规律，回程采用等加速，等减速运动运动规律返回原来位置。 设为推程的时间，为进刀 25mm 时的时间。 0 T 1 T 190114227 2 5 .12 /6 . 32 /8 . 1 9 . 24 9 .11 ) 2 sin( 2 1 4525 9 . 11T mm20 /m68 . 1 0 0 2
9、10 0 1 0 1 2 2 1 ，近休止角为，远休止角为，回程为推程为 秒，由上述数据可得由于返回后停 则推程的平均速度为 得 求 钻销的时间 钻销时的平均速度为 返 返 推 sT smK sm sT T TTT T T T T s H s 摆杆 AB 的最大摆角为 考虑到摆角不能太大，因为 H=45mm AC l H 取 则 AC=86mm 30 则凸轮运动轨迹为： 3603410 341284)180(60 227 60 284227)227( 114 60 30 2270)2(sin 2 1 - 227 30 2 2 2 2 图 7 建立直角坐标系，建坐标原点选在 O，x 轴沿 OA
10、方向，如图 8 所示。 为使主动件受力变小，则 AB 杆应当适当长一些。 另 AB 为 200mm，凸轮基圆半径为 70mm，滚子半径为 10mm，则 OB 为 80mm mmlll l l OBABOA AB OB 4 . 215 8 . 21arctan 22 0 由上图中的几何关系可以写出 )sin( )cos( 0 0 1 1 1 AB ABOA B B l ll y x OB 12 OBROB 式中 cossin sincos R 所以凸轮理论轮廓线的方程式为 )sin( )cos( cossin sincos 0 0 AB ABOA l ll y x 因为滚子半径，所以凸轮实际轮廓
11、线的方程式为mmrr10 22 22 )()( 10 )()( 10 ddxddy ddx yy ddxddy ddy xx 3.2 确定各构件尺寸确定各构件尺寸 由 n=10 r/min 得 w=/3 rad/s T=6s 而实际凸轮周期为 图 8 ssTTT 4 . 392 0 返总 采用标准直齿圆柱齿轮（图 8） ，传动比 令小齿轮的齿数为76 . 6 6 4 . 39 12 i 20 小 z 则 取模数 m=2.5 则 132 大 z mmd mmd 330 50 大 小 因为 AC=86mm 选择模数 m=2.5 ，该齿轮齿数为 69 2 3 m l z AC 最后两个齿轮的作用是使
12、凸轮的推程和道具的进刀一致，所以这对齿轮采用标准直齿圆柱 齿轮。 取 20 54 zz m=2.5 而齿条长度必大于 45mm 加上余量取齿条长度为 55mm 综上可得（如图 9） 图 9 mm mm mm mml m zzzzz AB 55 10 70 200 5 . 2 20,69,132,20 65321 齿条长度为 滚子半径为 凸轮基圆半径为 模数 圆柱齿轮，其中所有齿轮均为标准直齿 第第 4 章章 机构仿真机构仿真 4.1 凸轮仿真凸轮仿真 运用凸轮参数化仿真软件可得出各种数据（见附表） 根据数据用 excel 绘制凸轮轮廓：（如图 10） 图 10 凸轮角度角位移曲线为：（如图 1
13、1） 图 11 凸轮角度速度曲线为：（如图 12） 图 12 凸轮角度加速度曲线为：（如图 13） 图 13 4.2 钻头运动曲线钻头运动曲线 由于钻头的位移 H= 所以 AC l 钻头的时间位移曲线为：（如图 14） 图 14 钻头的时间钻头的时间速度曲线为：（如图速度曲线为：（如图 15） 图 15 钻头的时间加速度曲线为：（如图 16） 图 16 第五章第五章 强度校核强度校核 5.1 凸轮压力角验算凸轮压力角验算 有数据可得压力角的分布图为：（图 17） 图 17 由图可知推程阶段最大压力角为，回程最大压力角为，根据仿真软件可得以下结论： 21 46 （如图 18） 图 18 5.2
14、凸轮材料选择凸轮材料选择 凸轮材料、公差及表面粗糙度 1 凸轮和从动件接触端常用材料、热处理及极限应力 HO 凸轮工作条件：低速轻载 凸轮材料：40、45、50 从动件接触端材料：45 凸轮转速 n=1.52r/min 结束语结束语 经过将近一个学期的努力，将半自动钻长送进机构完成。通过这次机械综合设计，我 发现了很多问题，看到了自身不足，同时也收获了很多东西。 1.通过这次综合设计，我发现自身对机械原理理论知识的学习存在一定的误区， 尤其在做针对实际工程需要的设计不能将理论与实践融会贯通，不能灵活运用 现有的知识，解决我们在设计过程中遇到的问题。 2.在送进机构的设计方案的确定过程中，我们不
15、能综合运用现有知识，从各方面 去分析方案的优缺点，确定最合适的设计方案。但是，经过这次综合训练，我 们的思维得到了很好的锻炼，通过在设计中查阅不同课程、不同学科的资料， 工程意识也得到了很好的培养。 3.通过这次机械综合设计，我们的创新能力有所提高，更增加了创造的激情，总 是希望不断的改进，追求完美。在这次综合设计中，我们还初步熟悉了机械设 计的基本过程，积累了初步的设计经验。 4.在这次机械综合设计中，我们不仅用到了机械原理和机构学中的知识，也用到 了各种软件，如 Matlab、Pro/E、Excel 等，这让我们明白机械综合设计要注 重多学科的交叉，多学科交叉也是今后机械设计的一个趋势。
16、最后，我们要感谢谢进老师，是他的支持和指导，是他给了我莫大的支持和帮助！ 参考文献参考文献 1 谢进 万朝燕 杜立杰.机械原理. 北京：高等教育出版社，2004.； 2 机械原理课程设计指导书.成都：西南交大出版社，2007 年.； 3 机械原理习题集.成都：不详，不详.； 附录附录 凸轮参数化仿真软件数据： 转角转角 (度度) ) 压力角压力角 (度度) ) 工作轮工作轮 廓廓 X Xn n 工作轮工作轮 廓廓 Y Yn n 工作轮工作轮 廓廓 r rn n 工作轮工作轮 廓廓 n n( (度度) ) 位移位移速度速度加速度加速度 0.00 -3.07 -55.63 25.32 68.28
17、-8.17 0.00 0.00 0.00 5.00 -3.27 -57.40 19.76 68.29 -13.17 0.00 -0.07 1.66 10.00 -3.87 -58.78 14.03 68.33 -18.17 0.02 -0.29 3.28 15.00 -4.83 -59.79 8.17 68.45 -23.15 0.06 -0.64 4.84 20.00 -6.11 -60.46 2.21 68.69 -28.13 0.13 -1.13 6.31 25.00 -7.65 -60.80 -3.84 69.09 -33.10 0.26 -1.74 7.66 30.00 -9.38
18、-60.83 -9.97 69.68 -38.04 0.44 -2.46 8.87 35.00 -11.22 -60.55 -16.21 70.49 -42.97 0.69 -3.28 9.90 40.00 -13.09 -59.97 -22.55 71.56 -47.87 1.02 -4.19 10.74 45.00 -14.89 -59.07 -29.01 72.89 -52.74 1.42 -5.15 11.38 50.00 -16.57 -57.83 -35.59 74.51 -57.59 1.92 -6.17 11.80 55.00 -18.05 -56.24 -42.30 76.4
19、4 -62.40 2.50 -7.21 12.00 60.00 -19.28 -54.24 -49.13 78.67 -67.17 3.17 -8.25 11.96 65.00 -20.24 -51.79 -56.07 81.21 -71.90 3.94 -9.29 11.70 70.00 -20.90 -48.85 -63.09 84.05 -76.60 4.79 -10.29 11.21 75.00 -21.25 -45.37 -70.15 87.18 -81.25 5.73 -11.24 10.51 80.00 -21.30 -41.30 -77.19 90.58 -85.87 6.75
20、 -12.12 9.61 85.00 -21.05 -36.60 -84.15 94.22 -90.44 7.85 -12.91 8.52 90.00 -20.51 -31.23 -90.94 98.08 -94.98 9.00 -13.60 7.27 95.00 -19.71 -25.16 -97.48 102.13 -99.49 10.22 -14.17 5.88 100.00 -18.66 -18.38 -103.66 106.31 -103.97 11.47 -14.62 4.38 105.00 -17.37 -10.89 -109.37 110.60 -108.42 12.76 -1
21、4.94 2.80 110.00 -15.87 -2.72 -114.50 114.95 -112.86 14.08 -15.11 1.16 115.00 -14.19 6.13 -118.93 119.32 -117.28 15.40 -15.14 -0.50 120.00 -12.34 15.58 -122.56 123.66 -121.70 16.71 -15.02 -2.15 125.00 -10.36 25.57 -125.27 127.94 -126.13 18.01 -14.76 -3.76 130.00 -8.27 36.03 -126.96 132.11 -130.55 19
22、.29 -14.37 -5.30 135.00 -6.10 46.85 -127.55 136.12 -134.99 20.52 -13.84 -6.73 140.00 -3.89 57.92 -126.94 139.96 -139.45 21.70 -13.20 -8.04 145.00 -1.65 69.12 -125.09 143.58 -143.93 22.82 -12.44 -9.19 150.00 0.58 80.31 -121.95 146.96 -148.45 23.87 -11.60 -10.17 155.00 2.77 91.34 -117.49 150.08 -152.9
23、9 24.84 -10.67 -10.96 160.00 4.90 102.06 -111.72 152.93 -157.57 25.73 -9.69 -11.53 165.00 6.94 112.32 -104.65 155.48 -162.19 26.53 -8.67 -11.88 170.00 8.86 121.97 -96.34 157.73 -166.85 27.24 -7.63 -12.01 175.00 10.67 130.86 -86.86 159.69 -171.56 27.86 -6.58 -11.91 180.00 12.33 138.85 -76.28 161.36 -
24、176.30 28.39 -5.55 -11.57 185.00 13.84 145.83 -64.74 162.75 -181.09 28.83 -4.57 -11.02 190.00 15.18 151.67 -52.34 163.87 -185.92 29.19 -3.64 -10.26 195.00 16.36 156.30 -39.25 164.74 -190.78 29.47 -2.78 -9.30 200.00 17.37 159.64 -25.60 165.39 -195.68 29.68 -2.02 -8.16 205.00 18.20 161.66 -11.55 165.8
25、5 -200.61 29.82 -1.36 -6.87 210.00 18.86 162.33 2.73 166.14 -205.56 29.92 -0.82 -5.44 215.00 19.34 161.66 17.09 166.31 -210.54 29.97 -0.41 -3.92 220.00 19.65 159.68 31.38 166.38 -215.52 29.99 -0.14 -2.31 225.00 19.80 156.42 45.47 166.40 -220.52 30.00 -0.01 -0.66 230.00 21.50 151.92 59.05 166.26 -225
26、.54 29.96 1.59 -30.31 235.00 24.14 145.68 71.98 165.46 -230.66 29.71 4.23 -30.31 240.00 26.59 137.66 84.10 163.94 -235.90 29.22 6.88 -30.31 245.00 28.89 127.99 95.10 161.70 -241.24 28.50 9.52 -30.31 250.00 31.08 116.85 104.69 158.73 -246.70 27.56 12.17 -30.31 255.00 33.21 104.46 112.60 155.02 -252.2
27、7 26.38 14.81 -30.31 260.00 35.30 91.12 118.60 150.57 -257.94 24.97 17.46 -30.31 265.00 37.40 77.16 122.47 145.36 -263.72 23.33 20.10 -30.31 270.00 39.57 62.95 124.06 139.39 -269.60 21.46 22.75 -30.31 275.00 41.86 48.91 123.27 132.64 -275.57 19.36 25.39 -30.31 280.00 44.32 35.47 120.09 125.09 -281.6
28、4 17.03 28.04 -30.31 285.00 46.18 22.96 114.61 116.77 -287.77 14.48 29.63 30.31 290.00 44.66 11.60 107.91 108.62 -293.83 12.01 26.98 30.31 295.00 42.87 1.95 100.77 101.19 -299.76 9.77 24.34 30.31 300.00 40.71 -6.18 93.46 94.50 -305.56 7.76 21.69 30.31 305.00 38.09 -13.02 86.23 88.57 -311.23 5.98 19.
29、05 30.31 310.00 34.86 -18.81 79.25 83.38 -316.79 4.44 16.40 30.31 315.00 30.88 -23.80 72.62 78.96 -322.24 3.12 13.76 30.31 320.00 26.03 -28.22 66.40 75.31 -327.59 2.04 11.11 30.31 325.00 20.22 -32.32 60.61 72.41 -332.85 1.18 8.47 30.31 330.00 13.50 -36.28 55.21 70.28 -338.03 0.56 5.82 30.31 335.00 6.11 -40.28 50.13 68.91 -343.13 0.17 3.17 30.31 340.00 -1.55 -44.43 45.29 68.31 -348.17 0.01 0.53 30.31 345.00 -3.06 -47.93 40.69 68.30 -353.17 0.01 0.00 0.00 350.00 -3.06 -50.90 35.83 68.30 -358.17 0.01 0.00 0.00 355.00 -3.06 -53.48 30.69 68.30 -363.17 0.01 0.00 0.00