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题目2 半自动钻床 2.1设计题目 设计加工图1所示工件ф12mm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。 图1 加工工件 半自动钻床设计数据参看表3。 表3 半自动钻床凸轮设计数据 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/min A 40 30 15 1450 1 B 35 25 20 1400 2 C 30 20 10 960 1 2.2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。 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。 7.学生可进一步完成：凸轮的数控加工，半自动钻床的计算机演示验证等。 2.3设计提示 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，还需设计送料机构、定位机构。各机构运动循环要求见表4。 3. 可采用凸轮轴的方法分配协调各机构运动。 表4 机构运动循环要求 凸轮轴 转角 10º 20º 30º 45º 60º 75º 90º 105º～270º 300º 360º 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 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1450r/min，而设计要求的主轴转速为2r/min，利用行星轮进行大比例的降速，然后用圆锥齿轮实现方向的转换。 图4-1 （1） 对比机构： 对比机构：定轴轮系传动；传动比 =n输入/n输出 =700 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。 § 方案一： § D1为了达到输出间歇运动同时能够做到循环往复运动，采用凸轮机构和扇形齿与齿条配合，中间采用连杆带动。先把回转运动动力转化为扇形齿的往复摆动，在通过齿轮传递给齿条，增加一个齿轮的目的是为了使传动更加的平稳可靠。 图4-4 （5） 送料系统： 采用一个六杆机构来代替曲柄滑块机构，由于设计的钻床在空间上传动轴之间的距离有点大，故一般四杆机构很难实现这种远距离的运动。再加上用四杆机构在本设计中在尺寸上很小。所以考虑到所设计的机构能否稳定的运行因此优先选用了如下图的六杆机构来实现。由于本设计送料时不要求在传动过程中有间歇，所以不需要使用凸轮机构。如图4-5。 图4-5 （6）对比机构： 所选用的对比四杆机构如下图(图4-6)，由于在空间上轴与轴之间的距离较大，但选用下来此四杆的尺寸太小。故优先选用六杆机构。 § 方案二： § B2采用凸轮与四杆机构的组合结构实现既有快慢变化的运动又有休止的间歇运动。 图4-6 （7）定位系统： 定位系统采用的是一个偏置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，所以就采用一个偏置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 § 方案一： § C1利用四杆机构中死点的积极作用，选取凸轮结合夹紧机构共同作用达到定位机构和间歇定位的要求。 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5-1 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 00～1000 1000～1500 1500～2700 2700～3000 3000～3600 送料 快进 快退 定位 休止 快进 休止 快退 进刀 休止 快进 慢进 休止 快退 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40mm，可取ABCD4杆机构的极位夹角为12度，则由 得K=1.14，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=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8 该尺寸可以满足设计要求，即滑块的左右运动为40，ABCD的极位夹角为12度。 图6-1 2.凸轮摆杆机构的设计： (1).由进刀规律，我们设计了凸轮摆杆机构，又以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=40mm，中心距A=80mm，摆杆长度d=65mm，最大摆角β为18°, 凸轮转角λ=0-60°,β=0°; 凸轮转角λ=60°-270°，刀具快进，β=5°， 凸轮转角λ=270°-300°； 凸轮转角λ=300°-360°，β=0° 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=l/β,由β=18°, l=10mm， 3.得到r=63.69mm，如图7-2 图7-2 3.凸轮推杆机构的设计： 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，就可以使推杆得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=40mm,偏心距e=25 凸轮转角λ=0°-100°,定位机构休止,推杆行程h=0mm; 凸轮转角λ=100°-285°,定位机构快进,推杆行程h=20mm; 凸轮转角λ=285°-300°,定位机构休止,推杆行程h=0mm; 凸轮转角λ=300°-360°,定位机构快退,推杆行程h=-20mm; 设计偏心距e=20的原因是因为此凸轮执行的是定位，其定位杆的行程为20故如此设计。 4．行星轮系的计算: （1）用定轴轮系传动 传动比 =n输入/n输出 =700 传动比很大，要用多级传动。 （2）用行星轮系传动 Z1=35 Z2=20 Z2’=20 Z3=35 传动比iH3=700 根据行星轮传动公式：i（H3）=1-i(31)H=1-Z2’Z1/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） 100 100 齿轮参数 模数（mm） 压力角（°） 齿数（个） 直径（mm） 齿轮1 2. 20 35 70 齿轮2 2 20 20 40 齿轮2’ 2 20 20 40 齿轮3 2 20 35 70 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 图8-2和8-3为定位凸轮的轮廓图（8-2内包络线图，8-3外包络线图） 图8-2 图8-3 二.进刀凸轮 进刀凸轮类型设计结果如图8-4，凸轮运动分段如图8-5. 图8-4， 图8-5 进刀凸轮的轮廓线设计如图8-6（内包络线）和图8-7（外包络线） 图8-6 图8-7 I 变速机构 § 方案一： § A1由于电动机的转速是1450r/min，而选用设计要求的主轴转速为1r/min。可以考虑利用行星轮进行大比例的降速，然后采用蜗轮变向。 机构简图 Ⅱ送料机构的选型： § 方案一： § B1直接采用凸轮滑块机构，并且在轮同轴的齿轮组合中加入不完全齿轮以满足间歇休止运动要求。 § 方案二： § B2采用凸轮与四杆机构的组合结构实现既有快慢变化的运动又有休止的间歇运动。 § 方案三： § B3采用一个六杆机构来代替曲柄滑块机构，由于设计的钻床在空间上传动轴之间的距离有点大，故一般四杆机构很难实现这种远距离的运动。再加上用四杆机构在本设计中在尺寸上很小。所以考虑到所设计的机构能否稳定的运行因此优先选用了如下图的六杆机构来实现 。 § Ⅲ 定位机构选型 § 方案一： § C1利用四杆机构中死点的积极作用，选取凸轮结合夹紧机构共同作用达到定位机构和间歇定位的要求。 § 方案二： § C2定位系统采用的是一个偏置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，所以就采用一个偏置直动滚子从动件盘型凸轮，它就可以满足实际要求了。 Ⅳ 进刀机构 § 方案一： § D1为了达到输出间歇运动同时能够做到循环往复运动，采用凸轮机构和扇形齿与齿条配合，中间采用连杆带动。先把回转运动动力转化为扇形齿的往复摆动，在通过齿轮传递给齿条，增加一个齿轮的目的是为了使传动更加的平稳可靠。 § 方案二 § D2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。