1、、課程設計課程名稱： 機械原理 學 院：機械工程學院 專 業： 機電信息化 姓 名： 馮頻 學 號： 0908030263 年 級： 2009級 任課教師： 戴 明 2012年1月5日半自動鉆床設計報告設計任務書-目錄1. 工作原理-12.功能分解圖，執行機構動作分解圖-33.運動方案的比較-44.執行構件的選擇-105.機構運動簡圖-116.工作循環圖-127.執行機構設計過程及尺寸計算-138.機構運動分析計算機輔助設計流程-189.程序清單- 1910.凸輪設計分段圖-2411.運行結果及運動線圖-30設計總結-31參考文獻-32機械原理課程設計任務一、設計題目及原始數據設計加工所示工件

2、12mm孔的半自動鉆床。進刀機構負責動力頭的升降，送料機構將被加工工件推入加工位置，并由定位機構使被加工工件可靠固定。半自動鉆床設計數據參看下表。 半自動鉆床凸輪設計數據表方案號進料機構工作行程mm定位機構工作行程mm動力頭工作行程mm電動機轉速r/mm工作節拍（生產率）件/minb35252014002二、設計方案提示1.鉆頭由動力頭驅動，設計者只需考慮動力頭的進刀（升降）運動。2. 除動力頭升降機構外，還需要設計送料機構、定位機構。各機構運動循環要求見下表。3. 可采用凸輪軸的方法分配協調各機構運動。機構運動循環要求表三、設計任務1.半自動鉆床至少包括凸輪機構、齒輪機構在內的三種機構；2.

3、設計傳動系統并確定其傳動比分配，并在圖紙上畫出傳動系統圖；3. 圖紙上畫出半自動鉆床的機構運動方案簡圖和運動循環圖；4.凸輪機構的設計計算。按各凸輪機構的工作要求，自選從動件的運動規律，確定基圓半徑，校核最大壓力角與最小曲率半徑。對盤狀凸輪要用電算法計算出理論廓線、實際廓線值。畫出從動件運動規律線圖及凸輪廓線圖；5.設計計算其他機構；6.編寫設計計算說明書； 1.工作原理1.1機構的工作原理該系統由電機驅動，通過變速傳動將電機的1400r/min降到主軸的2r/min，與傳動軸相連的各機構控制送料，定位，夾緊，和進刀等工藝動作，進刀由凸輪機構通過齒輪傳動帶動齒條上下平穩地運動,這樣動力頭也就能

4、帶動刀具平穩地上下移動從而保證了較高的加工質量，定位夾緊由凸輪機構通過連桿使定位頭、夾緊頭往復運動，送料由六桿機構最后帶動送料頭往復運動。1.2原動機的選擇（1） 原動機的分類原動機的種類按其輸入能量的不同可以分為兩類：a一次原動機 此類原動機是把自然界的能源直接轉變為機械能，因此稱為一次原動機。屬于此類原動機的有柴油機，汽油機，汽輪機和燃汽機等。b二次原動機 此類原動機是將發電機等能機所產生的各種形態的能量轉變為機械能，因此稱為二次原動機。屬于此類原動機的有電動機，液壓馬達，氣壓馬達，汽缸和液壓缸等。（2） 選擇原動機時需考慮的因素：1：考慮現場能源的供應情況。2：考慮原動機的機械特性和工作

5、制度與工作相匹配。3：考慮工作機對原動機提出的啟動，過載，運轉平穩，調速和控制等方面的要求。4：考慮工作環境的影響。5：考慮工作可靠，操作簡易，維修方便。6：為了提高機械系統的經濟效益，須考慮經濟成本：包括初始成本和運轉維護成本。綜上所述，在半自動鉆床中最益選擇二次原動機中的電動機作為原動件。1.3傳動機構的選擇（1）傳動機構的作用1：把原動機輸出的轉矩變換為執行機構所需的轉矩或力。2：把原動機輸出的速度降低或提高，以適應執行機構的需要。3：用原動機進行調速不經濟和不可能時，采用變速傳動來滿足執行機構經常調要求4：把原動機輸出的等速回轉運動轉變5：實現由一個或多個動力機驅動或若干個速度相同或不

6、同的執行機構。6：由于受機體的外形，尺寸的限制，或為了安全和操作方便，執行機構不宜與原動機直接連接時，也需要用傳動裝置來聯接。（2）傳動機構選擇的原則1：對于小功率傳動，應在考慮滿足性能的需要下，選用結構簡單的傳動裝置，盡可能降低初始費用。2：對大功率傳動，應優先考慮傳動的效率，節約能源，降低運轉費用和維修費用。3：當執行機構要求變速時，若能與動力機調速比相適應，可直接連接或采用定傳動比的傳動裝置；當執行機構要求變速范圍大。用動力機調速不能滿足機械特性和經濟性要求時，則應采用變傳動比傳動；除執行機構要求連續變速外，盡量采用有級變速。 4：執行機構上載荷變化頻繁，且可能出現過載，這時應加過載保護

7、裝置。5：主，從動軸要求同步時，應采用無滑動的傳動裝置。6：動裝置的選用必須與制造水平相適應，盡可能選用專業廠生產的標準傳動裝置，加減速器，變速器和無級變速器等。2.功能分解圖，執行機構動作分解圖2.1功能分解圖2.2繪制機械系統運動轉換功能3. 運動方案的比較3.1電機的選用1）、電機選用y型三相異步電動機，其優點很多并且能夠滿足此設計所要達到的效果，優點：防水滴，灰塵，鐵削等；運動可靠壽命長，實用維護方便性能優良，體積小質量輕，轉動慣量小，用料省等。其適用于金屬切削機床等。2）、對比電機:直流電機，有諸多缺點，總體性能沒有y型三相異步電動機好。3.2減速機構由于電動機的轉速是1400r/m

8、in，而設計要求的主軸轉速為2r/min，利用行星輪進行大比例的降速。3.3進刀機構（1）（2）對比：方案（1）用一個擺動滾子從動件盤型凸輪機構來傳遞齒輪齒條機構.當進刀的時候，凸輪在推程階段運行，很容易通過機構傳遞帶動齒輪齒條嚙合.帶動刀來完成鉆孔，回程時可在彈簧拉力作用下實現順利回程，擺桿轉動的幅度也是等于齒廓轉動的幅度，兩個齒輪來傳動也具有穩性。方案（2）也是采用一個擺動滾子從動件盤型凸輪機構，比（1）簡單，但是沒有杠桿，不能滑動很大范圍。3.4送料機構（1） 六桿機構（2）曲柄滑塊機構對比：方案(1)采用一個六桿機構,考慮到所設計的機構能否穩定的運行因此選用了六桿機構來實現。由于本設計

9、送料時不要求在傳動過程中有間歇，所以不需要使用凸輪機構。方案（2）采用曲柄滑塊機構,比（1）簡單，但是滑塊滑動距離有限。3.5定位（夾緊）機構（1） （2）對比：方案（1）采用的是一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，因為定位夾緊系統要求有間歇，所以就要使用凸輪機構。（2）采用此機構時將擺動轉化為單側停歇的往復運動，這樣也可以完成實際要求，但是為了使設計的機構結構緊湊，又能節省材料，所以還是選偏置直動滾子從動件盤型凸輪來完成定位。4執行構件的選擇 4.1減速傳動機構選用經濟成本相對較低，而且具有傳動效率高,結構簡單,傳動比大的特點,可滿足具有較大傳動比的工作要求，故我們這里就采用行星輪系來實現我設計

10、的傳動。4.2定位夾緊機構由于我們設計的機構要有間歇往復的運動，有當凸輪由近休到遠休運動過程中,定位桿夾緊頭就阻止了工件滑動，當凸輪由遠休到近休運動過程中可通過兩側的彈簧實現定位機構的回位,等待送料,凸輪的循環運動完成了此功能。、4.3送料機構送料也要要求有往復運動，通過六桿機構，然后實現在生產臺上的送料往復運動。 4.4進刀機構采用凸輪的循環運動,推動滾子使推桿上下移動,推桿另一端連接杠桿，通過杠桿的擺動弧度放大原理將滾子擺動角度進行放大.可增大刀具的進給量,在杠桿的另一端焊接一個圓弧齒輪,圓弧齒輪的擺動實現齒輪的轉動,齒輪的轉動再帶動動力頭的升降運動實現進刀. 4.5機械系統運動方案 減速

11、一帶傳動齒輪傳動鏈傳動減速二帶傳動齒輪傳動鏈傳動送料推桿間歇往復運動曲柄滑塊機構凸輪機構凸輪+連桿機構定位（夾緊）桿間歇往復運動凸輪機構連桿機構凸輪+連桿機構刀具的運動凸輪連桿機構齒輪搖桿機構凸輪機構 5.機構運動簡圖 6.工作循環圖說明：x軸表明運動時間和凸輪轉角，y軸數據各機構的工作行程7.執行機構設計過程及尺寸計算7.1送料機構機構采用如下分析送料連桿機構：采用如下機構來送料，根據要求，進料機構工作行程為35mm，可取abcd4桿機構的極位夾角為8度，則得k=1.09，急回特性不是很明顯。 各桿尺寸：ab=8; bc=58; cd=25; ce=25; ef=29; ad=50.作圖法步

12、驟：（1） 作滑塊行程ff1=35mm(2) 作ff1的中垂線，在此中垂線上選取轉動副d(3) 作機架ad=50，搖桿cd=25(4) 連接ac，作角cac1為8度(5) 以d為圓心，dc為半徑作弧，交ac1于c1點(6) 以a為圓心，(ac-ac1)/2為半徑作圓(7) 延長dc,取ce=25，以d為圓心de為半徑作弧，交dc1延長線于e1點(8) 連接ef ef1，得ef=297.2凸輪擺桿機構的設計 (1).由進刀規律，我們設計了凸輪擺桿機構，又以齒輪齒條的嚙合來實現刀頭的上下運動，且凸輪軸線與分配軸共線； (2).用凸輪擺桿機構和圓弧形齒條所構成的同一構件，凸輪擺桿從動件的擺動就可以實

13、現弧形齒條的來回擺動，從而實現要求；采用滾子盤型凸輪，且為力封閉凸輪機構，利用彈簧力來使滾子與凸輪保持接觸.刀具的運動規律就與凸輪擺桿的運動規律一致； (3).弧形齒條所轉過的弧長即為刀頭所運動的的距離。具體設計步驟如下： 1.根據進刀機構的工作循環規律,設計凸輪基圓半徑r0=30mm，中心距a=120mm，,最大擺角為18,由方案號b和工作循環表可得：凸輪轉角=0-105,推桿行程h=0mm;凸輪轉角=105-172，推桿行程h=5mm;凸輪轉角=172-300；推桿行程h=5mm;凸輪轉角=300-360，推桿行程h=-10mm;2. 設計圓形齒條,根據刀頭的行程和凸輪的擺角,設計出圓形齒

14、輪的半徑 r=l/,由=18, l=20mm，得到r=63.69mm 3.各桿尺寸： ab=63.69mm bc=l/=63.69mm7.3定位凸輪推桿機構的設計定位凸輪機構采用直動滾子盤型凸輪，利用彈簧力來使滾子與凸輪保持接觸，實現定位功能。只要適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得我們所需要的運動規律，滿足加工要求。具體設計參數如下:設計基圓半徑r0=60mm,偏心距e=0由方案號b和工作循環表可得：凸輪轉角=0-50,定位機構休止,推桿行程h=0mm;凸輪轉角=50-120,定位機構快進,推桿行程h=25mm;凸輪轉角=120-310,定位機構休止,推桿行程h=0mm;凸輪轉角=31

15、0-360,定位機構快退,推桿行程h=-25mm;7.4夾緊凸輪推桿機構設計夾緊凸輪推桿機構與定位機構原理相同，同上。具體設計參數如下：設計基圓半徑r0=30mm，偏心距e=0由方案號b和工作循環表可得：凸輪轉角=0-170,定位機構休止,推桿行程h=0mm;凸輪轉角=170-240,定位機構快進,推桿行程h=10mm;凸輪轉角=240-310,定位機構休止,推桿行程h=0mm;凸輪轉角=310-360,定位機構快退,推桿行程h=-10mm;7.5行星輪系的計算:用行星輪系傳動，代替了定軸輪系的多級傳動，節省材料，傳動效率高。傳動比ih3=175根據行星輪傳動公式：i（3h）=1-i(31)h

16、=1-z1z2/z2z3由i(3h)=1/i(h3)，考慮到齒輪大小與傳動的合理性，經過比較設計皮帶傳動機構與齒輪系傳動機構的相應參數如下表： 皮帶輪參數名稱皮帶輪1皮帶輪2半徑（mm）100400齒輪參數模數（mm）壓力角（）齒數（個）直徑（mm）齒輪11208787齒輪21205050齒輪22202040齒輪322035708.機構運動分析計算機輔助設計流程9.程序清單private sub command1_click()dim b(6), c(6), d(3), t as string pai = atn(1#) * 4 / 180 for fi = 0 to 360 step 10

17、fi1 = fi * pai call 單桿運動分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.007906, 0, fi1,0.209440, 0, _ xb, yb, vbx, vby, abx, aby) call rrr運動分析子程序(1, xb, yb, vbx, vby, abx, aby,0.05, 0, 0, 0, 0, 0, _ 0.05534,0.025, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, _ omega2, omega3, epsilon2, epsilon3) call 單桿運動分析子程序(0.05, 0, 0, 0, 0,

18、 0, 0.05, 0, fi3, omega3, epsilon3, _ xd, yd, vdx, vdy, adx, ady) call rrp運動分析子程序(1, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, 0.0850, 0.07, 0, 0, 0, 0, _ 0.02903, 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) + vbcrlf t = t + ve

19、(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 + epsilon4(rad/s)= + str(epsilon4) + vbcrlf t = t + vbcrlf next fi text1.text = t end s

20、ub sub 單桿運動分析子程序(xa, ya, vax, vay, aax, aay, s, theta, fi, omega, epsilon, _ xm, ym, vmx, vmy, amx, amy) xm = xa + s * cos(fi + theta) ym = 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

21、 * cos(fi + theta) amy = aay + s * epsilon * cos(fi + theta) - s * omega 2 * sin(fi + theta) end sub sub rrp運動分析子程序(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, e

22、1, f1, q, e2, f2 pi = atn(1#) * 4 d2 = (xb - xp) 2 + (yb - yp) 2) e = 2 * (xp - xb) * cos(fi3) + 2 * (yp - yb) * sin(fi3) f = d2 - l2 2 if e 2 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

23、= yb + l2 * sin(fi2)ycd = yc - ydxcd = xc - xdif xcd 0 thenfi3 = atn(ycd / xcd)elseif ycd = 0 thenfi3 = atn(ycd / 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 =

24、e / qomega3 = f / qvcx = vbx - omega2 * (yc - yb)vcy = vby + omega2 * (xc - xb)ea = adx - abx + omega2 2 * (xc - 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 - x

25、b) - epsilon2 * (yc - yb)acy = aby - omega2 2 * (yc - yb) + epsilon2 * (xc - xb)n1: end sub sub atn1(x1, y1, x2, y2, fi) dim pi, y21, x21pi = atn(1#) * 4y21 = y2 - y1x21 = x2 - x1if x21 = 0 then 判斷bd線段與x軸的夾角 if y21 0 then fi = pi / 2 elseif y21 = 0 then msgbox b、d兩點重合，不能確定 else: fi = 3 * pi / 2 end

26、if else if x21 = 0 then fi = atn(y21 / x21) else: fi = atn(y21 / x21) + 2 * pi end ifend ifend subprivate sub command2_click()dim b(6), c(6), d(3), xe1(360), vex1(360), aex1(360) pai = atn(1#) * 4 / 180 picture1.print 紅色線條表位移 藍色線條表速度 綠色線條表加速度 picture1.print 機信098 馮頻 李海 for fi = 0 to 360 step 10 fi1

27、= fi * pai call 單桿運動分析子程序(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.007906, 0, fi1,0.209440, 0, _ xb, yb, vbx, vby, abx, aby) call rrr運動分析子程序(1, xb, yb, vbx, vby, abx, aby,0.05, 0, 0, 0, 0, 0, _ 0.05534,0.025, xc, yc, vcx, vcy, acx, acy, fi2, fi3, _ omega2, omega3, epsilon2, epsilon3) call 單桿運動分析子程序(0.05, 0, 0, 0, 0, 0,

28、0.05, 0, fi3, omega3, epsilon3, _ xd, yd, vdx, vdy, adx, ady) call rrp運動分析子程序(1, xd, yd, vdx, vdy, adx, ady, 0.085, 0.07, 0, 0, 0, 0, _ 0.02903, 0, 0, 0, xe, ye, vex, vey, aex, aey, fi4, omega4, epsilon4, sr, vsr, asr) xe1(fi) = xe vex1(fi) = vex aex1(fi) = aex next fi forecolor = qbcolor(0) picture1.scale (-10, 100)-(370, -100) picture1.line (0, 0)-(360, 0), forecolor picture1.line (0, -100)-(0, 100), forecolor forecolor = qbcolor(4) picture1.pset (0, xe1(0) * 100) for fi = 0 to 360 step 10 picture1.line -(fi, xe1(fi) * 2000 - 170), forecolor next fi forecol