題目 2 半自動鉆床 2.1設計題目 設計加工圖 1 所示工件 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。 圖 1 加工工件 半自動鉆床設計數(shù)據(jù)參看表 3。 表 3 半自動鉆床凸輪設計數(shù)據(jù) 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(jié)拍（生產率） 件 /min A 40 30 15 1450 1 B 35 25 20 1400 2 C 30 20 10 960 1 2.2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.設計傳動系統(tǒng)并確定其傳動比分配。 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(huán)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(guī)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(guī)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。 7.學生可進一步完成：凸輪的數(shù)控加工，半自動鉆床的計算機演示驗證等。 2.3設計提示 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，還需設計送料機構、定位機構。各機構運動循環(huán)要求見表 4。 3. 可采用凸輪軸的方法分配協(xié)調各機構運動。 表 4 機構運動循環(huán)要求 凸輪軸 轉角 10 20 30 45 60 75 90 105 270 300 360 送料 快進 休止 快退 休止 定位 休止 快進 休止 快退 休止 進刀 休止 快進 快進 快退 休止 三 運動方案的選擇與比較 方案的分析與比較 ： (1) 減速機構： 由于電動機的轉速是 1450r/min，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，然后用圓錐齒輪實現(xiàn)方向的轉換。 圖 4-1 （ 1） 對比機構： 對比機構： 定軸輪系傳動； 傳動比 =n輸入 /n輸出=700 傳動比很 大，要用多級傳動。如圖 4-2. 圖 4-2 (3) 進刀機構 采用一個擺動滾子從動件盤行凸輪機構來傳遞齒輪齒條機構 .因為我們用一個擺動滾子從動件盤行凸輪機構來傳遞齒輪機構，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 .帶動動刀頭來完成鉆孔，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(wěn)性。 圖 4-3 （ 4） 對比機構： 在擺桿上加一個平行四邊行四桿機構，這樣也可以來實現(xiàn)傳動，但是當加了四桿機構以后并沒有達到改善傳動的效果，只是多增加了四桿機構，為了使機構結構緊湊，又能完成需要的傳動，所以選擇了一個擺動滾子從動件盤行凸輪機構。 方案一： D1 為了達到輸出間歇運動同時能夠做到循環(huán)往復運動，采用凸輪機構和扇形齒與齒條配合，中間采用連桿帶動。先把回轉運動動力轉化為扇形齒的往復擺 動，在通過齒輪傳遞給齒條，增加一個齒輪的目的是為了使傳動更加的平穩(wěn)可靠。 圖 4-4 （ 5） 送料系統(tǒng)： 采用一個六桿機構來代替曲柄滑塊機構，由于設計的鉆床在空間上傳動軸之間的距離有點大，故一般四桿機構很難實現(xiàn)這種遠距離的運動。再加上用四桿機構在本設計中在尺寸上很小。所以考慮到所設計的機構能否穩(wěn)定的運行因此優(yōu)先選用了如下圖的六桿機構來實現(xiàn)。由于本設計送料時 不要求在傳動過程中有間歇，所以不需要使用凸輪機構。如圖 4-5。 圖 4-5 （ 6） 對比機構： 所 選用的對比四桿機構如下圖 (圖 4-6)，由于在空間上軸與軸之間的距離較大，但選用下來此四桿的尺寸太小。故優(yōu)先選用六桿機構。 方案二： B2 采用凸輪與四桿機構的組合結構實現(xiàn)既有快慢變化的運動又有休止的間歇運動。 圖 4-6 （ 7） 定位系統(tǒng)： 定位系統(tǒng)采用的是一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，因為定位系統(tǒng)要 有間歇，所以就要使用凸輪機構，但如果是平底推桿從動件，則凸輪就會失真，若增加凸輪的基圓半徑，那么凸輪機構的結構就會很大，也不求實際，所以就采用 一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，它就可以滿足我們的實際要求了。 圖 4-7 （ 8） 對比機構： 采用彈力急回間歇機構來代替偏置直動滾子從動件盤型凸輪，它是將旋 轉運動轉換成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(jié)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。 圖 4-8 方案一： C1 利用四桿機構中死點的積極作用，選取凸輪結合夾緊機構共同作用達到定位機構和間歇定位的要求。 四 .機構運動總體方案 圖（機構運動簡圖） 根據(jù)前面表 3-3中實線連接的方案的運動簡圖確定本設計中半自動鉆床的總體方案圖如圖 5-1 圖 5-1 五 工作循環(huán)圖 圖 5-1 所示的機械系統(tǒng)方案的執(zhí)行件需要進行運動協(xié)調設計 其運動循環(huán)如圖 6-1 凸輪軸轉角 00 1000 1000 1500 1500 2700 2700 3000 3000 3600 送料 快進 快退 定位 休止 快進 休止 快退 進刀 休止 快進 慢進 休止 快退 圖 6-1 六 執(zhí)行機構設計過程及尺寸計算 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(jù)要求，進料機構工作行程為 40mm，可取 ABCD4桿機構的極位夾角為 12度，則由1 )1(180 K K 得 K=1.14，急回特性不是很明顯，但對送料機構來說并無影響。 各桿尺寸：（如圖 6-1） AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8該尺寸可以滿足設計要求，即滑塊的左右運動為 40， ABCD的極位夾角為 12度。 圖 6-1 2.凸輪擺桿機構的設計： (1).由進刀規(guī)律，我們設計了凸輪擺桿機構，又以齒輪齒條的嚙合來實現(xiàn)刀頭的上下運動； (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現(xiàn)弧形齒條的來回擺動，從而實現(xiàn)要求；采用滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機構，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸 .刀具的運動規(guī)律就與凸輪擺桿的運動規(guī)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(jù)進刀機構的工作循環(huán)規(guī)律 ,設計凸輪基圓半徑 r0=40mm，中心距 A=80mm，擺桿長度 d=65mm，最大擺角為 18 , 凸輪轉角 =0-60 , =0 ; 凸輪轉角 =60 -270，刀具快進， =5， 凸輪轉角 =270 -300； 凸輪轉角 =300 -360， =0 2.設計圓形齒條 ,根據(jù)刀頭的行程和凸輪的擺角 ,設計出圓形齒輪的半徑 r=l/ ,由 =18 , l=10mm， 3.得到 r=63.69mm，如圖 7-2 圖 7-2 3.凸輪推桿機構的設計： 凸輪機構 采用直動滾 子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機構，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸，實現(xiàn)定位功能。只要適當?shù)卦O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(guī)律，滿足加工要求，而且響應快速，機構簡單緊湊。具體設計如下 : 設計基圓半徑 r0=40mm,偏心距 e=25 凸輪轉角 =0 -100 ,定位機構休止 ,推桿行程 h=0mm; 凸輪轉角 =100 -285 ,定位機構快進 ,推桿行程 h=20mm; 凸輪轉角 =285 -300 ,定位機構休止 ,推桿行程 h=0mm; 凸輪轉角 =300 -360 ,定位機構快退 ,推桿行程 h=-20mm; 設計偏心距 e=20 的原因是因為此凸輪執(zhí)行的是定位，其定位桿的行程為 20故如此設計。 4 行星輪系的計算 : （ 1）用定軸輪系傳動 傳動比 =n輸入 /n輸出=700 傳動比很大，要用多級傳動。（ 2）用行星輪系傳動 Z1=35 Z2=20 Z2=20 Z3=35 傳動比 iH3=700 根據(jù)行星輪傳動公式： i（ H3） =1-i(31)H=1-Z2Z1/Z3Z2 由 i(1H)=1-Z2Z1/Z3Z2，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(shù)如下表： 皮帶輪參數(shù) 名稱 皮帶輪 1 皮帶輪 2 半徑（ mm） 100 100 齒輪參數(shù) 模數(shù)（ mm） 壓力角（） 齒數(shù)（個） 直徑（ mm） 齒輪 1 2. 20 35 70 齒輪 2 2 20 20 40 齒輪 2 2 20 20 40 齒輪 3 2 20 35 70 七 . 凸輪設計分段圖輪廓圖和設計結果 一 .定位凸輪 圖 8-1 為定位凸輪分段圖和設計結果圖 圖 8-1 圖 8-2 和 8-3 為定位凸輪的輪廓圖（ 8-2 內包絡線圖， 8-3 外 包絡線圖） 圖 8-2 圖 8-3 二 .進刀凸輪 進刀凸輪類型設計結果如圖 8-4，凸輪運動分段如圖 8-5. 圖 8-4， 圖 8-5 進刀凸輪的輪廓線設計如圖 8-6（內包絡線）和圖 8-7（外包絡線） 圖 8-6 圖 8-7 I 變速機構 方案一： A1 由于電動機的轉速是 1450r/min，而選用設計要求的主軸轉速為 1r/min?？梢钥紤]利用行星輪進行大比例的降速，然后采用蝸輪變向。 機構簡圖 送料機構的選型： 方案一： B1 直接采用凸輪滑塊機構，并且在輪同軸的齒輪組合中加入不完全齒輪以滿足間歇休止運動要求。 方案二： B2 采用凸輪與四桿機構的組合結構實現(xiàn)既有快慢變化的運動又有休止的間歇運動。 方案三： B3 采用一個六桿機構來代替曲柄滑塊機構，由于設計的鉆床在空間上傳動軸之間的距離有點大，故一般四桿機構很難實現(xiàn)這種遠距離的運動。再加上用四桿機構在本設計中在尺寸上很小。所以 考慮到所設計的機構能否穩(wěn)定的運行因此優(yōu)先選用了如下圖的六桿機構來實現(xiàn) 。 定位機構選型 方案一： C1 利用四桿機構中死點的積極作用，選取凸輪結合夾緊機構共同作用達到定位機構和間歇定位的要求。 方案二： C2 定位系統(tǒng)采用的是一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，因為定位系統(tǒng)要 有間歇，所以就要使用凸輪機構，但如果是平底推桿從動件，則凸輪就會失真，若增加凸輪的基圓半徑，那么凸輪機構的結構 就會很大，也不求實際，所以就采用一個偏置直動滾子從動件盤型凸輪，它就可以滿足實際要求了。 進刀機構 方案一： D1 為了達到輸出間歇運動同時能夠做到循環(huán)往復運