打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)(機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè))

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1、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程作業(yè) （打孔機(jī)的設(shè)計(jì)） 一、設(shè)計(jì)任務(wù)書 1 二、確定總共能（黑箱） 2 三、確定工藝原理 3 （一）機(jī)構(gòu)的工作原理: 3 （二）原動機(jī)的選擇原理 3 (三)傳動機(jī)構(gòu)的選擇和工作原理 3 四、工藝路線圖 4 五、功能分解（功能樹） 4 六、確定每種功能方案，形態(tài)學(xué)矩陣 5 七、系統(tǒng)邊界 6 八、方案評價(jià) 6 九、畫出方案簡圖 7 十、總體布局圖 9 十一、主要參數(shù)確定 10 十二、循環(huán)圖 14

2、 一、設(shè)計(jì)任務(wù)書 編號 名稱 半自動打孔機(jī) 設(shè)計(jì)單位 起止時(shí)間 2015.11 主要設(shè)計(jì)人員 設(shè)計(jì)費(fèi)用 1 功能 主要功能：實(shí)現(xiàn)工件自動打孔 2 適應(yīng)性 對象:需要打孔的工件 環(huán)境：遠(yuǎn)離振動源；要有電源 3 性能 動力：轉(zhuǎn)速為1450 r/min，功率N = 1.2 kW 4 可靠度 整機(jī)99.9% 5 使用壽命 一次性使用5年，多次維修10年 6 人機(jī)工程 操作方便 7 安全性 有漏電保護(hù)，過載保護(hù) 8 要求 1.不能有振動，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 2. 進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程大于等于40mm

3、 3. 動力鉆頭工作行程大于18mm 表1 二、確定總共能（黑箱） ~220V 被加工工件 噪聲 發(fā)熱 圖 1 有孔的工件 黑箱 三、確定工藝原理 （一）機(jī)構(gòu)的工作原理: 該系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動，通過變速傳動將電機(jī)的1450r/min降到主軸的2r/min，與傳動軸相連的各機(jī)構(gòu)控制送料，定位，和進(jìn)刀等工藝動作，最后由凸輪機(jī) 通過齒輪傳動帶動齒條上下平穩(wěn)地運(yùn)動,這樣動力頭也就能帶動刀具平穩(wěn)地上下移動從而保證了較高的加工質(zhì)量。 （二）原動機(jī)的選擇原理 （1） 原動機(jī)的分類 原動機(jī)的種類按其輸入能量的不同

4、可以分為兩類： A.一次原動機(jī) 此類原動機(jī)是把自然界的能源直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，稱為一次原動機(jī)。屬于此類原動機(jī)的有柴油機(jī)，汽油機(jī)，汽輪機(jī)和燃汽機(jī)等。 B.二次原動機(jī) 此類原動機(jī)是將發(fā)電機(jī)等能機(jī)所產(chǎn)生的各種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，稱為二次原動機(jī)。屬于此類原動機(jī)的有電動機(jī)，液壓馬達(dá)，氣壓馬達(dá)，汽缸和液壓缸等。 （2） 選擇原動機(jī)時(shí)需考慮的因素： 1：考慮現(xiàn)場能源的供應(yīng)情況。 2：考慮原動機(jī)的機(jī)械特性和工作制度與工作相匹配。 3：考慮工作機(jī)對原動機(jī)提出的啟動，過載，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等方面的要求。 4：考慮工作環(huán)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(jī)械系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效

5、益，須考慮初始成本和運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)成本。 綜上所述，在半自動鉆床中最益選擇二次原動機(jī)中的電動機(jī)作為原動件。 (三)傳動機(jī)構(gòu)的選擇和工作原理 （1）傳動機(jī)構(gòu)的作用 1、把原動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩變換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的轉(zhuǎn)矩或力。 2、把原動機(jī)輸出的速度降低或提高，以適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需要。 3、把原動機(jī)輸出的等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變 4、實(shí)現(xiàn)由一個(gè)或多個(gè)動力機(jī)驅(qū)動或若干個(gè)速度相同或不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （2）傳動機(jī)構(gòu)選擇的原則 1：對于小功率傳動，應(yīng)在考慮滿足性能的需要下，選用結(jié)構(gòu)簡單的傳動裝置，盡可能降低初始費(fèi)用。 2：對大功率傳動，應(yīng)優(yōu)先考慮傳動的效率，降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和維修費(fèi)用。 3：當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求變速時(shí)

6、，若能與動力機(jī)調(diào)速比相適應(yīng)，可直接連接或采用定傳動比的傳動裝置；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求變速范圍大，用動力機(jī)調(diào)速不能滿足機(jī)械特性和經(jīng)濟(jì)性要求時(shí)，則應(yīng)采用變傳動比傳動；除執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求連續(xù)變速外，盡量采用有級變速。 4：執(zhí)行機(jī)構(gòu)上載荷變化頻繁，且可能出現(xiàn)過載，這時(shí)應(yīng)加過載保護(hù)裝置。 四、工藝路線圖 圖2 主功能 五、功能分解（功能樹） 送料 定位 夾緊 主功能 進(jìn)刀 刀頭旋轉(zhuǎn) 半自動打孔機(jī) 電動機(jī) 動力功能 齒輪齒條 帶傳動 傳動功能 減速箱 六桿機(jī)構(gòu) 電動機(jī)啟停 控制動能

7、 過載保護(hù) 人機(jī)交互 圖 3 六、確定每種功能方案，形態(tài)學(xué)矩陣 1.減速傳動功能 選用經(jīng)濟(jì)成本相對較低，而且具有傳動效率高,結(jié)構(gòu)簡單,傳動比大的特點(diǎn),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(shí)現(xiàn)我設(shè)計(jì)的傳動。 2.定位功能 由于我們設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要有間歇往復(fù)的運(yùn)動，有當(dāng)凸輪由近休到遠(yuǎn)休運(yùn)動過程中,定位桿就阻止了工件滑動，當(dāng)凸輪由遠(yuǎn)休到近休運(yùn)動過程中可通過兩側(cè)的彈簧實(shí)現(xiàn)定位機(jī)構(gòu)的回位,等待送料,凸輪的循環(huán)運(yùn)動完成了此功能。、 3.進(jìn)料功能 進(jìn)料也要要求有一定的間歇運(yùn)動，我們可以用圓錐齒輪來實(shí)現(xiàn)換向，然后通過和齒輪的嚙合來傳遞

8、，再在齒輪上安裝一個(gè)直動滾子從動件盤型凸輪機(jī)構(gòu),用從動件滾子推桿的直線往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)進(jìn)料。 4.進(jìn)刀功能 采用凸輪的循環(huán)運(yùn)動,推動滾子使?jié)L子擺動一個(gè)角度,通過杠桿的擺動弧度放大原理將滾子擺動角度進(jìn)行放大.可增大刀具的進(jìn)給量,在杠桿的另一端焊接一個(gè) 圓弧齒輪,圓弧齒輪的擺動實(shí)現(xiàn)齒輪的轉(zhuǎn)動,齒輪的轉(zhuǎn)動再帶動動力頭的升降運(yùn)動實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀. 用形態(tài)學(xué)矩陣法創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案 根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)動轉(zhuǎn)換功能圖可構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣如表。由表3-3所示的形態(tài)學(xué)矩陣可以求出半自動鉆床系統(tǒng)運(yùn)動方案數(shù)為： N=33333＝243 表 2 七、系統(tǒng)邊界 室溫20℃ 噪音小 進(jìn)入系統(tǒng)的是被加工的工件，出去的是已

9、完成鉆孔的工件 八、方案評價(jià) 根據(jù)功能原理，工藝分解過程及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，確定了以下兩種運(yùn)動方案: 方案一：A1+B3+C3+D3+E2 方案二：A1+B2+C1+D3+E2 定軸輪系傳動；傳動比很大，要用多級傳動。 由于在空間上軸與軸之間的距離較大，但四桿的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)行程太小。故優(yōu)先選用六桿機(jī)構(gòu) 綜合評價(jià)，所以選擇方案一 九、畫出方案簡圖 1.減速機(jī)構(gòu)： 由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是1450r/min，而設(shè)計(jì)要求的主軸轉(zhuǎn)速為2r/min，利用行星輪進(jìn)行大比例 的降速，然后用圓錐齒輪實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)換。 圖4 2.進(jìn)刀機(jī)構(gòu) 采用一個(gè)擺動滾子從動件盤行凸輪機(jī)構(gòu)來傳遞齒

10、輪齒條機(jī)構(gòu).用擺動滾子從動件盤行凸輪機(jī) 構(gòu)來傳遞齒輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)刀的時(shí)候，凸輪在推程階段運(yùn)行，很容易通過機(jī)構(gòu)傳遞帶動齒輪齒 條嚙合.帶動動刀頭來完成鉆孔，擺桿轉(zhuǎn)動的幅度也是等于齒廓轉(zhuǎn)動的幅度，兩個(gè)齒輪來傳 動也具有穩(wěn)性。 圖5 3. 送料系統(tǒng)： 采用六桿機(jī)構(gòu)來代替曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于設(shè)計(jì)的鉆床在空間上傳動軸之間的距離有點(diǎn)大，故一般四桿機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)這種遠(yuǎn)距離的運(yùn)動。再加上用四桿機(jī)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中在尺寸上很小。所以考慮到所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)能否穩(wěn)定的運(yùn)行因此優(yōu)先選用了如下圖的六桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于本設(shè)計(jì)送料時(shí)不要求在傳動過程中有間歇，所以不需要使用凸輪機(jī)構(gòu)。 圖 6 4.定位夾緊系統(tǒng)： 定

11、位系統(tǒng)采用的是一個(gè)偏置直動滾子從動件盤型凸輪，因?yàn)槎ㄎ幌到y(tǒng)要 有間歇，所以就要使用凸輪機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)就會很大，也不求實(shí)際，所以就采用一個(gè)偏置直動滾子從動件盤型凸輪，它就可以滿足我們的實(shí)際要求了。 圖 7 十、總體布局圖 圖8 1-電機(jī) 2-帶傳動 3-減速箱 4-送料裝置 5-鉆頭 6-夾緊裝置 7-定位裝置 8-進(jìn)刀裝置 十一、主要參數(shù)確定 1．送料機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)采用如下分析 送料連桿機(jī)構(gòu)：采用如下機(jī)構(gòu)來送料，根據(jù)要求，進(jìn)料機(jī)構(gòu)工作行程為40mm，可取ABCD4桿機(jī)構(gòu)的極位夾角為1

12、2度，則由 得K=1.14，急回特性不是很明顯，但對送料機(jī)構(gòu)來說并無影響。 各桿尺寸： AB=8.53 BC=84.42 CD=60 DA=60 CE=40 EF=8 該尺寸可以滿足設(shè)計(jì)要求，即滑塊的左右運(yùn)動為40，ABCD的極位夾角為12度。 圖 9 2.凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 由進(jìn)刀規(guī)律，我們設(shè)計(jì)了凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，又以齒輪齒條的嚙合來實(shí)現(xiàn)刀頭的上下 運(yùn)動；用凸 輪擺桿機(jī)構(gòu)和圓弧形齒條所構(gòu)成的同一構(gòu)件，凸輪擺桿從動件的擺動就可以實(shí)現(xiàn) 弧形齒條的 來回?cái)[動，從而實(shí)現(xiàn)要求；采用滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧 力來使?jié)L子 與凸輪保持接觸.刀具的運(yùn)動

13、規(guī)律就與凸輪擺桿的運(yùn)動規(guī)律一致；弧形齒條所轉(zhuǎn) 過的弧長即 為刀頭所運(yùn)動的的距離。 具體設(shè)計(jì)步驟如下： 1.根據(jù)進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)規(guī)律,設(shè)計(jì)凸輪基圓半徑r0=40mm，中心距A=80mm， 擺桿長度 d=65mm，最大擺角β為18, 凸輪轉(zhuǎn)角λ=0-60,β=0; 凸輪轉(zhuǎn)角λ=60-270，刀具快進(jìn)，β=5， 凸輪轉(zhuǎn)角λ=270-300； 凸輪轉(zhuǎn)角λ=300-360，β=0 2.設(shè)計(jì)圓形齒條,根據(jù)刀頭的行程和凸輪的擺角,設(shè)計(jì)出圓形齒輪的半徑r=l/β,由β=18 。l=20mm， 3.得到r=63.69mm， 圖 10 3.凸輪推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 凸輪機(jī)構(gòu)采用直動

14、滾子盤行凸輪，且為力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，利用彈簧力來使?jié)L子與凸輪保持接觸，實(shí)現(xiàn)定位功能。只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得我們所需要的運(yùn)動規(guī)律，滿足加工要求，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。具體設(shè)計(jì)如下: 設(shè)計(jì)基圓半徑r0=40mm,偏心距e=25 凸輪轉(zhuǎn)角λ=0-100,定位機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm; 凸輪轉(zhuǎn)角λ=100-285,定位機(jī)構(gòu)快進(jìn),推桿行程h=25mm; 凸輪轉(zhuǎn)角λ=285-300,定位機(jī)構(gòu)休止,推桿行程h=0mm; 凸輪轉(zhuǎn)角λ=300-360,定位機(jī)構(gòu)快退,推桿行程h=-25mm; 設(shè)計(jì)偏心距e=25的原因是因?yàn)榇送馆唸?zhí)行的是定位，其定位桿的行程為25故如此設(shè)

15、計(jì)。 4．行星輪系的計(jì)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 圖11 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-Z2’Z1/Z3Z2 由i(1H)=1-Z2Z1/Z3Z2，考慮到齒輪大小與傳動的合理性，經(jīng)過比較設(shè)計(jì)皮帶傳動機(jī)構(gòu)與齒輪系傳動機(jī)構(gòu)的相應(yīng)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 表4 齒輪參數(shù) 模數(shù)（mm） 壓力角（） 齒數(shù)（個(gè)） 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 表 5 十二、循環(huán)圖 圖11