【有全套CAD圖】需完整CAD+說明書請聯系QQ1175231241海量畢業設計課程設計，承接定制、更多設計請移步：更多設計請移步：咨詢半自動鉆床設計說明書目錄第1章緒論 11.1課題來源及研究目的和意義 11.2半自動鉆床數控化的現狀及趨勢 11.3半自動鉆床機構的方案分析 51.4機械結構分析 51.5機械結構總體方案和布局 6第2章機械結構的設計 102.1凸輪滾子機構的設計……………132.2V帶的設計.142.3圓錐齒輪的設計152.4電機的選取及計算……………..16第3章各機構的三維建模 173.1圓柱凸輪滾子從動件的建模…………………193.2V帶輪的三維建模…………….203.3圓錐傘齒輪的三維建模………………………22結論 25參考文獻 26致謝 27第1章緒論1.1概述半自動鉆床用途用于機械加工中的鉆孔、擴孔、鉸孔、锪平面、鉆沉頭孔和鏜孔及攻螺紋。而數控鉆床主要用于鉆孔、擴孔、鉸孔、攻絲等加工。在汽車、機車、造船、航空航天、工程機械行業；尤其對于超長型疊板，縱梁、結構鋼、管型件等多孔系零件。相對于半自動鉆床而言，數控鉆床具有定位精度高，加工精度高，高效率，能夠減少人工，等等半自動鉆床無法實現的優越性。1.2半自動鉆床數控化（數控鉆床）的現狀及趨勢從20加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控鉆床是一種高度機電一體化的產結構較復雜、件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控鉆床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發展的重要裝備。進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發展的新時期。機床制造業既面臨著機械制造業需求水平提升而引發的制造裝備發展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控鉆床的發展是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。隨著制造業對數控鉆床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控鉆床為了應對國際金融危機，企業紛紛調整數控機床產業政策，競相發展高檔數控機床，以促進工業和國民經濟的發展。而目前我國處于裝備更新換代的高峰期和工業產業升級的關鍵期，對數控機床尤其是高檔數控機床的需求，仍將維持30%以上的高增長水平，預計這一增長速度仍將維持35年。

數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。

國內數控機床的需求日益增長，數控機床的發展推動了數控機床功能部件的創新升級。目前我國高檔數控機床關鍵功能部件工業還不能滿足國內需要，國內數控功能部件產業主要存在以下問題：適應性和滿足度遠達不到市場需求；我國數控功能部件生產企業的規模小；核心零部件大量依靠進口；缺乏高技術含量威脅產業安全。

機床行業高端化發展四步曲：業內人士表示，我國機床產業的發展需要以市場需求為導向，以發展數控機床為主導、主機為龍頭、完善配套為基礎，力爭早日實現數控機床產品從低端到高端、從初級產品加工到高精尖產品制造的轉變。更有專家為機床行業高端化發展提出了四方面觀點，為機床行業高端發展進程盡微薄之力。

一是積極落實“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技專項，創造國內自主創新技術的大環境，以市場為導向，企業為主題，以科研院校為根基，全方位帶動我國高新技術的創新。

二是開拓新的數控機床市場或升級現有的數控機床市場，帶動普通機床及半自動機床的升級改造和淘汰更新。極力拉動國內數控機床的內需，帶動高端機床產業的快速升級。

三是緊抓技術改造，促進中高檔數控機床產業化整體升級。充分利用國家技術改造貼息等優惠政策，圍繞重點，加強管理，提高資金投入產出比，打好根基，為技術創新提供長足發展。

四是強化企業管理，節省成本提提高高效。數控機床企業要從內部管理的強化切入，開展結本高效的行動，維持資金流合理運轉，人力資源的合理分配，避免勞民傷財，確保企業正常的運營。展望未來

高檔數控機床與基礎制造裝備專項將實現自主創新能力顯著提高，掌握一大批具有自主知識產權的核心技術，總體技術水平進入國際先進行列；屆時，主機、數控系統、功能部件“中檔規模化、高檔產業化”將得以實現，我國將研制出一批具備國際先進水平的關鍵裝備；進口量大的高速、精密立臥式加工中心、數控車床等產品市場占有率將有明顯提升。

近年來，中國通過引進技術、消化吸收和自主開發數控系統，為數控機床的產業化奠定了技術基礎。希望未來機床行業可以帶來更多最新設備和前沿技術，以滿足制造業對高效加工日益增長的需求。1.3半自動鉆床的方案分析1.3.1機械結構分析本課題是設計一種半自動鉆床，此設備占地面積小，成本低廉，通過變頻電機帶動圓柱凸輪滾子機構來實現工件的進給，以及利用V帶輪來實現動力的轉移，通過傘齒輪來實現空間傳動方向的改變，以及利用齒輪齒條來實現鉆頭的自動升降，所有機構都聯動，運行穩定，無噪音。由于鉆削工件有多種方案，本課題采用機械式聯動機構來實現，現提供以下設計方案：變頻電機圓柱凸輪料箱工作臺滾滾絲桿變頻電機圓柱凸輪料箱工作臺滾滾絲桿圖1以變頻電機為動力源的半自動鉆床設計方案1.3.2機械結構總體方案和布局確定好設計方案后我們對整體方案進行大體設計布局，整個傳動裝置由電動機帶動，由于需要在任意位置能停止，本次設計的電動機我們采用變頻電動機，由于變頻電動機輸出轉速很快，需要分配傳動減速比，需要加減速器進行減速，經過減速器出來后為了能與齒輪傳動軸連接，我們再加上與V帶傳動，最后通過圓錐傘齒輪，齒輪齒條實現機構的聯動。第2章機械結構的設計2.1凸輪滾子機構的設計 在此，根據廓線方程可自動實現圓柱凸輪的精確建模，并為下一步運動仿真和數控加工奠定良好的基礎。空間凸機構在自動機械中得到了廣泛的應用。與平面凸輪機構相比，空間凸輪機構具有體積小、結構緊湊、剛性好、轉動扭矩大等優點。直動從動件圓柱凸輪機構是一種典型的空間凸輪機構。當凸輪轉速較低、精度要求不高時，可以把圓柱凸輪看成是由移動凸輪轉化而來的，按基圓半徑或外圓直徑展開成平面矩形，作為平面直動凸輪進行近似計算。但是隨著凸輪機構日益向高速方向發展，傳統的圓柱凸輪機構的設計方法因誤差較大，不得不進行修正，因為，這種展開法不能達到簡化計算、提高精度的目的，不能滿足企業的實際需要。考慮到圓柱凸輪屬于空間凸輪，其理論廓面、實際廓面均為空間曲面，因此，如何構造這些曲面是一個關鍵問題，國內開展了一些相關研究。隨著計算機輔助設計進一步發展，特別是基于特征和參數化技術的三維設計軟件的出現，為空間曲面的構造提供了支撐平臺。本文來用精確的數學模型建立圓柱凸輪的實際廓線方程，基于平臺，通過二次開發的手段精確構造實際輪廓曲面完成了圓柱凸輪的模，通過實踐證明了這種方法的可行性。圓柱凸輪輪廓線的數學模型對直動從動件圓柱凸輪建如圖1所示的固定坐標系，以Z軸為圓柱凸輪的回轉軸線，X軸與從動件處于最低位置時的軸線重合，原點為該軸線與凸輪軸線的交點，Y軸分別垂直于X和Z軸。圖1中的幾何參數有：凸輪圓柱半徑為B，為圓柱凸輪的基圓柱半徑，B為滾子厚度)rγ，從動件的運動規律為s(φ)，其中φ為凸輪的轉角。圖1圓柱凸輪的理論和實際廓線如圖1件凸輪機構，圓柱的半徑為R，曲線b是圓柱凸輪的理論廓線，曲線。和c是實際廓線，d表示在理論廓線上的滾子圓，根據圖示固定坐標系，建立圓柱凸輪理論廓線方程如下：考慮從動件是滾子的情況，實際輪廓線是圓心位理論廓線上滾子圓的包絡線，其方程為：對式(2)中的兩個方程，滾子圓的方程為：式(3)中X，Y，Z為理論廓線上的坐標；，，Za為滾子圓和實際廓線上的公共點坐標，也是滾子圓和實際廓線的切點坐標。包絡線方程為：式(4)中s’(φ)樹表示運動規律(φ)對φ導數。由于實際廓線也位于圓柱面上，所以滿足下式：聯立以上3式，可得到在圓柱半徑為R時的實際廓線的方程：式6)1中曲線a符號表示圖1中曲線。推導了直動從動件圓柱凸輪機構實際廓線的方程。基于Solidworks平臺用開發了圓柱凸輪輔助建模軟件，根據廓線方程可自動實現圓柱凸輪的精確建模，并為下一步運動仿真和數控加工奠定良好的基礎。2基于Solidworks平臺直動從動件圓柱凸輪建模2.1實際廓線的構造式(6)是實際廓線的方程，若選定運動規律(φ)，給定轉角明，可分別計算出基圓柱Rb和外圓柱Rs上的實際廓線的坐標，如果計算出四組符合精度要求的實際廓線的坐標，分別連接這些坐標成樣條曲線。如圖2所示，曲線a1和a2是外圓柱上的實際廓線曲線b1和b2是外圓柱上的實際廓線。為了保證實際廓線擬合精度，必須選擇足夠多的點來構造樣條曲線，為此可把計算好實際廓線的坐標存在文件中，通過平臺上的構造曲線的方法來構造樣條曲線。2.2實際輪廓曲面的生成使用Solidworks的截面形狀，是一個矩形，矩形的四個點落在實際廓線上，如圖2所示，放樣時，取矩形為輪廓，條實際廓線、b1、b23所示的實際廓面。圖2實際廓線的構造圖3實際廓面的形成3軟件實現考慮到圓柱凸輪建模過程中有大量的凸輪實際輪廓曲線數據，為了提高效率，采用軟件編程對Solidworks軟件二次開發的方式來實現。由于程序規模較小，編程的語言采用Solidworks中內嵌的VBA實現。程序流程圖見圖4。圖4程序流程軟件分成兩個模塊：1)計算模塊，主要根據輸人參數，確定實際輪廓的曲線的坐標點數據；2)建模模塊：主要完成繪制凸輪、實際廓線、切除放樣等操作。以放樣操作的編程為例說明：4結論本文通過建立圓柱凸輪實際廓線的方程，在Solidworks平臺上構造了凸輪的精確實際廓線，隨后通過Solidworks內部命令完成圓柱凸輪的精確建模。通過精確的三維模型，可為下一步運動仿真和數加工奠定了很好的基礎。2.2V帶的設計計算 1、帶輪的材料帶輪的常用材料為HT150（m30sVHT200（m30sV）。轉速較高時可用鑄鋼或鋼板沖壓焊接結構，小功率時可用鑄鋁或料.3.3、帶輪正常工作需滿足的條件即eemaxF；為保證V帶有足夠的壽命，必須使帶工作時的最大應力小或等于帶max件下得到的單根V帶所能傳遞的功率稱為單根V帶的基本額定功率。3.4、求：設計V帶輪時應滿足的主要要求有：結構合理，質量分布均勻轉速高時要經過動平衡；與帶輪接觸的輪槽表面粗糙度要低，以減少帶的磨損各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻等構設計主要是根據帶輪的基準直徑選擇結構形式的。根據帶的截型確定輪槽尺寸的。根據經驗公式確定帶輪的其他結構尺寸，繪制帶輪的零件圖，并按照工藝要求注出相應的技術要求等。3.5、原始數據及設計內容1）設計V帶傳動原始數據2）傳遞的功率P=5.5kW3）主動輪和傳動輪的轉速：nin4）傳動的用途和工作條件5）傳動的位置要求3.6、設計內容包括：1)、帶的型號2)、基準長度3、帶的根數4）、傳動中心距5）、帶輪直徑及結構尺寸6、軸上的壓力、設計步驟：根據傳遞的功率P、載荷的性質和每天工作的時間等因素確定dAP=KPAK-（機械設計基礎）9-13等）P-傳遞的額定功率（P=5.5KW經計算：pKdA=(5.56.6kWdP和轉速1n9-8A型普通VdP=6.6kW1n2900r/min：D=80~100mmα2D（1）初選小帶輪直徑1D（1）帶輪直徑愈小愈好，結構緊湊但帶的彎曲應力增大，由E—帶的彈性模量（機械設計基礎）（MPa）—帶的高度見（機械設計基礎）表9-4D—帶輪的基準直徑第三章：輸入軸齒輪設計第13頁知帶型確定后h和E是常數，D越小，帶的彎曲應力bσ越大，故小帶輪帶的σ大于大帶輪的σ，為避免彎曲應力過大。2.3圓錐齒輪傳動的設計計算：圓錐齒輪的設計計算1選定齒輪的類型，精度等級，材料及齒數：（1）選擇材料及熱處理小圓錐選用40Cr，調質處理，調質硬度為280HBS；大圓錐選用45#鋼，調質處理，調質硬度為240HBS。(2)選齒輪小齒輪選1z=24，大齒輪選2z；大小圓錐均選用7級精度。軸交角為90度的直齒圓錐齒輪傳動u=12zz=3=tan21，得δ271.6°，δ=18.4°。2.按齒面接觸疲勞強度計算：公式內的各計算數值試選載荷系數Kt=1.3.（1）小圓錐齒輪的轉矩T1=7.6274N.mm；（2）查機械設計教材可知錐齒輪傳動的齒寬系數ΦR=13；（3從表10-6查得材料的彈性影響系數ZE=189.8MPa；（4）有圖按齒面硬度查得大小齒輪的解除疲勞強度極限1H=600MPa2H=550MPa（5）計算應力的循環次數：60jLnh=×720×1×2×8×300×10=2.07×92N=2.07×1093=0.69×10（6）計算接觸疲勞許用應力取失效概率為1%安全系數S=1，由式（0-12）得[H1]=1lim1/S=0.9600=540MPa；[2]H試算小齒輪分度圓直徑1t≥2.92(ZE[σH])2KT1ΦR(1?0.5ΦR)2u3=77.834mm試算錐距Rt=d1tu2=計算錐齒輪平均分度圓處的圓周速度=πd1n160×1000π×77.834×72060×1000=2.93m/s平均分度圓圓周處的速度Vm=2.445m/s根據Vm2.445m/s7級精度由圖10-8查得動載荷系數VK=1.14查表10-2得KA=1,查教材可得Kα=KFα=1,KHβ=Kβ=875計算載荷系數K=KAKVKHαKHβ=1×1.14×11.875=2.1375按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，得d1=dtKKt3=計算模數m=d11=3.83mm3.按齒根彎曲強度設計由式（10-24）得彎曲強度的設計公式為m≥1ΦR(1?0.5ΦR)12u2+1YFaY對此結果，齒面接觸疲勞強度計算的模數m于由齒根彎曲強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪的直徑有關。取由彎曲強度算的模數，就近圓整為。按接觸算得的分度圓直徑1d=91.866mm，算得小齒輪齒數1z=30，大齒輪齒數z=90這樣設計的齒輪傳動既滿足了齒面接觸強度又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結構緊湊，避免浪費。4.幾何尺寸計算：1）計算分度圓直徑1=1zm=90mmd=2zm=270mm2）錐度R=d1u2+1=×102=142.3mm3）錐齒寬度b=RR=1142.3=47.4mm。選取寬度1=2=45mm。2.4電機的選取及設計計算 普通電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸普通一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。

普通電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。普通電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。

選擇普通電機時，首先要保證普通電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率普通電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。

選擇普通電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過普通電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。

選擇功率普通電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與普通電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。

選擇普通電機需要進行以下計算：

4.1轉動慣量計算在旋轉運動中，物體的轉動慣量J對應于直線運動中的物體質量。要計算系統在加速過程中產生的動態載荷，就必須計算物體的轉動慣量J和角加速度，然后得慣性力矩T＝J。物體的轉動慣量為：Jr2rdV，式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉軸的距離。單位：kgm2。以園柱體為例：J=W/8(D/1000)2式中：L：長度，mmD：直徑，mm轉矩22NM

4.2將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量，常見傳動機構與公式如下：

Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2]（1-2）

式中Jt折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2)

J1、J2齒輪慣量(Kg.cm.s2)

Js絲桿慣量(Kg.cm.s2)W工作臺重量（N）

S絲桿螺距（cm）J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2

4.3計算電機輸出的總力矩M

M=Ma+Mf+Mt（1-3）

Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2（1-4）

式中Ma電機啟動加速力矩（N.m)

Jm、Jt電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2)

n電機所需達到的轉速（r/min）

T電機升速時間（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-5）

Mf導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m)

u摩擦系數

η傳遞效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2（1-6）

Mt切削力折算至電機力矩（N.m)

Pt最大切削力（N）計算所得力矩28NM

4.4負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)]1/2（1-7）

式中fq帶載起動頻率（Hz）

fq0空載起動頻率

Ml起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m)

若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.

（5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。

（6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2～0.4)Mmax.綜上述選取三相混合普通電機110BYG350A/350A-S(接線型)3180.6/1.23300001600182080-3505聯軸器的選取mm輸入軸的最小直徑為安裝聯軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯軸器型號。聯軸器的計算轉矩，查《機械設計（第八版）》表14-1，由于轉矩變化很小，故取，則=1.3X49.24=64012N.Mm查《機械設計課程設計》表14-4，選Lx3型彈性柱銷聯軸器其工稱轉矩為1250N.m，而電動機軸的直徑為19mm所以聯軸器的孔徑不能太小。取=19mm，半聯軸器長度L=82mm，半聯軸器與軸配合的轂孔長度為60mm。軸向滾動絲杠副絲杠軸，選HL1型彈性柱銷聯軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯軸器的孔徑19mm，半聯軸器長度42mm。徑向滾動絲杠副絲杠軸選Lx3型彈性柱銷聯軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯軸器的孔徑19mm，半聯軸器長度42mm。6齒輪減速器的選取 所所選取普通電機為110BYG350C，根據以上查表計算所得選取行星減速器型號為PL120。第4章各機構的三維建模4.1圓柱滾子從動件的三維建模：3.1圓柱滾子從動件的三維建模：3.2V帶輪的三維建模：3.3圓錐傘齒輪三維建模：結論通過本次設計半自動鉆床，從中深刻掌握到半自動鉆床的聯動結構，并對該結構進行設計計算，并繪制出裝配圖和零件圖。然后在通過三維軟件SOLIDWORKS軟件進行零件的三維建模和裝配圖的建模。綜上所述得到一下結論：(1)本設計通過改造半自動鉆床，使之自動化了。(2)齒條齒輪結構的應用得到了認可；(3)充分查找資料根據計算結果和設計的需要，選用合適的零部件，并對其進行校核；精度驗算；(4)機械系統中各個傳動系統的設計，方案合理，能適應實際的情況。參考文獻[1]ZhangGuoxiong，LiuShugui，QiuZurong，YuFusheng，NaYonglin，LengChanglin.NON-CONTACTMEASUREMENTOFSCULPTUREDSURFACEOFROTATION［J］.CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING.Vo1，17，No．4，2004.[2]GUOYuan，WANGYutian，HAOBing.Non—touchFiber—opticReflectiveDisplacementSensorforRoller［J］Wear.SemiconductorPhotonicsandechnology.Nov，2OO4.[3]TatsuoInoue，Youichi，Watanabe，Kazuo，Okamura，Michiharu，Narazaki，HayatoShichino，DongYing，JuHideo，Kanamori，KatsumiIchitani［M］.ACooperativeActivit