四工位专用机床课程设计说明书.doc

四工位专用机床课程设计说明书(超详细)

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设计任务书

设计任务：
1 按工艺动作过程拟定机构运动循环图
2 进行回转台间歇机构,主轴箱道具移动机构的选型,并进行机械运动方案评价和选择
3 按选定的电动机和执行机构的运动参数进行机械传动方案的拟定
4 对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计
5 在2号图纸上画出最终方案的机构运动简图
6 编写设计计算说明书
设计要求:
1 从刀具顶端离开工件表面65mm位置,快速移动送进了60mm后，在匀速送进60mm(5mm刀具切入量，45mm工件孔深，10mm刀具切出量），然后快速返回。回程和工作行程的速比系数K=2。
2 生产率约每小时60件。
3 刀具匀速进给速度2mm/s，工件装、卸时间不超过10s。
4 执行机构能装入机体内。

机械运动方案设计

根据专用机床的工作过程和规律可得其运动循环图如下：
机构运动循环图

该专用机床要求三个动作的协调运行，即刀架进给、卡盘旋转和卡盘的定位。其工作过程如下：
机床工作运动模型

要确保在刀具与工件接触时卡盘固定不动，刀具退出工件到下次接触工件前完成卡盘旋转动作.几个动作必须协调一致，并按照一定规律运动.
机械总体结构设计

一、原动机构：
原动机选择Y132S-4异步电动机,电动机额定功率P=5。5KW,满载转速n=1440r/min。
二、传动机构:
　　传动系统的总传动比为i=n/n6,其中n6为圆柱凸轮所在轴的转速，即总传动比为1440/1。采用涡轮蜗杆减速机构（或外啮合行星减速轮系）减速.
三、执行部分总体部局:
执行机构主要有旋转工件卡盘和带钻头的移动刀架两部分，两个运动在工作过程中要保持相当精度的协调.因此，在执行机构的设计过程中分为，进刀机构设计、卡盘旋转机构和减速机构设计。而进刀机构设计归结到底主要是圆柱凸轮廓线的设计,卡盘的设计主要是间歇机构的选择。
在执行过程中由于要满足相应的运动速度，因此首先应该对于原动机的输出进行减速.下面先讨论减速机构传动比的确定:由于从刀具顶端离开工件表面65mm位置,快速移动送进了60mm后，在匀速送进60mm(5mm刀具切入量，45mm工件孔深，10mm刀具切出量）,然后快速返回。要求效率是６０件／小时，刀架一个来回（生产１个工件）的时间应该是１分钟。根据这个运动规律，可以计算出电机和工作凸轮之间的传动比为1440/1。两种方案的传动比计算，参考主要零部件设计计算.
下面讨论执行机构的运动协调问题：有运动循环图可知，装上工件之后，进刀机构完成快进、加工、退刀工作，退后卡盘必须旋转到下一个工作位置，且在加工和退刀的前半个过程中卡盘必须固定不动，由于卡盘的工作位置为四个，还要满足间歇和固定两个工作，于是选择单销四槽轮机构（或棘轮机构、不完全齿轮机构与定位销协调）解决协调问题，具体实现步骤参考“回转工作台设计”。由于进刀机构的运动比较复杂，因此要满足工作的几个状态，用凸轮廓线设计的办法比较容易满足。廓线的设计参考主要零部件设计计算。

机械传动系统设计

1、涡轮蜗杆减速器:
采用如图机构，通过涡轮蜗杆加上一个定轴轮系实现了：

涡轮蜗杆减速机构

2、外啮合行星齿轮减速器：
采用如图采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比：
外啮合行星轮系减速机构

3、定轴轮系减速器：
采用如图采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现:

定轴轮系减速机构

主要零部件的设计计算

一、 减速机构设计：
方案一:涡轮蜗杆减速机构
结构图如下：

涡轮蜗杆减速机构

1、蜗杆：m=5mm d=40mm（机械原理，p346,表10—7)
2、涡轮：(d=mz） m=5mm z2=20 d2=100mm z4=36 d4=180mm
3、齿轮：此齿轮机构的中心距a=135mm，模数m=5mm,采用标准直齿圆柱齿轮传动，z5=18,z6=36,ha＊=1.0,（d=mz,d5=90mm,d6=180mm）
4、传动比计算：

方案二:外啮合行星齿轮减速器：
结构图如下：
外啮合行星轮系减速机构

图示z1=10, z2=36， z3=18, z4=21, z5=20， z6=17， z7=14， z8=40
传动比计算：i18=i12iH6i78
其中i12= -z2 /z1=-36/10
iH6=1/i6H

所以
又i78=-z8/z7=-40/12
所以
方案三:定轴轮系减速器

图示z1=17, z2=51， z3=12, z4=60， z5=12, z6=72, z7=13， z8=52，z9=12， z10=48,z11=48
传动比计算:i111==1440

定轴轮系减速机构

二、圆柱凸轮进刀机构设计：
1、运动规律：
刀具运动规律：刀具快速进给60mm，匀速进给60mm（刀具切入量5mm,工件孔深45mm,刀具余量10mm),快速退刀。因为刀具匀速进给的速度为2mm/s，由此可得匀速进给的时间为30s,设快速进给的时间为x,快速退刀的时间为y，又因为其回程和工作的速比系数K=2,所以可得下列方程:
30+x=2y （1）
30+x+y=60 （2)
(1)（2）两个方程联立可以得出，x=10s ， y=20s
因此可以得出如下图所示的刀架运动规律图：
快进
匀速
快退
刀架运动规律图
60° 240°

2、凸轮廓线设计：
进刀机构的运动有凸轮的廓线来实现,进刀的方向为安装凸轮的轴的轴线方向,根据运动的特性，凸轮选择圆柱凸轮，按照运动规律设计其廓线如下：
进刀圆柱凸轮廓线

三、 回转工作台机构设计：
回转工作台的运动规律：四个工作位置,每个工作位置之间相差90°，在工作过程中,旋转90°，停止定位，进刀加工，快速退刀后,旋转90°，进行下一个循环.在加工和退刀的前半段（即刀具与工件有接触)时,必须将工作台固定，由于卡盘的工作位置为四个，还要满足间歇和固定两个工作，1、采用单销四槽槽轮机构.其结构图如下图所示：
单销四槽槽轮机构

槽轮机构中，当圆销没有进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸锁止弧卡住，故槽轮固定不动；当圆销进入径向槽时,锁止弧的自锁段被松开,槽轮在圆销作用下旋转，实现了间歇运动。因为卡盘每次旋转90°，所以选择四槽均布槽轮，刚好实现旋转90°的要求。
2、采用棘轮机构,其结构图如下图所示：
机构采用曲柄摇杆机构来作为主动件，有运动循坏图中可知：

于是得：K〉2。2
所以极位夹角大于等于67。5°
因此满足停留时间的于转动时间之间的比例关系，要求棘轮每次旋转90°，因此摇杆的摆角也为90°。
棘轮机构

3、采用不完全齿轮机构，其结构如下图所示：

不完全齿轮机构

不完全齿轮的设计也是为了满足间歇运动,不完全齿轮上有1/4上有齿，因此在啮合过程中,有齿的1/4带动完全齿轮旋转90°，之后的270°由于没有齿啮合,完全齿轮不转动，该机构结构简单,在低速（1r/min)的转动中可与忽略齿轮啮合时的冲击影响.故也能实现运动规律.
四、 圆柱凸轮定位销机构设计：
由机构运动循环图可以看出，定位销一共有两个工作位置,刀具在与工件接触前必须将主轴固定住,刀具离开工件后到再次接触前（即卡盘旋转时）定位销必须拔出。由于本机床中采用了槽轮机构，该机构有固定功能，定位销的主要作用是辅助定位，起保险作用！其结构图如下图所示
圆柱凸轮定位销机构

辅助凸轮廓线

执行机构和传动部件的机构设计
一、方案设计
根据该机床包含两个执行机构，即主轴箱移动机构和回转台的回转机构。主轴箱移动机构的主动件是圆柱凸轮，从动件是刀架，行程中有匀速运动段（称工作段），并具有急回特性。要满足这些要求，需要将几个基本机构恰当地组合在一起来满足上述要求。实现上述要求的机构组合方案可以有许多种。
1、减速机构的方案有：
⑴、涡轮蜗杆减速机构
⑵、外啮合行星轮系减速机构
⑶、定轴轮系减速机构
2、刀架规律性运动的方案有：
⑴、圆柱凸轮实现刀架规律性移动：
⑵、盘型凸轮—尺条实现刀架规律性移动
3、回转工作台回转机构方案：
⑴、单销四槽槽轮机构
⑵、棘轮机构
⑶、不完全齿轮机构
4、定位销方案:采用圆柱凸轮机构实现
二、方案比较
㈠、减速机构
1、涡轮蜗杆减速器方案分析：
此方案采用最普通的右旋阿基米德蜗杆。采用蜗杆传动的主要原因有：
⑴、传动平稳，振动、冲击和噪声均较小；
⑵、能以单级传动获得较大的传动比，故结构比较紧凑；
⑶、机构返行程具有自锁性；
本方案通过较为简单的涡轮蜗杆机构实现了：

的大传动比。满足了机构要求的性能指标，而且结构紧凑，节约空间。本方案存在的不足：由于涡轮蜗杆啮合齿间的相对滑动速度较大,使得摩擦损耗较大,因此传动效率较低，易出现发热和温升过高的现象。磨损也较严重。解决的办法是可以采用耐磨的材料(如锡青铜）来制造涡轮，但成本较高。
2、外啮合行星齿轮减速器方案分析：
该方案采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，所选轮系为外啮合行星齿轮系，采用齿轮机构的原因是其在各种机构中的运用比较广泛，且制造过程简单，成本较低,并且具有功率范围大，传动效率高，传动比精确，使用寿命长，工作安全可靠等特点。方案中齿轮系为复合轮系,实现了：

的大传动比.且具有较高的传动效率。本方案中存在的不足是，齿轮机构结构不够紧凑，占用空间较大。
3、定轴轮系减速器方案分析：
该方案采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，所选轮系为定轴轮系,采用该机构的原因是运用广泛，制造过程简单，成本较低，并且具有功率范围大，传动效率高，传动比精确，使用寿命长，工作安全可靠等特点。方案中轮系为定轴轮系，实现了：

的大传动比。本方案中存在的不足是,齿轮机构结构不够紧凑，占用空间较大.
㈡、刀架规律性运动机构
1、圆柱凸轮实现刀架规律性移动：
该方案采用圆柱凸轮机构和连杆机构串联组成，采用凸轮机构，是因为该机构只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑，但其不足在于凸轮廓线与推杆之间为点，线接触，易磨损。
2、盘型凸轮-尺条实现刀架规律性移动：
使用盘行凸轮机构首先需要加圆锥齿轮等机构将轴的传动方向转变，然后设计凸轮的廓线。此方案中凸轮的廓线设计中，其导程是旋转角度的函数,在计算中难求得精确导程，因此凸轮廓线设计较复杂.故不考虑此方案.
㈢、回转工作台回转机构
1、单销四槽槽轮机构
该方案采用槽轮机构，是因为该机构构造简单，外形尺寸小，其机械效率高，并能较平稳地,间歇地进行转位。本方案中的不足在于在槽轮机构的传动过程中往往存在着柔性冲击,故常用于速度不太高的场合.此机床中属于低速旋转，因此槽轮机构能够满足要求.
2、棘轮机构
该方案采用棘轮机构，是因为该机构的结构简单，制造方便,运动可靠，而且棘轮轴每次转过的角度可以在较大的范围内调节,与曲柄摇杆机构配合使用使其具有急回特性.本方案中的不足在于棘轮机构在工作时有较大的冲击和噪音,而且运动精度较差,常用于速度较低和载荷不大的场合。此机床中属于低速旋转，冲击可以忽略，对于精度要求不是太高，因此该机构能够满足要求.
3、不完全齿轮机构：
该方案采用不完全齿轮啮合实现间歇运动，此机构结构简单，加工安装容易实现，由于其中含标准件，有很好的互换性，有精确的传动比，所以在工作过程中精度较高。此机构的不足是由于在进入啮合时有冲击，会产生噪声,齿轮在磨损过程中会对精度有一定影响。但是对于低速旋转机构，此机构能够满足使用要求。
㈣、圆柱凸轮定位销机构
该方案采用圆柱凸轮机构和连杆机构串联组成，采用凸轮机构，是因为该机构只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。本方案中主要存在的不足在于凸轮廓线与推杆之间为点,线接触，易磨损。

最终设计方案和机构简介
一、 方案选择:
经过方案分析与比较，该机构最终选择如下方案组合:
1、电机选择Y132S-4型异步电动机.该电动机额定功率P=5.5KW，满载转速n=1440r/min。扭矩和功率均能满足工作要求。
2、传动、减速机构采用蜗轮蜗杆减速机构.蜗轮蜗杆的最大优点就是能实现大传动比，结构紧凑，占用空间较小，传动平稳，振动、冲击和噪声均较小,并且反行程能自锁.使用该机构对于机床的支撑外型和外观造型设计有很大优势。
3、进刀方案选择圆柱凸轮进刀。使用圆柱凸轮的主要原因是设计方便，通过廓线的设计可以完成比较复杂的进刀动作,圆柱凸轮的廓线较盘形凸轮简单，操作方便.
4、卡盘转动选择不完全齿轮机构。该机构结构简单，较之其他机构加工安装容易实现，由于其中含标准件，有很好的互换性，有精确的传动比，所以在工作过程中精度较高。还有使用该机构最大的优点是传动比具有可分性，在中心距发生变化的情况下传动比也能保持不变，保证了机床精度。
5、定位主要采用圆柱凸轮定位销机构。凸轮机构和连杆机构串联组成，采用凸轮机构,是因为该机构只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线,就可以使推杆得到各种预期的运动规律,而且机构简单紧凑,更便于设计。
二、方案简介及运动分析:
根据上述选择的方案可得如下图所示的机构运动简图

专用自动机床机构简图

1、定位齿轮 2、定位销专用圆柱凸轮 3、定位销连杆
4、不完全齿轮 5、定位销 6、工件 7、刀具 8、主轴箱
9、刀具专用电机 10、进刀圆柱凸轮 11、蜗轮蜗杆减速器 12、电动机

工作过程：电机12输出1440r/min的转速，由蜗轮蜗杆减速机构将速度减为1r/min带动凸轮10转动,由凸轮廓线的特性带动主轴箱完成快进、匀速、快退的运动过程。同时定位齿轮1将运动传导不完全齿轮4和凸轮2，使工件每分钟旋转90°（15秒旋转，45秒间歇）,通过2的廓线设计，使得旋转完间歇期间由定位销定住,在旋转的期间定位销松开。这样就满足了机床的工作要求.

参考资料

1、孙桓，陈作模等主编。机械原理。第六版.北京:高等教育出版社，2001
2、王三民主编。机械原理与设计课程设计。机械工业出版社,2005
3、王三民主编.机械原理课程设计.西北工业大学讲义，2001

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