四工位专用机床课程设计说明书超详细.doc

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
设计规定：
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

该专用机床规定三个动作的协调运营，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

要保证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毕卡盘旋转动作。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：
执行机构重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称精度的协调。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重要是圆柱凸轮廓线的设计，卡盘的设计重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，因此一方面应当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拟定：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。规定效率是６０件／小时，刀架一个来回（生产１个工件）的时间应当是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，参考重要零部件设计计算。
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，进刀机构完毕快进、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，具体实现环节参考“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。廓线的设计参考重要零部件设计计算。

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

重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。由于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，又由于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。由于卡盘每次旋转90°，所以选择四槽均布槽轮，刚好实现旋转90°的规定。
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积极件，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，规定棘轮每次旋转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，该机构结构简朴，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，定位销的重要作用是辅助定位，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。主轴箱移动机构的积极件是圆柱凸轮，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。要满足这些规定，需要将几个基本机构恰本地组合在一起来满足上述规定。实现上述规定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。采用蜗杆传动的重要因素有：
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；
本方案通过较为简朴的涡轮蜗杆机构实现了：

的大传动比。满足了机构规定的性能指标，并且结构紧凑，节约空间。本方案存在的局限性：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，采用齿轮机构的因素是其在各种机构中的运用比较广泛，且制造过程简朴，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。本方案中存在的局限性是，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，采用该机构的因素是运用广泛，制造过程简朴，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。本方案中存在的局限性是，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，是由于该机构只要适本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，并且机构简朴紧凑，但其局限性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：
使用盘行凸轮机构一方面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，是由于该机构构造简朴，外形尺寸小，其机械效率高，并能较平稳地，间歇地进行转位。本方案中的局限性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，因此槽轮机构可以满足规定。
2、棘轮机构
该方案采用棘轮机构，是由于该机构的结构简朴，制造方便，运动可靠，并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。本方案中的局限性在于棘轮机构在工作时有较大的冲击和噪音，并且运动精度较差，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，对于精度规定不是太高，因此该机构可以满足规定。
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，此机构结构简朴，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。此机构的局限性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，此机构可以满足使用规定。
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，是由于该机构只要适本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，并且机构简朴紧凑。本方案中重要存在的局限性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：
通过方案分析与比较，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规定。
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。使用圆柱凸轮的重要因素是设计方便，通过廓线的设计可以完毕比较复杂的进刀动作，圆柱凸轮的廓线较盘形凸轮简朴，操作方便。
4、卡盘转动选择不完全齿轮机构。该机构结构简朴，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。尚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、定位重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，是由于该机构只要适本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，并且机构简朴紧凑，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毕快进、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规定。

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，2023
2、王三民主编.机械原理与设计课程设计.机械工业出版社，2023
3、王三民主编.机械原理课程设计.西北工业大学讲义，2023