課程設計---四工位專用機床設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　四工位專用機床是在四個工位上分別完成相應的裝卸工件、鉆孔、擴孔和絞孔工作的專用加工設備，其執(zhí)行動作主要包括回轉臺的間歇轉動和主軸箱的左右移動，二者相互協(xié)作、共同配合完成孔的精確加工。</p><p>　　針對以上功能和運動要求，本文對四工位專用機床的設計方案作了詳細的說明，包括功能分解、運動分析、循環(huán)圖的

2、擬定、機械運動方案的選擇、整體輪廓的大小設計和各機構的尺寸計算。在運動方案的擬定上，采用形態(tài)學矩陣法，從較多方案中選出兩個較優(yōu)的方案。在減速器的設計上，運用行星輪系傳動，在保證精確傳動的基礎上讓結構更加緊湊。在凸輪的尺寸設計上，分別用Matlab編程和圖解法對平面盤形凸輪和空間圓柱凸輪的輪廓進行了較為詳細的設計，并分析了速度和加速度的變化情況。</p><p>　　最后，本文對選定的運動方案作了評價和改進，大膽構

3、思了將兩個執(zhí)行動作集成到主軸箱上的方案，并將其與選定的方案進行了比較和綜合。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、功能原理和設計要求3</p><p>　　二、功能分解和運動分析3</p><p><b>　　三、方案的設計6</b></p><

4、;p><b>　　四、方案的比較6</b></p><p><b>　　（一）減速機構6</b></p><p>　?。ǘ┑都芤?guī)律性運動機構8</p><p>　?。ㄈ┗剞D工作臺回轉機構8</p><p>　　（四）、圓柱凸輪定位銷機構9</p><p>

5、<b>　　四、方案的選擇9</b></p><p>　　機械總體結構設計10</p><p><b>　　一、原動機構10</b></p><p><b>　　二、傳動機構10</b></p><p>　　三、執(zhí)行部分總體部局10</p><p&

6、gt;　　機械傳動系統(tǒng)設計11</p><p>　　一、渦輪蝸桿減速器：11</p><p>　　二、圓柱凸輪進到機構設計12</p><p>　　三、回轉工作臺設計12</p><p>　　四、圓柱凸輪定位銷機構設計13</p><p>　　五、方案簡圖及運動分析14</p><p&g

7、t;<b>　　參考文獻15</b></p><p>　　四工位專用機床設計說明書</p><p>　　一、功能原理和設計要求</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　四工位專用機床是在四個工位上分別完成相應的裝卸工件、鉆孔、擴孔、絞孔、。它的執(zhí)行動作有兩個：一是裝有四

8、工位工件的回轉臺轉動；二是裝有由專用電動機帶動的三把專用刀具的主軸箱的刀具轉動和移動。</p><p><b>　　設計要求 </b></p><p>　　1）刀具頂端離開工作表面65mm，快速移動送進了60mm后，再勻速送進60 mm（包括5mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量），然后快速返回。回程和工作行程的平均速度之比=2。K</p>

9、<p>　　2）刀具勻速進給速度為2 mm/s，工件裝、卸時間不超過10 s。</p><p>　　3）生產(chǎn)率為每小時約75件。</p><p>　　4）執(zhí)行機構能裝入機體內(nèi)。</p><p>　　二、功能分解和運動分析 </p><p><b>　　1. 功能分解</b></p><p

10、>　　通過對工作原理和設計要求的詳細分析可知，半自動四工位專用機床的總功能可以分解為如下幾個工藝動作： </p><p>　　1、安裝工件的工作臺要求間歇轉動。</p><p>　　2、安裝刀具的主軸箱能實行靜止、快進、進給、快退的工藝動作。</p><p>　　3、刀具轉動來切削工件。</p><p>　　由此可以畫出如圖1的四工位專

11、用機床的動作要求圖。其中4位置為裝卸位置1位置為鉆孔位置，2位置為擴孔位置，3位置為絞孔位置。</p><p>　　同時也可以得到四工位專用機床的樹狀功能圖如圖二所示：</p><p><b>　　2. 運動分析</b></p><p>　　設選定電動機型號為Y160M2-8，其轉速=960r/min，功率=1.5kW，則四工位專用機床的一個周

12、期內(nèi)的詳細運動情況為： </p><p>　　1）電動機作為驅(qū)動，通過減速器與其他輪系傳動將符合要求的轉速傳遞給工作回轉臺上的間歇機構，使其間歇轉動。</p><p>　　2）在間歇機構開始一次循環(huán)時，安裝并夾緊工件，間歇機構從0轉至90o。</p><p>　　3）間歇機構從90o轉至180o，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速送進和快退）。</p>

13、;<p>　　4）間歇機構從180o轉至270o，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速送進和快退）。</p><p>　　5）間歇機構從270o轉至360o，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速和快退），并將加工好的工件取下。</p><p><b>　　3．擬定運動循環(huán)圖</b></p><p>　　對于四工位專用機床，其運

14、動循環(huán)圖主要是確定回轉臺的間歇轉動機構和主軸箱進、退刀的控制機構的先后動作順序，用以協(xié)調(diào)各執(zhí)行構件的動作關系，便于機器的設計、安裝和調(diào)試。下面用矩形圖的表示方法對其運動循環(huán)圖進行擬定，如圖3：</p><p>　　圖三 機構運動循環(huán)圖</p><p><b>　　三、方案的設計</b></p><p>　　根據(jù)該機床包含兩個執(zhí)行機構，即主軸箱移

15、動機構和回轉臺的回轉機構。主軸箱移動機構的主動件是圓柱凸輪，從動件是刀架，行程中有勻速運動段（稱工作段），并具有急回特性。要滿足這些要求，需要將幾個基本機構恰當?shù)亟M合在一起來滿足上述要求。實現(xiàn)上述要求的機構組合方案可以有許多種。</p><p>　　1、減速機構的方案有：</p><p>　?、拧u輪蝸桿減速機構</p><p>　?、?、外嚙合行星輪系減速機構<

16、;/p><p>　　⑶、定軸輪系減速機構</p><p>　　2、刀架規(guī)律性運動的方案有：</p><p>　　⑴、圓柱凸輪實現(xiàn)刀架規(guī)律性移動：</p><p>　?、?、盤型凸輪—尺條實現(xiàn)刀架規(guī)律性移動</p><p>　　3、回轉工作臺回轉機構方案：</p><p>　?、拧武N四槽槽輪機構<

17、;/p><p><b>　?、啤⒓啓C構</b></p><p><b>　?、?、不完全齒輪機構</b></p><p>　　4、定位銷方案：采用圓柱凸輪機構實現(xiàn)</p><p><b>　　四、方案的比較</b></p><p><b>　?。ㄒ?/p>

18、）減速機構</b></p><p>　　1、渦輪蝸桿減速器方案分析：</p><p>　　此方案采用最普通的右旋阿基米德蝸桿。采用蝸桿傳動的主要原因有：</p><p>　　⑴、傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲均較??；</p><p>　　⑵、能以單級傳動獲得較大的傳動比，故結構比較緊湊；</p><p>　?、?/p>

19、、機構返行程具有自鎖性；</p><p>　　本方案通過較為簡單的渦輪蝸桿機構實現(xiàn)了：</p><p>　　的大傳動比。滿足了機構要求的性能指標，而且結構緊湊，節(jié)約空間。本方案存在的不足：由于渦輪蝸桿嚙合齒間的相對滑動速度較大，使得摩擦損耗較大，因此傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過高的現(xiàn)象。磨損也較嚴重。解決的辦法是可以采用耐磨的材料（如錫青銅）來制造渦輪，但成本較高。</p>

20、<p>　　2、外嚙合行星齒輪減速器方案分析：</p><p>　　該方案采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，所選輪系為外嚙合行星齒輪系，采用齒輪機構的原因是其在各種機構中的運用比較廣泛，且制造過程簡單，成本較低，并且具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比精確，使用壽命長，工作安全可靠等特點。方案中齒輪系為復合輪系，實現(xiàn)了：</p><p>　　的大傳動比。且具有較高的傳動效率。本方

21、案中存在的不足是，齒輪機構結構不夠緊湊，占用空間較大。</p><p>　　3、定軸輪系減速器方案分析：</p><p>　　該方案采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，所選輪系為定軸輪系，采用該機構的原因是運用廣泛，制造過程簡單，成本較低，并且具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比精確，使用壽命長，工作安全可靠等特點。方案中輪系為定軸輪系，實現(xiàn)了：</p><p>　　的大

22、傳動比。本方案中存在的不足是，齒輪機構結構不夠緊湊，占用空間較大。</p><p>　?。ǘ┑都芤?guī)律性運動機構</p><p>　　1、圓柱凸輪實現(xiàn)刀架規(guī)律性移動：</p><p>　　該方案采用圓柱凸輪機構和連桿機構串聯(lián)組成，采用凸輪機構，是因為該機構只要適當?shù)卦O計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且機構簡單緊湊，但其不足在于凸輪廓線與推桿

23、之間為點，線接觸，易磨損。</p><p>　　2、盤型凸輪—尺條實現(xiàn)刀架規(guī)律性移動： 使用盤行凸輪機構首先需要</p><p>　　加圓錐齒輪等機構將軸的傳動方向轉變，然后設計凸輪的廓線。此方案中凸輪的廓線設計中，其導程是旋轉角度的函數(shù)，在計算中難求得精確導程，因此凸輪廓線設計較復雜。故不考慮此方案。</p><p>　?。ㄈ┗剞D工作臺回轉機構</p&g

24、t;<p>　　1、單銷四槽槽輪機構</p><p>　　該方案采用槽輪機構，是因為該機構構造簡單，外形尺寸小，其機械效率高，并能較平穩(wěn)地，間歇地進行轉位。本方案中的不足在于在槽輪機構的傳動過程中往往存在著柔性沖擊，故常用于速度不太高的場合。此機床中屬于低速旋轉，因此槽輪機構能夠滿足要求。</p><p><b>　　2、棘輪機構</b></p&g

25、t;<p>　　該方案采用棘輪機構，是因為該機構的結構簡單，制造方便，運動可靠，而且棘輪軸每次轉過的角度可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，與曲柄搖桿機構配合使用使其具有急回特性。本方案中的不足在于棘輪機構在工作時有較大的沖擊和噪音，而且運動精度較差，常用于速度較低和載荷不大的場合。此機床中屬于低速旋轉，沖擊可以忽略，對于精度要求不是太高，因此該機構能夠滿足要求。</p><p>　　3、不完全齒輪機構：<

26、;/p><p>　　該方案采用不完全齒輪嚙合實現(xiàn)間歇運動，此機構結構簡單，加工安裝容易實現(xiàn)，由于其中含標準件，有很好的互換性，有精確的傳動比，所以在工作過程中精度較高。此機構的不足是由于在進入嚙合時有沖擊，會產(chǎn)生噪聲，齒輪在磨損過程中會對精度有一定影響。但是對于低速旋轉機構，此機構能夠滿足使用要求。</p><p>　?。ㄋ模?、圓柱凸輪定位銷機構</p><p>　　該

27、方案采用圓柱凸輪機構和連桿機構串聯(lián)組成，采用凸輪機構，是因為該機</p><p>　　構只要適當?shù)卦O計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且機構簡單緊湊。本方案中主要存在的不足在于凸輪廓線與推桿之間為點，線接觸，易磨損。</p><p><b>　　四、方案的選擇</b></p><p>　　經(jīng)過方案分析與比較，該機構最終選

28、擇如下方案組合：</p><p>　　1、電機選擇Y132S-4型異步電動機。該電動機額定功率P=5.5KW,滿載轉速n=1440r/min。扭矩和功率均能滿足工作要求。</p><p>　　2、傳動、減速機構采用蝸輪蝸桿減速機構。蝸輪蝸桿的最大優(yōu)點就是能實現(xiàn)大傳動比，結構緊湊，占用空間較小，傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲均較小，并且反行程能自鎖。使用該機構對于機床的支撐外型和外觀造型設計有很

29、大優(yōu)勢。</p><p>　　3、進刀方案選擇圓柱凸輪進刀。使用圓柱凸輪的主要原因是設計方便，通過廓線的設計可以完成比較復雜的進刀動作，圓柱凸輪的廓線較盤形凸輪簡單，操作方便。</p><p>　　4、卡盤轉動選擇不完全齒輪機構。該機構結構簡單，較之其他機構加工安裝容易實現(xiàn)，由于其中含標準件，有很好的互換性，有精確的傳動比，所以在工作過程中精度較高。還有使用該機構最大的優(yōu)點是傳動比具有可分

30、性，在中心距發(fā)生變化的情況下傳動比也能保持不變，保證了機床精度。</p><p>　　5、定位主要采用圓柱凸輪定位銷機構。凸輪機構和連桿機構串聯(lián)組成，</p><p>　　采用凸輪機構，是因為該機構只要適當?shù)卦O計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且機構簡單緊湊，更便于設計。</p><p><b>　　機械總體結構設計</b&g

31、t;</p><p><b>　　一、原動機構</b></p><p>　　原動機選擇Y132S-4異步電動機，電動機額定功率P=1.5KW,滿載轉速n=960r/min。</p><p><b>　　二、傳動機構</b></p><p>　　傳動系統(tǒng)的總傳動比為i=n/n6,其中n6為圓柱凸輪所在

32、軸的轉速，即總傳動比為960/1。采用渦輪蝸桿減速機構（或外嚙合行星減速輪系）減速.</p><p>　　三、執(zhí)行部分總體部局</p><p>　　執(zhí)行機構主要有旋轉工件卡盤和帶鉆頭的移動刀架兩部分，兩個運動在工作過程中要保持相當精度的協(xié)調(diào)。因此，在執(zhí)行機構的設計過程中分為，進刀機構設計、卡盤旋轉機構和減速機構設計。而進刀機構設計歸結到底主要是圓柱凸輪廓線的設計，卡盤的設計主要是間歇機構的

33、選擇。</p><p>　　在執(zhí)行過程中由于要滿足相應的運動速度，因此首先應該對于原動機的輸出進行減速。下面先討論減速機構傳動比的確定：由于從刀具頂端離開工件表面65mm位置，快速移動送進了60mm后，在勻速送進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／小時，刀架一個來回（生產(chǎn)１個工件）的時間應該是１分鐘。根據(jù)這個運動規(guī)律，可以計算出電機和工作凸輪之間的傳

34、動比為960/1。兩種方案的傳動比計算，參考主要零部件設計計算。</p><p>　　下面討論執(zhí)行機構的運動協(xié)調(diào)問題：有運動循環(huán)圖可知，裝上工件之后，進刀機構完成快進、加工、退刀工作，退后卡盤必須旋轉到下一個工作位置，且在加工和退刀的前半個過程中卡盤必須固定不動，由于卡盤的工作位置為四個，還要滿足間歇和固定兩個工作，于是選擇單銷四槽輪機構（或棘輪機構、不完全齒輪機構與定位銷協(xié)調(diào)）解決協(xié)調(diào)問題，具體實現(xiàn)步驟參考“回

35、轉工作臺設計”。由于進刀機構的運動比較復雜，因此要滿足工作的幾個狀態(tài)，用凸輪廓線設計的辦法比較容易滿足。廓線的設計參考主要零部件設計計算。</p><p><b>　　機械傳動系統(tǒng)設計</b></p><p>　　一、渦輪蝸桿減速器：</p><p>　　采用如圖機構，通過渦輪蝸桿加上一個定軸輪系實現(xiàn)了：</p><p>

36、;<b>　　渦輪蝸桿減速機構</b></p><p>　　1、蝸桿：m=5mm d=40mm（機械原理，p346,表10-7）</p><p>　　2、渦輪：(d=mz) m=5mm z2=10 d2=100mm z4=32 d4=180mm</p><p>　　3、齒輪：此齒輪機構的中心距a=135mm,模數(shù)m=5mm，采用標準

37、直齒圓柱齒輪傳動，z5=12,z6=36,ha*=1.0,(d=mz,d5=90mm,d6=180mm)</p><p><b>　　4、傳動比計算：</b></p><p>　　二、圓柱凸輪進到機構設計</p><p><b>　　凸輪廓線設計：</b></p><p>　　進刀機構的運動有凸輪的

38、廓線來實現(xiàn)，進刀的方向為安裝凸輪的軸的軸線方向根據(jù)運動的特性，凸輪選擇圓柱凸輪，按照運動規(guī)律設計其廓線。</p><p><b>　　三、回轉工作臺設計</b></p><p>　　回轉工作臺的運動規(guī)律：四個工作位置，每個工作位置之間相差90°，在工作過程中，旋轉90°，停止定位，進刀加工，快速退刀后，旋轉90°，進行下一個循環(huán)。在加工和

39、退刀的前半段（即刀具與工件有接觸）時，必須將工作臺固定，由于卡盤的工作位置為四個，還要滿足間歇和固定兩個工作。</p><p>　　采用不完全齒輪機構，其結構如下圖所示：</p><p><b>　　不完全齒輪機構</b></p><p>　　不完全齒輪的設計也是為了滿足間歇運動，不完全齒輪上有1/4上有齒，因此在嚙合過程中，有齒的1/4帶動完

40、全齒輪旋轉90°。之后的270°由于沒有齒嚙合，完全齒輪不轉動，該機構結構簡單，在低速（1r/min）的轉動中可與忽略齒輪嚙合時的沖擊影響。故能實現(xiàn)運動規(guī)律。</p><p>　　圓柱凸輪定位銷機構設計</p><p>　　由機構運動循環(huán)圖可以看出，定位銷一共有兩個工作位置，刀具在與工件接觸前必須將主軸固定住，刀具離開工件后到再次接觸前（即卡盤旋轉時）定位銷必須拔出。由

41、于本機床中采用了槽輪機構，該機構有固定功能，定位銷的主要作用是輔助定位，起保險作用！其結構圖如下圖所示：</p><p><b>　　圓柱凸輪定位銷機構</b></p><p><b>　　輔助凸輪廓線</b></p><p>　　五、方案簡圖及運動分析</p><p>　　根據(jù)上述選擇的方案可得如

42、下圖所示的機構運動簡圖：</p><p>　　專用自動機床機構簡圖</p><p>　　1、定位齒輪 2、定位銷專用圓柱凸輪 3、定位銷連桿</p><p>　　工作過程：電機12輸出1440r/min的轉速，由蝸輪蝸桿減速機構將速度減為1r/min帶動凸輪10轉動，由凸輪廓線的特性帶動主軸箱完成快進、勻速、快退的運動過程。同時定位齒輪1將運動傳導不完

43、全齒輪4和凸輪2，使工件每分鐘旋轉90°（15秒旋轉，45秒間歇），通過2的廓線設計，使得旋轉完間歇期間由定位銷定住，在旋轉的期間定位銷松開。這樣就滿足了機床的工作要求。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、孫桓，陳作模等主編.機械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2001</p><p>　　2、

44、王三民主編.機械原理與設計課程設計.機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　3、王三民主編.機械原理課程設計.西北工業(yè)大學講義，2001</p><p>　　4、《機械原理課程設計手冊》鄒慧君 主編 高等教育出版社 </p><p>　　5、《機械原理教程》（第二版） 申永勝 主編 清華大學出版社 </p><p>　　6、《機械原理輔