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1、 机械原理机械原理课课程程设计设计计设计设计计算算说说明明书书四工位专用机床的刀具进给和工作台转位机构设计四工位专用机床的刀具进给和工作台转位机构设计院院 系系 班班 级级 姓姓 名名 20072007 年年 2 2 月月 2 2 日日前言前言四工位专用机床是在四个工作位上分别完成相应的装卸工件，钻孔，扩孔和铰孔的工作。它的工艺动作主要是：（1）装有四个工位的回转台转动；（2）装有专用电动机带动的三把专用刀具的主轴箱的刀具转动和移动。该机床的工艺动作如下图所示，刀具先以较大的速度接近工件，然后以均匀的速度进行钻孔，扩孔和铰孔的工作，最后快速返回。刀具退出后，回转台旋转 90 度，完成一个工作循
2、环。目录目录设计任务书 1机械运动方案设计2机械总体结构设计3机械传动系统设计 5主要零部件的设计计算 7执行机构和传动部件的结构设计 14最终设计方案和机构简介18参考资料20设计任务书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（5m
3、m 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：位位位位位位60位位0240位位位位位位位位位位307.4位位位位位位位位位位位 位位位位 位位位397.4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： 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
4、须协调一致，并按照一定规律运动。机械总体结构设计机械总体结构设计一、原动机构：一、原动机构：机构运机构运动动循循环图环图机床工作运动模型机床工作运动模型原动机选择 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：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：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
5、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。要求效率是件小时，刀架一个来回（生产个工件）的时间应该是分钟。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
6、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：2、外啮合行星齿轮减速器：采用如图采用
7、渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比：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：min/1rmin/1440r n主轴电机nmin/1rmin/1440r n主轴电机n外啮合行星轮系减速机构外啮合行星轮系减速机构涡轮蜗涡轮蜗杆减速机构杆减速机构12345678主要零部件的设计计算主要零部件的设计计算min/1rmin/1440r n主轴电机n定轴轮系减速机构定轴轮系减速机构一、 减速机构设计：方案一：涡轮蜗杆减速机构结构图如下：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=
8、36 d4=180mm3、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：14401836 136 12056341216iiii方案二：外啮合行星齿轮减速器：结构图如下：涡轮蜗涡轮蜗杆减速机构杆减速机构12345678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=-36/10iH6=1/i6H1820172111135
9、64 636zzzziiH H所以 3360 172118201820 11636HHii又 i78=-z8/z7=-40/12所以14401240 3360 10367861218iiiiH方案三：定轴轮系减速器外啮合行星轮系减速机构外啮合行星轮系减速机构图示 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=1440109753111108642 zzzzzzzzzzzz 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（
10、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：定轴轮系减速机构定轴轮系减速机构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60 2402、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：6
11、0240360601200位位位位位位位位(mm)307.465三、 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，必刀架运刀架运动规动规律律图图进进刀刀圆圆柱凸柱凸轮轮廓廓线线须将工作台固定，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：100100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
12、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：3604 .30760360 11 k于是得：K2.2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。单销四槽槽轮机构单销四槽槽轮机构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，
13、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。不完全齿轮机构不完全齿轮机构棘轮机构棘轮机构四、 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307.4397.4 位位位位位位位位位位(mm)020辅辅助凸助凸轮轮廓廓线线圆柱凸轮定位销机构圆柱凸轮定位销机构执行机构和传动部件
14、的机构设计执行机构和传动部件的机构设计一、方案设计一、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：、涡轮蜗杆减速机构、外啮合行星轮系减速机构、定轴轮系减速机构2、刀架规律性运动的方案有：、圆柱凸轮实现刀架规律性移动：、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：、单销四槽槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构4、定位销方案：采用圆柱凸
15、轮机构实现二、方案比较二、方案比较、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：、传动平稳，振动、冲击和噪声均较小；、能以单级传动获得较大的传动比，故结构比较紧凑；、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：min/1rmin/1440r n主轴电机n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
