四工位专用机床的设计.docx
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四工位专用机床的设计
课程设计
资料袋
机械工程学院（系、部）第二零一零---二零一一学年第二学期
课程名称机械原理课程设计指导教师职称教授
学生姓名专业班级机械091学号
题目四工位专用机床的设计
成绩起止日期2011年7月1日～2011年7月5日
目录清单
序号
材料名称
资料数量
备注
1
课程设计任务书
1
2
课程设计说明书
1
3
课程设计图纸
若干
张
4
5
6
目 录
0.课程设计任务书……………………………………………2
1.设计题目……………………………………………………3
2.工作原理和工艺动作分解…………………………………4
3.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图………………5
4.四工位专用机床的功能分析与设计过程…………………5
5.间歇转动机构与刀具移动机构等主要机构选型…………7
6.机构运动方案的评价和选择……………………………11
7.机械传动系统的速比和变速机构………………………11
8.执行机构的尺度综合……………………………………12
9.画机构运动简图…………………………………………15
10.参考资料…………………………………………………16
11.设计总结及感悟…………………………………………16
湖南工业大学
课程设计任务书
2010—2011学年第2学期
机械工程学院（系、部）机械类专业091班级
课程名称：
机械原理课程设计
设计题目：
四工位专用机床的设计
完成期限：
自2011年7月1日至2011年7月5日共1周
内
容
及
任
务
一、设计的任务与主要技术参数
四工位专用机床是在四个工位上分别完成工件的装卸、钻孔、扩孔、铰空的专用加工设备。
其工艺过程是：
主轴箱每向左移动送进一次，在四个工位上分别完成相应的装卸工件、钻孔、扩孔和铰孔工作。
当主轴箱右移（退回）到刀具离开工件后，工作台回转90º，然后主轴箱再次左移，这时，每一个工件进入了下一个工位的加工，依次循环四次，一个工件就完成装、钻、扩、铰、卸等工序。
其余设计参数是：
1）刀具顶端离开工作表面65mm,快速移动送进60mm，再匀速送进60mm（包括5mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量，如图），然后快速返回。
行程速比系数K=1.6；
2）刀具匀速进给速度为2mm/s，工件装卸时间不超过10s；
3）机床生产率55件/h；
4）执行机构及传动机构能装入机体内；
5）传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r/min。
二、设计工作量
要求：
对设计任务课题进行工作原理和工艺动作分解，根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图，进行执行机构选型，构思该机械运动方案，并进行的选择和评定，确定机械运动的总体方案，根据任务书中的技术参数，确定该机械传动系统的速比和变速机构，作出机构运动简图，对相关执行机构的具体尺度进行分析与设计。
要求有设计说明书一份，相关图纸一至两张。
（有条件的要求用三维动画表述）。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
7.1---7.2
构思该机械运动方案
7.3---7.4
运动分析及作图
7.5
整理说明书与答辩
主要
参考
资料
［1］朱理．机械原理［Ｍ］．2版.北京：
高等教育出版社，2010.4.
［2］戴娟．机械原理课程设计指导书［Ｍ］．北京：
高等教育出版社，2011.1.
指导教师：
银金光2011年7月1日
系（教研室）主任：
王菊槐2011年7月1日
1.设计题目：
四工位专用机床的设计
1.1设计原理：
四工位专用机床是在四个工位上分别完成工件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔工作的专用加工设备。
机床的执行动作有两个：
一是装有工件的回转工作台的间歇转动；二是装有三把专用刀具的主轴箱的往复移动（刀具的转动由专用电机驱动）。
两个执行动作由同一台电机驱动，工作台转位机构和主轴箱往复运动机构按动作时间顺序分支并列，组合成一个机构系统。
1.2设计要求：
1）刀具顶端离开工作表面65mm,快速移动送进60mm，再匀速送进60mm（包括5mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量，如图1-1），然后快速返回。
行程速比系数K=1.6；
2）刀具匀速进给速度为2mm/s，工件装卸时间不超过10s；
3）机床生产率55件/h；
4）执行机构及传动机构能装入机体内；
5）传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r/min。
图1-1孔加工示意图
2.工作原理和工艺动作分解
2.1工作原理
专用机床旋转工作台有四个工作位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（如图2-1所示），分别对应工件的装卸、钻孔、扩孔和铰孔。
主轴箱上装有三把刀具，对应于工位Ⅱ的位置装钻头，Ⅲ的位置装扩孔钻，Ⅳ的位置装铰刀。
刀具由专用电动机驱动绕其自身轴线转动。
主轴箱每向左移动送进一次，在四个工位上分别完成相应的装卸工件、钻孔、扩孔和铰孔工作。
2.2工艺动作分解
当主轴箱右移（退回）到刀具离开工件后，工作台回转90º，然后主轴箱再次左移，这时，对其中每一个工件来说，它进入了下一个工位的加工，依次循环四次，一个工件就完成装、钻、扩、铰、卸等工序。
由于主轴箱往复一次，在四个工位上同时进行工作，所以每次就有一个工件完成上述全部工序。
图2-1专用机床外廓尺寸示意图
3.根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图
拟定运动循环图的目的是确定各机构执行构件动作的先后顺序、相位，以利于设计、装配和调试。
根据专用机床的工作过程和规律拟定的运动循环图如下图3-1所示：
图3-1机床的机构运动循环图
4.四工位专用机床的功能分析与设计过程
4.1机床的功能分析
由上述分析可知，机床的功能分析可作总结如图4-1所示：
图4-1机床的功能分析图
由机床的功能分析图可知，其运动有：
装载旋转钻孔、扩孔、铰孔卸载，如图4-2所示：
图5-3
图4-2机床的运动示意图
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。
4.2机床的设计过程：
实现四工位专用机床的机构应有下面几种基本功能：
1在专用机床的装、卸、钻、扩、铰各个过程中，定位机构要处于停歇状态，故该机构要有五次间歇转动功能。
2要满足定位功能与各个运动功能联动组合
3需要主轴箱机构有往复运动
4需要回转台有间歇转动
5我们由生产率求出运动循环时间T=65s,刀具匀速送进60mm需要时间t=30s,刀具其余移动时间35s。
回转工作台静止时间40s,因此足够工件装卸所需时间。
5.回转台间歇转动机构与主轴箱刀具移动机构等主要机构选型
5.1主轴箱移动执行机构选型
由要求可知，主轴箱移动执行要满足以下运动功能：
1）主加压机构应有运动缩小功能
2）机构要有运动转换功能
3）冲头是往复运动，故机构要有运动交替功能。
选出如下图三种方案作为评选方案。
方案一
方案二
方案三
方案二的凸轮机构虽能得到理想运动规律，但要是从动件达到设计行程，凸轮的向径比较大，于是其运动空间也比较大。
方案三采用曲柄滑块机构，尺寸较小，结构简洁，但不满足理想运动规律。
方案一，采用圆柱槽轮机构，比较简单，而且容易控制，运动线路明了，但是要求槽轮材料能承受冲击。
综上所述选取方案一作为主轴箱执行机构比较合适。
5.2回转台间歇转动机构选型
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。
有以下三种方案：
1、采用单销四槽槽轮机构。
其结构图如下图所示：
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，由运动循坏图中可知：
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°。
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°，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（0.83r/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。
综上所诉三个方案中，可根据实际情况进行合理选择
5.3主轴箱刀具移动凸轮机构选型
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=1.6，所以可得下列方程：
30+x=2y
（1）
30+x+y=65
（2）
（1）
（2）两个方程联立可以得出，x=40/3s,y=130/6s
因此可以得出如下图所示的主轴箱刀具运动规律图：
快进
匀速
快退
主轴箱刀具运动规律图
60°240°
2、主轴箱刀具凸轮廓线设计：
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：
主轴箱刀具圆柱凸轮廓线
6.机构运动方案的评价和选择
综上所述主轴箱移动执行应选取方案一，因为这种设计比较简单，而且容易控制，运动线路非常明了，满足设计要求。
回转工作台应选用单销四槽槽轮机构，因为这种设计简单，能准确控制转角，工作可靠，机械效率高，与棘轮机构相比工作平稳性好，但是草轮机构行程不可调节，转角不可太小，从主动关系不能互换，启停有冲突。
但是在此设计中相比其他设计有很强的可执行性，故选择单销四槽槽轮机构。
7.机械传动系统的速比和变速机构
根据生产效率每小时生产50个零件，可以求出生产效率N为每72秒生产一个工件。
可以算出总传动比：
==960/（55/60）=7200/7=1047
（5-1）
由于传动比较大故选用皮带传动作为第一级减速机构（因为结构简单，制造成本低，维护简单）用行星齿轮作为第二级减速机构，用直齿圆柱齿轮作为第三级减速机构。
8.执行机构的尺度综合
该四工位机床变速机构采用的是定轴轮系减速器，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。
定轴轮系减速机构的简图如下图所示：
图5-1定轴轮系减速机构简图
由图5-1所示，主动轮1到从动轮8之间的传动是通过一对对齿轮一次啮合来实现的。
为此，首先求出该轮系中各对啮合齿轮传动比的大小：
i12=
=
（a）i34=
=
（b）
i56=
=
（c）i78=
=
（d）
又因为ω2=ω3，ω4=ω5，ω6=ω7，将上式两边分别连乘后得：
i12i34i56i78=
=
即：
i18=
=
=1047
四工位的机床是采用圆柱凸轮机构来实现主轴箱的往复运动的。
如图5-2（a）所示为直动从动件的圆柱凸轮机构，（b）图为圆柱凸轮的轮廓曲线图。
对于圆柱凸轮机构的设计，如下步骤：
1）以2πR为底边作为一矩形表示圆柱凸轮展开后的圆柱面，如图所示，圆柱面匀速回转运动就变成了展开面的横向匀速直线运动，且v=Rw；
2）将展开面底边沿-v方向分成与从动件唯一曲线对应的等分，的反转后从动件的位置；
3）在这些位置上量取相应的唯一量s，得1,2,3.····若干点，将这些点光滑的连接起来得展开面的理论轮廓曲线。
4）以理论轮廓曲线上各点为圆心，一滚子半径为半径，做一系列圆。
并作滚子圆的上下两条包络线即为凸轮的实际轮廓曲线.
图5-2圆柱凸轮机构简图及其轮廓曲线图
附：
齿轮2的零件图
9.画机构运动简图
根据上述选择的方案可得如下图所示的机构运动简图：
运动分析：
电机以960r/min的转速带动轮系转动，在通过回转工作台的槽轮机构的转动；并在同一时间，再由轮系带动圆柱凸轮机构，通过之前设计好的圆柱凸轮，来实现主轴箱的快速送进，匀速工作，再快速退回
10.参考资料
［1］朱理．机械原理［Ｍ］．2版.北京：
高等教育出版社，2010.4.
［2］戴娟．机械原理课程设计指导书［Ｍ］．北京：
高等教育出版社，2011.1.
11.设计总结及感悟
课程设计的过程是十分困难和幸苦的，但是经过老师的教导和自己的实践后，所获得的成就感也是十分巨大的它锻炼了我查阅资料，进行方案构思选择的能力。
在设计过程中，按照知道老是发给我们的资料以及设计要求，一步一步的设计并完善我们的方案。
对指导老师提出需要注意的地方，也进行了仔细的考虑。
虽然时间花得比较多，但最终还是完成了设计。
在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.其中很多画图方面的学习还很欠缺的，有待改善。
中途我遇到了很多的问题，每个问题就像一座高山一样，起伏跌宕、困难重重，但在指导老师和同学的帮助下我最终登上了高山，顿感神清气爽，眼前豁然开朗。
体会到了“会当凌绝顶，一览众山晓”的感慨。
想着“今天的付出是为以后做准备的”，那么“高山”在我们面前就变得不在高大了。
然后，我懂得了，很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题。
因此，学习或工作中应戒骄戒躁,态度端正,虚心认真。
因为，态度决定一切。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
通过这次课程设计，不仅巩固了以前所学过的知识，而且使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，才能真正为社会服务。
这次课程设计，虽然困难重重，锻炼了我做事要仔细细心，但我更深切的体会到人与人之间的那种互相协调合作重要性。
另外，在设计过程中，也学习到了很多以前不知到的东西，或许，我对课本里面的知识有了新的了解了。
通过设计之后，才知道自己对书本一点都没了解，对所学的知识不能灵活运用。
最后，我要感谢我的指导老师银金光老
师，是您辛勤的教导指引着我，是您的谆谆教诲启发了我，是您的期望鼓励了我，为我增添了一幅坚实的翅膀。
另外我还要感谢在我完成课程设计过程中帮过的的同学在此，我对您表示由衷的感谢!
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