四工位专用机床的设计Word文档格式.docx
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成绩
指导教师（签字）
机械工程学院（部）
2011年7月1日
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………………………13
8.执行机构的尺度综合……………………………………14
9.画机构运动简图…………………………………………15
10.参考资料…………………………………………………16
11.设计总结及感悟…………………………………………16
2010—2011学年第2学期
机械工程学院（系、部）机械大类专业班级
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=1.8；
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60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：
2011年7月1日
系（教研室）主任：
2011年7月1日
1.设计题目：
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。
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
根据四工位专用机床的工艺过程，机构应有一个电动机和二个执行构件（刀架进给、卡盘旋转）。
必须严格控制时间顺序，保持协调。
1.装有工件的回转工作台的间歇转动，该机构有四个工作位置，在每次转动90度时实现装卸，钻孔，扩孔和绞孔。
故此在主机构每次行程中工作台只需转动90度，其余保持静止不动，其工作行程图如下：
2.2工艺动作分解
2.装有三把专用工具刀得主轴箱的往复运动（刀具由专用电动机驱动），该构件整个往复运动的时间t=60s。
需快速移动送进60mm；
在以2mm/s的速度送进60mm，最后快速返回120mm。
其运动简图如下：
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、铰空卸载，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=60s,刀具匀速送进60mm需要时间t=30s,刀具其余移动时间30s。
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（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。
综上所诉三个方案中，可根据实际情况进行合理选择
5.2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=1.8，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=9s,y=21s
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：
5.3传动机构选型
有如下三种方案
方案一：
涡轮蜗杆减速机构
结构图如下：
1、蜗杆：
m=5mmd=40mm（机械原理教材，p215,表7.9）
2、涡轮：
（d=mz）m=5mmz2=20d2=100mmz4=18d4=90mm
3、齿轮：
此齿轮机构的中心距a=165mm,模数m=5mm，采用标准直齿圆柱齿轮传动，z5=18,z6=48,ha*=1.0,（d=mz,d5=90mm,d6=240mm）
4、传动比计算：
方案二：
外啮合行星齿轮减速器：
外啮合行星轮系减速机构
图示z1=10,z2=24,z3=18,z4=21,z5=20,z6=17,z7=14,z8=40
传动比计算：
i18=i12iH6i78
其中i12=-z2/z1=-24/10
iH6=1/i6H
所以
又i78=-z8/z7=-40/12
方案三：
定轴轮系减速器
定轴轮系减速机构
图示z1=17,z2=51,z3=12,z4=40,z5=12,z6=72,z7=13,z8=52，z9=12,z10=48，z11=48
i111=
=960
6.机构运动方案的评价和选择
（一）、传动机构
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：
（1）、传动平稳，振动、冲击和噪声均较小；
（2）、能以单级传动获得较大的传动比，故结构比较紧凑；
（3）、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：
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：
（二）、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。
结果：
经过方案分析与比较，该机构最终选择如下方案组合：
1、电机选择交流异步电动机。
该电动机额定功率P=1.5KW,满载转速n=960r/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。
7.机械传动系统的速比和变速机构
总传动比计算：
第一级传动采用蜗轮蜗杆减速机构传动，传动比为20
第二级传动采用圆柱齿轮机构传动，传动比为48
8.执行机构的尺度综合
根据方案设计专用机床传动机构示意图，如图8-1所示：
图8-1机床传动机构示意图
四个齿轮的尺寸大小，根据传动需要，选择如表7-1所示：
表8-1齿轮的主要尺寸
齿轮序号
②
④
模数M
齿数Z
20
18
48
压力角α
齿厚b
8
分度圆直径d=m×
z
100
90
240
基圆直径db=d×
cosα
93.97
87.25
232.65
其传动比的计算如下:
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：
工作过程：
电机12输出960r/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。
10.参考资料
［1］朱理．机械原理［Ｍ］．2版.北京：
11.设计总结及感悟
我们之前从来没做过这样的课程设计，面对这个我们心里充满了期待！
通过一周的机械原理课程设计，在老师的指导下，我终于将机械设计课程设计做完了，并且有很多的感触收获.
关于这种设计方面的知识所要求有严谨的思维、丰富的想象力、以及对各种机构作用及尺寸要求的认识了解。
在这近一周的设计操作中，让我一个学机械的学生了解到了现在大二所学西的局限性，真正弄懂的东西并不算多，而且还有很多的东西你根本上就没能应用上的。
在这次作业过程中我，遇到了许多困难喝多吃的设计方案最后都证明是行不通的，这都暴露出了前期的我在这方面的知识欠缺和经验不足在这次的操作中我知道了齿轮传动，凸轮机构设计步骤与方法;
进一步了解了AutoCAD、Word这两个软件的操作，这些仅仅是工具软件熟练掌握也是必需的.对我来说收获最大的是方法和能力.那些分析和解决问题的方法与能力.在整个过程中我发现，像我们这些学生最最缺少的是经验没有感性的认识空有理论知识有些东西很可能与实际脱节.总体来说我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来从中暴露出自身的不足以待改进.有时候一个人的力量是有限的合众人智慧我相信我们的作品会更完美!
同时对于这一门的课程学科，让我对机械原理这门课程有了更深入了解.
对于大二所学的《机械原理》这门课程，它教会给我们的是让我们知道了各种不同类型的机构的作用和组成原理，以及今后进行设计所要考虑的方面，在我看来，有成本的高低，机构的可行性，机构的可操作性，加工的难易程度，等等的东西。
然后这次的课程设计让对所学的专业课产生了很大的兴趣.在做设计的过程中,我发现我们以后可以从事很多方面的工作，毕竟我们的生活中与他相关的东西好多好多的，各种各样的仪器，各种各样的电子组装设计和衍生到的各种材料的设计。
虽然这次设计已告一段落，但是我知道学海无涯、学无止境，这是一个结尾，同时也只是一个开始。
今后，我会以更饱满的热情投入到今后的学习生活中，做一个不断探索，勇于创新的大学生。
在整个过程中我发现了像我们这些学生最最缺少的是经验没有感性的认识空有理论知识有些东西很可能与实际脱节.总体来说我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来从中暴露出自身的不足以待改进.有时候一个人的力量是有限的合众人智慧我相信我们的作品
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