专用自动机床课程设计说明书

机械原理课程设计 说 明书 - 1 - 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（ 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。 机械原理课程设计 说 明书 - 2 - 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： 钻头头进匀速60快钻0240进钻头快退工作台转动307.4位销插入定定位销拔出工作台静止凸轮钻 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。几个动作必须协调一致，并按照一定规律运动。 机构 运动循环图 机床工作运动模型 机械原理课程设计 说 明书 - 3 - 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机械原理课程设计 说 明书 - 4 - 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。 机械原理课程设计 说 明书 - 5 - 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： 采用如图采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比： m in/1rm in/1 4 40 rn 主轴电机n m in/1rm in/1 4 40 rn 主轴电机n 外啮合行星轮系减速机构 涡轮蜗杆减速机构 12345678机械原理课程设计 说 明书 - 6 - 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： m in/1rm in/1 4 40 rn 主轴电机n 定轴轮 系减速机构 机械原理课程设计 说 明书 - 7 - 主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： 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： 1440183613612056341216 iiii方案二：外啮合行星齿轮减速器 ： 结构图如下： 涡轮蜗杆减速机构 机械原理课程设计 说 明书 - 8 - 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=-36/10 iH6=1/i6H 182017211113564636 zzzzii HH所以 336017211820182011636 HH ii又 i78=-z8/z7=-40/12 所以 14401240336010367861218 iiiiH方案三：定轴轮系减速器 外啮合行星轮系减速机构 机械原理课程设计 说 明书 - 9 - 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=109753111108642 zzzzzz zzzzzz =1440 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。 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 机械原理课程设计 说 明书 - 10 - 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 60 240 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： 6 0 2 4 0 3 6 0 601 2 00 圆柱凸轮转角位 移 ( m m )3 0 7 . 4 65三、 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，必须刀架 运动规律图 进刀圆 柱凸轮廓线 机械原理课程设计 说 明书 - 11 - 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： 3604.3076036011 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 机械原理课程设计 说 明书 - 12 - 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。 不完全齿轮 机构 棘轮 机构 机械原理课程设计 说 明书 - 13 - 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 307.4 397.4 定位圆柱凸轮转角位 移 ( m m )020辅助凸轮廓线 圆柱凸轮定位销 机构 机械原理课程设计 说 明书 - 14 - 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 ：采用圆柱凸轮机构实现 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： 机械原理课程设计 说 明书 - 15 - 、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： m in/1rm in/1 4 40 rn 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： m in/1rm in/1 4 40 rn 主轴电机n 的大传动比。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，传动效机械原理课程设计 说 明书 - 16 - 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： m in/1rm in/1 4 40 rn 主轴电机n 的大传动比。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。 、 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，是因为该机构只要适当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，而且机构简单紧凑，但其不足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： 使用盘行凸轮机构首先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。 、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，而机械原理课程设计 说 明书 - 17 - 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。 、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，是因为该机构只要 适当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，而且机构简单 紧凑。 本方案中主要存在的不足在于凸轮廓线与推杆之间为点 ，线接触，易磨损。 机械原理课程设计 说 明书 - 18 - 最终设计方案和机构简介 一、 方案选择： 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 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。 5、定位主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，是因为该机构只要适当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，而且机构简单紧凑，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 机械原理课程设计 说 明书 - 19 - 12345 67 8 9101112AA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。 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 机械原理课程设计 说 明书 - 20 - 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， 2001 2、 王三民主编 .机械原理与设计课程设计 .机械工业出版社， 2005 3、王三民主编 .机械原理课程设计 .西北工业大学讲义， 2001