四工位加工机床刀具进给系统设计

院系：机械工程学院

班级：机自

姓名

2012.09

机械原理课程设计

课题五：四工位加工机床刀具进给系 统和工作台转位系统设计

1002班 陕西理工学院 课程设计报告

摘要

四工位专用机床是在四个工位上分别完成相应的装卸工件、钻 孔、扩孔和绞孔工作的专用加工设备。

它的工艺动作主要有：

1）装有四个工位的回转台的转动；

2）装有专用电动机带动的三把刀具的主轴箱的 转动和移动。

该机床的工艺动作是刀具先以较大的速度接近工件然后以匀速的速度进行钻孔，扩孔和铰孔工作，最后快速返回。刀具退出后，回转台转动90度，完成一个工作循环。 其执行动作主要包括回转台的 间歇转动和主轴箱的左右移动，二者相互协作、共同配合完成孔的精确加工.

针对以上功能和运动要求，本文对四工位专用机床的设计方案作了详细的说明，包括功能分解、运动分析、循环图的拟定、机械运动方案的选择、整体轮廓的大小设计和各机构的尺寸计算。在运动方案的拟定上，采用形态学矩阵法，从较多方案中选出最优的方案。在减速器的设计上，运用行星轮系传动，在保证精确传动的基础上让结构更加紧凑。在凸轮的尺寸设计上，图解法对平面盘形凸轮和空间圆柱凸轮的轮廓进行了较为详细的设。并对机构做出运动分析。

最后，本文对选定的运动方案作了综合评价已达到最优设计。

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目录 一、设计任务书..........................1 二、功能原理和设计要求...........................2 1）功能原理 2）设计要求 三、功能分解和运动分析...........................2 1) 功能分解 2） 运动分析 四、拟定运动循环图...............................4 五、机构选型.....................................4 六、机械运动方案的构思与选择.....................5 七、最终设计方案和机构简介.......................9 八、尺寸计算......................................11 1) 机器整体轮廓大小的确定 2) 电动机的选型

3) 减速器的传动计算 4) 槽轮的尺寸计算 5) 直动推杆圆柱凸轮的尺寸设计 九、机械运动方案的评价.........................16十、设计感想....................................16

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一、设计任务书 1. 设计题目 四工位专用机床 2. 工作原理及工艺动作过程 ËŤλרÓûú´²ÊÇÔÚËĸö¹¤Î»ÉÏ·Ö±ðÍê³ÉÏàÓ¦µÄװж¹¤¼þ¡¢×ê¿×¡¢À©¿×¡¢½Ê ¿×¹¤×÷¡£ËüµÄÖ´Ðж¯×÷ÓÐÁ½¸ö£ºÒ»ÊÇ×°ÓÐËŤλ¹¤¼þµÄ»Øת̨ת¶¯£»¶þÊÇ×°ÓÐÓÉ ×¨Óõ綯»ú´ø¶¯µÄÈý°ÑרÓõ¶¾ßµÄÖ÷ÖáÏäµÄµ¶¾ßת¶¯ºÍÒƶ¯¡£ 3. 原始数据及设计要求 1）刀具顶端离开工作表面 65mm，快速移动送进了 60mm 后，再匀速送进 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 K =2。 2）刀具匀速进给速度为 2 mm/s，工件装、卸时间不超过 10 s。 3）生产率为每小时约 74 件 4）执行机构能装入机体内。 4. 设计方案提示 1）回转台的间歇转动，可采用槽轮机构、不完全齿轮机构，凸轮式间歇机构。 2）主轴箱的刀具移动，可采用圆柱凸轮机构、移动从动件盘形凸轮机构、 凸轮—连杆机构、平面连杆机构等。 3）由生产率可求出一个运动循环所需时间t=60/74/60=48s,刀具匀速送进60mm所需时间为30s.刀具其余移动（包括快速送进 60mm，快速返回120mm）共需 18 s。回转工作台静止时间为 36 s，因此足够工件装卸所需时间. 5. 设计任务 1）按工艺动作过程拟定运动循环图。 - 1 -

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2）进行回转台间歇转动机构，主轴箱刀具移动机构的选型，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)画出机械运动方案简图。 5)对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。 二、功能原理和设计要求 1. 工作原理 四工位专用机床是在四个工位上分别完成相应的装卸工件、钻孔、扩孔、绞 孔工作。它的执行动作有两个：一是装有四工位工件的回转台转动；二是装有由 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。 2. 设计要求 1）刀具顶端离开工作表面 65mm，快速移动送进了 60mm 后，再匀速送进 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 K =2。 2）刀具匀速进给速度为 2 mm/s，工件装、卸时间不超过 10 s。 3）生产率为每小时约 74件 . 4）执行机构能装入机体内。 三、功能分解和运动分析 1. 功能分解 通过对工作原理和设计要求的详细分析可知，半自动四工位专用机床的总功 能可以分解为如下几个工艺动作： 1）安装工件的工作台要求间歇转动。 2）安装刀具的主轴箱能实行静止、快进、进给、快退的工艺动作。 3）刀具转动来切削工件。 由此可以画出如图 1 的四工位专用机床的动作要求图。其中 4 位置为装卸位置， 1 位置为钻孔位置，2 位置为扩孔位置，3 位置为绞孔位置。

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2. 运动分析 选定电动机型号为 Y160M2-8，其转速n =720 r/min，功率 P=5.5 kW ，则四工位专用机床的一个周期内的详细运动情况为： - 3 -

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1）电动机作为驱动，通过减速器与其他轮系传动将符合要求的转速传递给工作回转台上的间歇机构，使其间歇转动。 2）在间歇机构开始一次循环时，安装并夹紧工件，间歇机构从 0o 转至 90o 3）间歇机构从9 0o转至180o ，主轴箱完成一次工作循环（快进、刀具匀速送进和快退）。 4）间歇机构从180o 转至270o，主轴箱完成一次工作循环（快进、刀具匀速送进和快退）。 5）间歇机构从2 70 o转至360o

，主轴箱完成一次工作循环（快进、刀具匀速和快退），并将加工好的工件取下。 四、根据运动分析和协调要求拟定运动循环图 对于四工位专用机床，其运动循环图主要是确定回转台的间 歇转动机构和主轴箱进、退刀的控制机构的先后动作顺序，用以协调各执行构件的动作关系，便于机器的设计、安装和调试。下面用矩形图的表示方法对其运动循环图进行拟定： 如图3： 时间s 间歇机构运动情况 主轴箱运动情况 0-12.1 匀速旋转90度 （0-12.1） 回程9.75 快进2.4 12.1-24.3 24.3-36.4 36.4-48.6 静止 （12.1-48.6） 匀速进给60mm 回程 6.4 运动循环图

五、机构选型 ¸ù¾Ý»Øת̨¼äЪת¶¯»ú¹¹¡¢Ö÷ÖáÏ䵶¾ßÒƶ¯»ú¹¹µÄÖ´Ðж¯×÷ºÍ½á¹¹Ìص㣬及电动机选型，下¸ù¾Ý¼õËÙ¶¯×÷µÄ¾«¶ÈºÍƽÎÈÐÐÒªÇó£¬可Áгö以 - 4 -

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¹¦ÄÜÔª ¼õËÙ1 ¼õËÙ2 ¹¦ÄÜÔª½â 1 ´ø´«¶¯ ´ø´«¶¯ 2 Á´´«¶¯ Á´´«¶¯ 3 Îϸ˴«¶¯ Îϸ˴«¶¯ Çú±úÒ¡¸Ë¼¬ÂÖ»ú¹¹ °Ú¶¯ÍƸËÅÌÐÎ͹ÂÖÓë°Ú¸Ë»¬¿é»ú¹¹ 4 ³ÝÂÖ´«¶¯ ³ÝÂÖ´«¶¯ ²»ÍêÈ«³ÝÂÖ»ú¹¹ Çú±ú»¬¿é»ú¹¹ 5 °ÚÏßÕëÂÖ´«¶¯ ÐÐÐÇ´«¶¯ ²ÛÂÖ»ú¹¹ Áù¸Ë»ú¹¹ ¹¤×÷̨¼äÔ²Öù͹ÂÖÎϸË͹ÂÖЪ´«¶¯ ¼äЪ»ú¹¹ ¼äЪ»ú¹¹ Ö÷ÖáÏäÒƶ¯ÍƸÒƶ¯ÍÒƶ¯ ËÔ²Öù͹ÂƸËÅÌÐÖ»ú¹¹ Î͹ÂÖ»ú¹¹

六、机械运动方案的构思与选择 四工位专用机床的运动机构主要由三部分组成：驱动机构、传动机构和执行 机构。当驱动机构确定的情况下，其机械运动方案类型由传动机构的类型和执行 机构的类型决定。由前面计算及排列组合原理可得，共有： n5625 种运动方案选择。 从这些方案中剔除明显不合理的，再进行综合评价。综合评价的指标为： 1）是否满足预定的运动要求； 2）运动链机构的顺序安排是否合理； 3）运动精确度； 4）制造难易； 5）成本高低； 6）是否满足环境、动力源、生产条件等限制条件； 根据以上综合评价指标，各小组选出以下四种方案：4 - 5 -

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方案一：移动推杆圆柱凸轮 运动方案简图 此方案电动机作为驱动系统将动轮传递给带轮通过带轮将扭距传递给齿轮系，通过齿轮系减速带动槽轮转动使工作台做间歇转动，带动圆柱凸轮转动使主轴箱做水平进给运动，两种运动配合完成工件加工。 圆柱凸轮制造成本高；行程大时，α↑运动灵活性较差； 力的作用点相对导轨产生有害力矩；锁合好。 方案二：盘形凸轮 运动方案简图 - 6 -

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把电动机作为驱动机构将动能传递给齿轮分为两路，一路传递给槽轮带动工作台做间歇运动，另一路将动能传递给连杆凸轮带动连杆驱动主轴箱的往复移动，完成主轴箱的进刀退刀工作。 优点：采用槽轮机构运用广泛，用凸轮连杆机构使机床稳定。对工件加工精度高，机床机构简单，便于操作。 缺点：凸轮直接驱动升程大，α↑；凸轮机构外露，影响外观。但易更换，易改装及变换尺寸。 方案三：摆动推杆盘形凸轮与摆动导杆机构 运动方案简图 - 7 -

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电动机作为驱动机构将功能传递给带轮，通过带分两路将扭距传递给执行机构。一路通过齿轮传递给不完全齿轮机构使工作台间歇转动，另一路通过行星轮系减速后传递给摆动推杆盘形凸轮与滑块机构使主轴箱完成进退刀的动作。 采用此机构原因是运用广泛，制造过程简单，成本较低并且具有功率范围大，传动效率高等特点；缺点是不完全齿轮机构进入啮合时有冲击，会产生噪声,其次，放大行程，力减小，长摆杆刚度差；摆杆端部水平分速度不是匀速；摆动变移动，不易设计计算。 方案四：凸轮- 推杆 - 摆杆（放大行程）-滑块 运动方案简图 - 8 -

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电动机作为驱动机构将功能传递给带轮，通过带分两路将扭距传递给执行机构。一路通过锥齿轮将扭距传递给槽轮机构，使工作台做间歇转动。另一路通过盘型凸轮将扭距传递给推杆与摆杆滑块机构。使主轴箱完成进退刀的动作。两路传动机构互相配合相互合作完成额定的加工功能和加工任务。 放大行程，摆杆将旋转换为往复摆动，并具有机会特征，急回特征增强，但空回行程速度变化剧烈，导杆刚性就不好，容易造成损坏。 七、最终设计方案的选择 一．方案比较

(1)、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： (1)、传动平稳，振动、冲击和噪声均较小； (2)、能以单机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； - 9 -

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本方案通过较为简单的涡轮蜗杆机构实现了大传动比。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在各种机构中的运用比较广泛，且制造过程简单，成本较低，而且具有功率范围大，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，实现了大传动比，且具有较高的传动效率。本方案存在的不足是，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，实现了大传动比。本方案存在的不足时，齿轮机构结构不够紧凑，占用空间较大。 (二)、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： 使用盘型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， - 10 -

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其导程是旋转角度的函数，在计算中难求得精确导程，因此凸轮廓线设计比较复杂。故不考虑此方案。 (三)、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，并能较平稳的，间歇的进行转位。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机会特性。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，会产生噪音，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。 (四)、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的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。 - 11 -

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二．最终设计方案和机构简介 一、方案选择： 1.经过方案分析与比较，该机构最终选择如下方案组合： 电动机选择为Y160M2-8.三相异步电动机，其额定功率为5.5kw，最大转矩与额定转矩之比为2.0，效率85%，功率因素0.74，转速n=720r/min. 2.传动、减速机构采用外啮合行星齿轮减速机构。外啮合行星齿轮系，采用齿轮机构的原因是在各种机构中的运用比较广泛，且制造过程简单，成本较低，而且具有功率范围大，传动效率高，传动比精确且大，使用寿命长，工作安全可靠等特点。 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型凸轮简单，操作方便。 4.卡盘转动选择四槽槽轮机构。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，并能较平稳的，间歇的进行转位。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。 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的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，而且结构简单紧凑，更便于设计。

八、尺寸计算 1．机器整体轮廓大小的确定

根据上网查询的资料和文件初步拟定四工位专用机床的外形尺寸和各机构的大体空间相对位置如图8所示，用以检查并校核其内部执行机构是否能装入机体内，也是作为内部机构尺寸计算和设计的重要参考。

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2．电机的选型

对于电机的选择，主要的参考指标有以下几点： 1）原动机的启动、过载、运转平稳性、调速和控制等方面是否满足要求； 2）工作环境的影响； 3）工作是否可靠，操作是否简易，维修是否方便； 4）额定功率是否满足负载需要； 5）工作是否可靠，操作是否简易，维修是否方便 综合考虑以上因素，并结合四工位专用机床的整体轮廓尺寸，选择型号为Y160M2-8 三相异步电动机，其额定功率为5.5kw，最大转矩与额定转矩之比为2.0，效率85%，功率因素0.74，转速n=720r/min.

3.减速器的传动计算

选定电动机的转速n=720r/min，而槽轮机构和圆柱凸轮机构的转速n1=1.232r/min故传动机构的传动比为k=n/n1=585，故对减速器的功能要求传动比为k=n/n1=585根据机械原理的轮系的传动知识，可推知各轮的齿数为

z1=21 z2=15 z3=19 z4=39 （其中取模数等于为m=2） 详细设计计算如下：

（1）根据行星轮的计算方法得（其中w1=0）

z3z1w4wHw4wHHii4H1i411w1wHwHz4z2H41又因为 Hi411/581

则

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z3z1584z4z2585

先假设 z121z439

则

z215z319转速相同故：

（2）从5-6-7-8-9齿轮起传动作用，因为槽轮机构与凸轮机构的z4z5z4z3 则

39z558

由于考虑到机构的传动功能和机构紧凑性问题选

z552

故而可得：

z839z727z636 - 14 -

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4.槽轮的尺寸计算 ²ÛÂÖ»ú¹¹µÄÓŵãÊǽṹ¼òµ¥£¬ÖÆÔìÈÝÒ×£¬¹¤×÷¿É¿¿£¬ÄÜ׼ȷ¿ØÖÆת½Ç£¬»úеЧÂʸߡ£È±µãÖ÷ÒªÊÇÆäÔÚÆô¶¯ºÍֹͣʱ¼ÓËٶȱ仯´ó¡¢Óгå»÷，不适合高速传动，½áºÏ²ÛÂÖ×ÔÉíµÄÌصãºÍ±¾¿ÎÌâµÄÉè¼Æ如图所示，对其尺寸进行详细设计和拟定： 1）槽数z 按工位要求选定为 4 z 2）中心距 a 按结构情况确定 a=246 mm 3)圆销半径r 按结构情况确定 r =15mm 4£©槽轮每次转位时主动件的转角 21800(12/z)900 5£©槽间角 23600/z900 6）主动件到圆销中心半径 R1sin1232174mm 7）R与a的 比值 R1sin22 8）槽轮外圆半径 R2(cos)2r2172.2mm 9）槽轮槽深 h(cos1)r117 mm 10）运动系数 kz22z1/4 - 15 -

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槽轮结构简图 - 16 -

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5.圆柱凸轮的尺寸计算

由于圆柱凸轮轮廓线为空间曲线，不能直接在平面上表示，但是圆柱面可以展成平面，圆柱凸轮展开后为平面移动凸轮，因此可用盘形凸轮轮廓线设计的原理来绘制圆柱凸轮轮廓线的展开图。 由运动循环图可得，一个循环用时48.6s，主轴箱快速移动60mm用时2.4s,主轴箱匀速进给用时30s，退程用时16.2s. 因此拟定圆柱凸轮直径100mm，长200mm. 将圆柱凸轮展开后绘制的轮廓线如图所示： - 17 -

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九、机械运动方案的评价

当机械运动方案已经确定、各机构尺寸设计已经完成时，需要对方案进行评价，看其是否满足动力学要求和机械制造的相关要求，找出其优点和缺点，发扬其优点、改进其缺点，以使运动方案达到最优。 本文对四工位专用机床进行了详细的运动设计，包括机器的功能和运动分析、循环图的拟定、执行机构和传动机构的选型、机械运动方案的选择、机械运动的简图绘制和机器整体轮廓的尺寸设计及各执行构件的尺寸设计，总体上很好地完成了设计任务。 方案的优点： 1.对设计课题的功能分析和运动分析较为清晰，为后续的设计奠定了良好的基础。 2.选择机械运动方案时，采用的形态学矩阵法，将对应功能的对应机构罗列下来，运用排列组合的知识计算出其方案总数，并从中择优选取运动方案。 3.精确设计了各执行构件的尺寸大小，用行星轮传动机构精确设计了减速。 方案的缺点： 1.方案的创新设计不够好，采用机构的组合设计，在设计中未构造出新机构和新机器。 2.Auto_CAD软件应用不熟练。 十、设计感想

为期两个星期的机械原理课程设计即将宣告结束，回首这几天，几分坎坷、几分欢欣，其中的酸辣甜苦、几番滋味只有自己才能体会啊！ 毫不夸张的说，这几天是我在大学期间最勤奋的几天，也是 - 18 -

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最充实的几天，当然也是最最累的几天。早上八点开始工作，呆在宿舍里，坐在板凳上，对着那十几英寸的屏幕，查资料、绘图、写说明书„„一直搞到晚上接近12点才上床睡觉。那真叫一个“累”啊！在我觉得，课程设计本来应该是一件十分痛苦的事情，可事实偏偏与此相反，每一天早早的开始工作，时间似流水一般悄无声息的从指间流过，不知不觉间一天就过去了。一路走来，汗水中夹杂着喜悦，耳畔淌过阵阵欢笑。 两个星期的课程设计让我知道了机械设计绝不是一件简单的事情，循环图的拟定、机械运动的方案设计，机构的尺寸设计和整体的结构布局等，都需要经过深思熟虑、反复思考后才能加以确定，也明白了要想做好课程设计，不仅需要严谨细致的作风，还需要认真负责的学习态度，当然，良好的团队协作精神也是少不了的。 最后，感谢伙伴们的积极配合与协作。这几天，虽然艰辛，但也有喜悦；虽然痛苦，但也有欢愉，相信这次课程设计会成为我大学生活中值得回忆的一段特殊时光。 （附：以上图片来源与AUTO-CAD制图软件及数码相机。）

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