貴州大學(xué)課程設(shè)計——四工位鉆床設(shè)計說明書

1、課程設(shè)計課程名稱: 四工位專用機床設(shè)計 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 年 級： 任課教師： 四工位專用機床設(shè)計說明書目錄第一章：功能原理和設(shè)計要求3第二章：原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求3第三章：方案設(shè)計提示4第四章：設(shè)計任務(wù)4第五章：功能分解和運動分析5第六章：四工位加工系統(tǒng)運動方案的構(gòu)思7第七章：執(zhí)行部分總體部局10第八章：對傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)進行運動尺寸計算10第九章：課程設(shè)計的感想19參考文獻20一、功能要求及工藝動作提示（1）總共能要求：實現(xiàn)對工件的裝卸、鉆孔、擴孔、鉸孔。（2）工作原理及工藝動作分解提示： 四工位專用機床的工作臺有、四個工作位置(圖1)，工位是裝卸工件，是鉆孔，是擴孔

2、，是鉸孔。主軸箱上裝有三把刀具，對應(yīng)于工位的位置裝鉆頭，的位置裝擴孔鉆，的位置裝鉸刀。刀具由專用電機帶動繞其自身的軸線轉(zhuǎn)動。主軸箱每向左移動送進一次，在四個工位上分別完成相應(yīng)的裝卸工件、鉆孔、擴孔、鉸孔工作。當(dāng)主軸箱右移(退回)到刀具離開工件后，工作臺回轉(zhuǎn)90º，然后主軸箱再次左移，這時，對其中每一個工件來說，它進入了下一個工位的加工，依次循環(huán)四次，一個工件就完成裝、鉆、擴、鉸、卸等工序。由于主軸箱往復(fù)一次，在四個工位上同時進行工作，所以每次就有一個工件完成上述全部工序。因此，四工位專用機床的執(zhí)行動作有兩個：一是回轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)動，二是主軸箱的刀具轉(zhuǎn)動和移動。2、 原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求

3、(1) 刀具頂端離開工件表面65mm(圖1)，快速移動送進60mm接近工件后，勻速送進60 mm(前5mm為刀具接近工件時的切入量，工件孔深45mm，后10mm為刀具切出量)，然后快速返回。回程和工作行程的平均速比(行程速度變化系數(shù))K2。 圖1 專用機床外形及尺寸 (2) 執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)裝入機體內(nèi)，機床外形尺寸見圖1。三、方案設(shè)計提示（1） 回轉(zhuǎn)臺的間歇轉(zhuǎn)動和主軸箱的刀具往復(fù)移動，兩套機構(gòu)均由一個電機帶動，故工作臺轉(zhuǎn)位機構(gòu)和主軸箱往復(fù)運動機構(gòu)按動作時間順序分支并列，組合成一個機構(gòu)系統(tǒng)。（2） 工作臺回轉(zhuǎn)以后是否有可靠的定位功能，主軸箱往復(fù)運動的行程在120mm以上，所選機構(gòu)是否能在給定空間內(nèi)

4、完成該運動要求。（3） 機構(gòu)的運動和動力性能、精度在滿足要求的前提下，傳動鏈盡可能短，且制造、安裝簡便。四、設(shè)計任務(wù)1)根據(jù)功能要求，確定工作原理和繪制系統(tǒng)功能圖。 2)按工藝動作過程擬定運動循環(huán)圖。 3)構(gòu)思系統(tǒng)運動方案(至少3個以上)，進行方案評價，選出較優(yōu)方案。 4)對傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)進行運動尺寸設(shè)計。 5)用相關(guān)軟件或程序?qū)B桿機構(gòu)進行運動學(xué)分析，并畫出輸出機構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。6)在3號圖紙上畫出繪制系統(tǒng)機械運動方案簡圖。7）完成設(shè)計說明書的編寫。 五、功能分解和運動分析1.功能分解通過對設(shè)計任務(wù)的了解，可以看出，四工位專用機床的加工部分可以分為如下幾個工藝動作：1)安裝

5、工作臺的間歇轉(zhuǎn)動。2)安裝刀具的主軸箱應(yīng)按要求進行靜止、快進、進給、快退的工藝動作。3)刀具轉(zhuǎn)動。畫出四工位專用機床的動作要求圖。其中4位置為裝卸位置，1位置為鉆孔位置，2位置為擴孔。 圖1 四工位加工機床動作要求圖同時也可得到四工位專用機床的樹狀功能圖如圖2所示：四工位專用機床工作臺間歇轉(zhuǎn)動主軸箱進、退刀動作刀具轉(zhuǎn)動靜止快進進給快退圖2 四工位專用機床樹狀功能圖 四工位加工機床工作臺間歇轉(zhuǎn)動主軸箱進、退刀動作(快進、勻速進給、快退)刀具轉(zhuǎn)動 表1 四工位加工機床功能圖 該機床要求三個動作的協(xié)調(diào)運行，即刀架進給、卡盤旋轉(zhuǎn)和卡盤的定位。要確保在刀具與工件接觸時卡盤固定不動，刀具退出工件到下次工作

6、前完成卡盤旋轉(zhuǎn)動作。幾個動作必須協(xié)調(diào)一致，并按照一定規(guī)律運動。2.運動分析傳動系統(tǒng)電機為交流異步電動機，功率1.5Kw，轉(zhuǎn)速1140r/min。通過合適的減速機構(gòu)以及輪系機構(gòu)，使工作臺進行每次旋轉(zhuǎn)90°的間歇運動。勻速進給的行程是60mm，勻速的速度為2.5mm/s，所以勻速的時間為24s因為K=2，所以根據(jù)，從而求解=60。設(shè)快速進給的時間是x，快速退回的時間是yX+y=452424+x=2y從而求解出x=6，y=151） 電動機作為驅(qū)動，通過減速器與其他輪系傳動將符合要求的轉(zhuǎn)速傳遞給工作回轉(zhuǎn)臺上的間歇機構(gòu)，使其間歇轉(zhuǎn)動。2） 在間歇機構(gòu)開始一次循環(huán)時，安裝并夾緊工件，間歇機構(gòu)從0

7、°轉(zhuǎn)至90°。3） 間歇機構(gòu)從 90°轉(zhuǎn)至 180° ，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速送進和快退）。4） 間歇機構(gòu)從180° 轉(zhuǎn)至 270° ，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速送進和快退）。5） 間歇機構(gòu)從 270° 轉(zhuǎn)至 360° ，主軸箱完成一次工作循環(huán)（快進、刀具勻速和快退），并將加工好的工件取下。時間/秒0到1212到2424到3636到48間歇機構(gòu)運動情況勻速旋轉(zhuǎn)90度（0到6秒）靜止（6到45秒）主軸箱運動情況快進6秒勻速送進60mm（6到30秒）快退（15秒）表2 四工位加工機床執(zhí)行機構(gòu)

8、的運動循環(huán)圖二六、四工位加工系統(tǒng)運動方案的構(gòu)思1方案的設(shè)計 圖1 運動循環(huán)圖 圖2 加工機床方案之一 圖3 加工機床方案之二 圖4加工機床方案之三回轉(zhuǎn)工作臺作單向間歇運動，每次轉(zhuǎn)過90º；主軸箱往復(fù)移動各120mm，在工作行程中有快進和慢進兩段，回程為快退(急回行程)。實現(xiàn)工作臺單向間歇運動的機構(gòu)有棘輪、槽輪、凸輪、不完全齒輪機構(gòu)等，此外，還可采用某些組合機構(gòu)；實現(xiàn)主軸箱往復(fù)急回運動的機構(gòu)有連桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等，兩套機構(gòu)均由一個電機帶動，故工作臺轉(zhuǎn)位機構(gòu)和主軸箱往復(fù)運動機構(gòu)按動作時間順序分支并列，組合成一個機構(gòu)系統(tǒng)。圖2、3、4所示為其中的三個方案。圖2、3中，工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)為槽輪機

9、構(gòu)，圖4中為不完全齒輪機構(gòu)其余方案可由設(shè)計者自己構(gòu)思。選擇方案時，特別要注意以下幾個方面：(1) 工作臺回轉(zhuǎn)以后是否有可靠的定位功能，主軸箱往復(fù)運動的行程在120mm以上，所選機構(gòu)是否能在給定空間內(nèi)完成該運動要求。(2) 機構(gòu)的運動和動力性能、精度在滿足要求的前提下，傳動鏈?zhǔn)欠癖M可能短，且制造、安裝簡便。(3) 加工對象的尺寸變更后，是否有可能方便地進行調(diào)整或改裝。 四工位專用機床的運動機構(gòu)組要由三部分組成：驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動機構(gòu)確定的情況下，其機械運動方案類型由傳動機構(gòu)的類型和執(zhí)行機構(gòu)的類型決定。由前面計算的排列組合的原理可得，共有N=25x25=625種運動方案選擇。2、

10、方案比較 、減速機構(gòu)渦輪蝸桿減速器方案分析： 此方案采用最普通的右旋阿基米德蝸桿。采用蝸桿傳動的主要原因有：、傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲均較??；、能以單級傳動獲得較大的傳動比，故結(jié)構(gòu)比較緊湊；、機構(gòu)返行程具有自鎖性； 本方案通過較為簡單的渦輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)了大的傳動比。滿足了機構(gòu)要求的性能指標(biāo)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約空間。本方案存在的不足：由于渦輪蝸桿嚙合齒間的相對滑動速度較大，使得摩擦損耗較大，因此傳動效率較低，易出現(xiàn)發(fā)熱和溫升過高的現(xiàn)象。磨損也較嚴重。解決的辦法是可以采用耐磨的材料（如錫青銅）來制造渦輪，但成本較高。外嚙合行星齒輪減速器方案分析： 該方案采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，所選輪系為

11、外嚙合行星齒輪系，采用齒輪機構(gòu)的原因是其在各種機構(gòu)中的運用比較廣泛，且制造過程簡單，成本較低，并且具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比精確，使用壽命長，工作安全可靠等特點。方案中齒輪系為復(fù)合輪系，實現(xiàn)了大的傳動比。且具有較高的傳動效率。本方案中存在的不足是，齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)不夠緊湊，占用空間較大。定軸輪系減速器方案分析： 該方案采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，所選輪系為定軸輪系，采用該機構(gòu)的原因是運用廣泛，制造過程簡單，成本較低，并且具有功率范圍大，傳動效率高，傳動比精確，使用壽命長，工作安全可靠等特點。方案中輪系為定軸輪系，實現(xiàn)了較大的傳動比。本方案中存在的不足是，齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)不夠緊湊，占用空間較

12、大。 、刀架規(guī)律性運動機構(gòu)盤形凸輪實現(xiàn)刀架規(guī)律性移動： 該方案采用盤形凸輪機構(gòu)和連桿機構(gòu)串聯(lián)組成，采用凸輪機構(gòu)，是因為該機構(gòu)只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律，而且機構(gòu)簡單緊湊，但其不足在于凸輪廓線與推桿之間為點，線接觸，易磨損。 、回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)單銷四槽槽輪機構(gòu) 該方案采用槽輪機構(gòu)，是因為該機構(gòu)構(gòu)造簡單，外形尺寸小，其機械效率高，并能較平穩(wěn)地，間歇地進行轉(zhuǎn)位。本方案中的不足在于在槽輪機構(gòu)的傳動過程中往往存在著柔性沖擊，故常用于速度不太高的場合。此機床中屬于低速旋轉(zhuǎn)，因此槽輪機構(gòu)能夠滿足要求。不完全齒輪機構(gòu)： 方案采用不完全齒輪嚙合實現(xiàn)間歇運動，此機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡

13、單，加工安裝容易實現(xiàn)，由于其中含標(biāo)準(zhǔn)件，有很好的互換性，有精確的傳動比，所以在工作過程中精度較高。此機構(gòu)的不足是由于在進入嚙合時有沖擊，會產(chǎn)生噪聲，齒輪在磨損過程中會對精度有一定影響。但是對于低速旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，此機構(gòu)能夠滿足使用要求。從這些方案中剔除明顯不合理的，再進行綜合評價。綜合評價的指標(biāo)為：1)是否滿足預(yù)定的運動要求；2)運動鏈機構(gòu)的順序安排是否合理；3)運動精確度；4)制造難易度；5)成本高低；6)是否滿足環(huán)境、動力生產(chǎn)、動力源等限制條件；根據(jù)以上綜合評價指標(biāo)，最后選擇 帶傳動+行星傳動+槽輪機構(gòu)+圓柱凸輪機構(gòu)。七、執(zhí)行部分總體部局： 執(zhí)行機構(gòu)主要有旋轉(zhuǎn)工件卡盤和帶鉆頭的移動刀架兩部分，兩

14、個運動在工作過程中要保持相當(dāng)精度的協(xié)調(diào)。因此，在執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計過程中分為，進刀機構(gòu)設(shè)計、卡盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和減速機構(gòu)設(shè)計。而進刀機構(gòu)設(shè)計歸結(jié)到底主要是圓柱凸輪廓線的設(shè)計，卡盤的設(shè)計主要是間歇機構(gòu)的選擇。 在執(zhí)行過程中由于要滿足相應(yīng)的運動速度，因此首先應(yīng)該對于原動機的輸出進行減速。下面先討論減速機構(gòu)傳動比的確定：由于從刀具頂端離開工件表面65mm位置，快速移動送進了60mm后，在勻速送進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80件小時，刀架一個來回（生產(chǎn)個工件）的時間應(yīng)該是45s。根據(jù)這個運動規(guī)律，可以計算出電機和工作凸輪之間的傳動比為1140/1

15、.33。兩種方案的傳動比計算，參考主要零部件設(shè)計計算。 下面討論執(zhí)行機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)問題：有運動循環(huán)圖可知，裝上工件之后，進刀機構(gòu)完成快進、加工、退刀工作，退后卡盤必須旋轉(zhuǎn)到下一個工作位置，且在加工和退刀的前半個過程中卡盤必須固定不動，由于卡盤的工作位置為四個，還要滿足間歇和固定兩個工作，于是選擇單銷四槽輪機構(gòu)（或棘輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)與定位銷協(xié)調(diào)）解決協(xié)調(diào)問題，具體實現(xiàn)步驟參考“回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計”。由于進刀機構(gòu)的運動比較復(fù)雜，因此要滿足工作的幾個狀態(tài)，用凸輪廓線設(shè)計的辦法比較容易滿足。廓線的設(shè)計參考主要零部件設(shè)計計算。 八、對傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)進行運動尺寸計算機構(gòu)的運動尺寸計算包括機器的整體的

16、輪廓尺寸、各機構(gòu)的空間相對位置和各零部件的尺寸大小。對于四工位專用機床，本文將從整體輪廓、電機選型、減速器配置、間歇機構(gòu)、移動控制機構(gòu)等幾個方面對其運動尺寸進行計算和擬定。考慮到尺寸計算的難易程度和機構(gòu)的加工精度高低，下面將以方案為對象，重點對其各組成機構(gòu)進行運動尺寸的計算。1機器整體輪廓大小的確定根據(jù)上網(wǎng)查詢的資料和文件初步擬定四工位專用機床的外形尺寸和各機構(gòu)的大體空間相對位置如圖8所示，用以檢查并校核其內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)是否能裝入機體內(nèi)，也是作為內(nèi)部機構(gòu)尺寸計算和設(shè)計的重要參考。2.減速器的傳動計算選定電動機的的轉(zhuǎn)速為1140r/min，生產(chǎn)產(chǎn)品為45s一個，所以要求凸輪的轉(zhuǎn)速為1.33r/mi

17、n，而電動機的轉(zhuǎn)速為1140r/min，所以需要減速器，整個傳動機構(gòu)的傳動比為1140/1.333=855,，故對于減速器的功能要求為其傳動比為855，根據(jù)機械原理第五章輪系傳動的知識，對頂軸傳動機構(gòu)進行詳細設(shè)計。其中，各輪齒數(shù)擬定為為：Z1=12，Z2=46，Z3=12，Z4=72，Z5=17，Z6=51，Z7=12，Z8=72考慮到其所占空間模數(shù)可取=3，采用正常齒制。該機構(gòu)的傳動比：之后電機出來的時候用了一個帶傳動，帶傳動的傳動比為2.從而正好滿足設(shè)計要求，傳動比為855.上述計算表明，所選齒輪的齒數(shù)是符合傳動比要求的，并且傳動機構(gòu)的外形小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，有著非常精確的傳遞性能和較高的實用

18、性能及較為簡單的工藝加工性能，符合機械傳動的方案設(shè)計要求。另外，關(guān)于帶傳動和齒輪嚙合，書上給出了詳細的計算公式，這里不再一一贅述。3.槽輪的尺寸計算槽輪機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作可靠，能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)角，機械效率高。缺點主要是其在啟動和停止時加速度變化大、有沖擊，不適合用于高速傳動。結(jié)合槽輪自身的特點和本課題的設(shè)計需求，對其尺寸進行詳細設(shè)計和擬定。1）槽數(shù) 按工位要求選定為42）中心距 按結(jié)構(gòu)情況確定3）圓銷半徑 按結(jié)構(gòu)情況確定4）槽輪每次轉(zhuǎn)位時主動件的轉(zhuǎn)角 5）槽間角 6）主動件到圓銷中心半徑 7）與的比值 8）槽輪外圓半徑 9）槽輪槽深 取10） 運動系數(shù) ( )根據(jù)計算出來的數(shù)據(jù)，

19、我們設(shè)計的槽輪如下圖4. 盤形凸輪的計算 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書可知，工作臺移動是，先快速運動60mm，在勻速運動60mm，最后在快退120mm，其中勻速運動的速度為1.5mm/s其中加速過程用的是等加速等減速運動，雖然有柔性沖擊，不過，計算簡單，所以我使用的是這種方式，勻速運動就是通過等速運動來求解，快退使用的是擺線運動規(guī)律，這種方式?jīng)]有任何沖擊。接下來是我的計算過程。用等加速等減速運動來進行加速設(shè)計,，,，當(dāng)S=60mm,=48,=0.140rad/s,V=2.5mm/s時，從而解出=51.399，h=60.979。每隔3為界限，當(dāng)<=24時，用，當(dāng)24<<=48，用，36912

20、151821240.4151.6623.7396.64810.38714.95720.35826.590273033363942454833.49939.84045.35350.03253.88256.90159.08960.446接下來是等速運動根據(jù)，其中h1=60.446mm，=240，=48，h=60mm525660646872768061.69662.94664.19665.44666.69667.94669.19670.4468488929610010410811271.69672.94674.19675.44676.69677.94679.19680.446116120124128

21、13213614014481.69682.94684.19685.44686.69687.94689.19690.44614815215616016416817217691.69692.94694.19695.44696.69697.94699.196100.446180184188192196200204208101.696102.946104.196105.446106.696107.946109.196110.446212216220224228232236240111.696112.946114.196115.446116.696117.946119.196120.446正弦加速度減速

22、運動，=240，h=120mm。 244248252256260264268119.971 119.768 119.226 118.193 116.540 114.164 110.994 272276280284288292296106.994 102.164 96.540 90.193 83.226 75.768 67.971 30030430831231632032460.000 52.029 44.232 36.774 29.807 23.460 17.836 32833233634034434835213.006 9.006 5.836 3.460 1.807 0.774 0.232 3563600.029 0.000 根據(jù)這120個點，繪制出來凸輪360度也就是一周內(nèi)，推桿的位移圖像： 凸輪的外形尺寸如圖所示 我還對工作臺進行了運動分析，從而判斷出設(shè)計出來的凸輪是否正確。這個時位移時間圖像這個是時間速度圖像這個是位移加速度圖像從這三個圖像中，可以看出來，這個凸輪基本滿足設(shè)計要求，可以使用。最后完成的裝配圖九、課程設(shè)計的感想兩個星期的機械原理課程設(shè)計即將告結(jié)束，回首這幾天，有坎坷、有歡欣，其中的酸辣甜苦、其中滋味只有自己才能體會。不得不說，這幾天是我在大學(xué)