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1、機械原理課程設計 說 明書 - 1 - 設計任務書 設計任務： 1 按工藝動作過程擬定機構運動循環(huán)圖 2 進行回轉臺間歇機構，主軸箱道具移動機構的選型，并進行機械運動方案評價和選擇 3 按選定的電動機和執(zhí)行機構的運動參數進行機械傳動方案的擬定 4 對傳動機構和執(zhí)行機構進行運動尺寸設計 5 在 2 號圖紙上畫出最終方案的機構運動簡圖 6 編寫設計計算說明書 設計要求： 1 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?；爻毯凸ぷ餍谐痰乃俦认禂?K=2。 2 生產率約每
2、小時 60 件。 3 刀具勻速進給速度 2mm/s，工件裝、 卸時間不超過 10s。 4 執(zhí)行機構能裝入機體內。 機械原理課程設計 說 明書 - 2 - 機械運動方案設計 根據專用機床的工作過程和規(guī)律可得其運動循環(huán)圖如下： 鉆頭頭進勻速60快鉆0240進鉆頭快退工作臺轉動307.4位銷插入定定位銷拔出工作臺靜止凸輪鉆 397.4該專用機床要求三個動作的協(xié)調運行，即刀架進給、卡盤旋轉和卡盤的定位。其工作過程如下： 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接觸工件前完成卡盤旋轉動作。幾個動作必須協(xié)調一致，并按照一定規(guī)律運動。 機構 運動循環(huán)圖 機床工作運動模型 機械原理課程設計 說
3、 明書 - 3 - 機械總體結構設計 一、 原動機構： 原動機選擇 Y132S-4 異步電動機，電動機額定功率 P=5.5KW,滿載轉速n=1440r/min。 二、傳動機構： 傳動系統(tǒng)的總傳動比為 i=n/n6,其中 n6 為圓柱凸輪所在軸的轉速，即總傳動比為 1440/1。采用渦輪蝸桿減速機構（或外嚙合行星減速輪系）減速。 三、執(zhí)行部分總體部局： 執(zhí)行機構主要有旋轉工件卡盤和帶鉆頭的移動刀架兩部分，兩個運動在工作過程中要保持相當精度的協(xié)調。因此，在執(zhí)行機構的設計過程中分為，進刀機構設計、卡盤旋轉機構和減速機構設計。而進刀機構設計歸結到底主要是圓柱凸 輪廓線的設計，卡盤的設計主要是間歇機構的
4、選擇。 在執(zhí)行過程中由于要滿足相應的運動速度，因此首先應該對于原動機的輸出進行減速。下面先討論減速機構傳動比的確定：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。要求效率是件小時，刀架一個來回（生產個工件）的時間應該是分鐘。根據這個運動規(guī)律，可以計算出電機和工作凸輪之間的傳動比為 1440/1。兩種方案的傳動比計算，參考主要零部件設計計算。 下面討論 執(zhí)行機構的運動協(xié)調問題：有運動循環(huán)圖可知，裝上工件之后，進刀機構完成快進、加工、退刀工作，退后卡盤必須旋轉到下一個
5、工機械原理課程設計 說 明書 - 4 - 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（或棘輪機構、不完全齒輪機構與定位銷協(xié)調）解決協(xié)調問題，具體實現步驟參考“回轉工作臺設計”。由于進刀機構的運動比較復雜，因此要滿足工作的幾個狀態(tài)，用凸輪廓線設計的辦法比較容易滿足。廓線的設計參考主要零部件設計計算。 機械原理課程設計 說 明書 - 5 - 機械傳動系統(tǒng)設計 1、渦輪蝸桿減速器： 采用如圖機構，通過渦輪蝸桿加上一個定軸輪系實現了： 2、外嚙合行星齒輪減速器： 采用如圖采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，實現傳動比：
6、 m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n 外嚙合行星輪系減速機構 渦輪蝸桿減速機構 12345678機械原理課程設計 說 明書 - 6 - 3、定軸輪系減速器： 采用如圖采用漸開線直齒圓柱齒輪嚙合傳動，實現： m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n 定軸輪 系減速機構 機械原理課程設計 說 明書 - 7 - 主要零部件的設計計算 一、 減速機構設計 ： 方案一：渦輪蝸桿減速機構 結構圖如下： 1、蝸桿： m=5mm d=40mm（機械原理， p346,表 10-7） 2、渦輪： (d=mz) m=5mm z
7、2=20 d2=100mm z4=36 d4=180mm 3、齒輪：此齒輪機構的中心距 a=135mm,模數 m=5mm，采用標準直齒圓柱 齒輪傳動， z5=18,z6=36,ha*=1.0,(d=mz,d5=90mm,d6=180mm) 4、傳動比計算： 1440183613612056341216 iiii方案二：外嚙合行星齒輪減速器 ： 結構圖如下： 渦輪蝸桿減速機構 機械原理課程設計 說 明書 - 8 - 12345678圖示 z1=10, z2=36, z3=18, z4=21, z5=20, z6=17, z7=14, z8=40 傳動比計算： i18=i12iH6i78 其中 i
8、12= -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：定軸輪系減速器 外嚙合行星輪系減速機構 機械原理課程設計 說 明書 - 9 - 圖示 z1=17, z2=51, z3=12, z4=60, z5=12, z6=72, z7=13, z8=52， z9=12, z10=48， z11=48 傳 動比計算： i111=109753111108642 zzzzzz
9、zzzzzz =1440 二、圓柱凸輪 進刀 機構設計： 1、運動規(guī)律 ： 刀具運動規(guī)律：刀具快速進給 60mm，勻速進給 60mm（刀具切入量 5mm,工件孔深 45mm,刀具余量 10mm） ,快速退刀。 因為刀具勻速進給的速度為 2mm/s，由此可得勻速進給的時間為 30s， 設快速進給的時間為x，快速退刀的時間為 y，又因為其回程和工作的速比系數 K=2，所以可得下列方程： 定軸輪 系減速機構 機械原理課程設計 說 明書 - 10 - 30+x=2y (1) 30+x+y=60 (2) (1)(2)兩 個方程聯立可以得出， x=10s , y=20s 因此可以得出如下圖所示的刀架運動規(guī)
10、律圖： 快進 勻速 快退 60 240 2、凸輪廓線設計： 進刀機構的運動有凸輪的廓線來實現，進刀的方向為安裝凸輪的軸的軸線方向 ，根據運動的特性， 凸輪選擇圓柱凸輪，按照運動規(guī)律設計其廓線如下： 6 0 2 4 0 3 6 0 601 2 00 圓柱凸輪轉角位 移 ( m m )3 0 7 . 4 65三、 回轉工作臺 機構設計： 回轉工作臺的運動規(guī)律：四個工作位置，每個工作位置之間相差 90，在工作過程中，旋轉 90，停止定位 ，進刀加工，快速退刀后，旋轉 90，進行下一個循環(huán)。 在加工和退刀的前半段（即刀具與工件有接觸）時，必須刀架 運動規(guī)律圖 進刀圓 柱凸輪廓線 機械原理課程設計 說
11、明書 - 11 - 將 工作臺固定，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，1、 采用單銷四槽槽輪機構。 其結構圖如下 圖所示： 100100槽輪機構中，當圓銷沒有進入槽輪的徑向槽時，由于槽輪的內凹鎖止弧被撥盤的外凸鎖止弧卡住，故槽輪固定不動；當圓銷進入徑向槽時，鎖止弧的自鎖段被松開，槽輪在圓銷作用下旋轉 ，實現了間歇運動。因為卡盤每次旋轉 90，所以選擇四槽均布槽輪，剛好實現旋轉 90的要求。 2、采用棘輪機構， 其結構圖如下圖所示： 機構采用曲柄搖桿機構來作為主動件，有運動循壞圖中可知： 3604.3076036011 k于是得： K2.2 所以 極位夾角大于等于 67.5
12、因此滿足停留時間的于轉動時間之間的比例關系，要求棘輪每次旋轉90，因此搖桿的擺角也為 90。 單銷四槽槽輪機構 機械原理課程設計 說 明書 - 12 - 3、采用不完全齒輪機構，其結構如下圖所示： 不完全齒輪的設計也是為了滿足間歇運動，不完全齒輪上有 1/4 上有齒，因此在嚙合過程中，有齒的 1/4 帶動完全齒輪旋轉 90，之后的 270由于沒有齒嚙合，完全齒輪不轉 動， 該機 構結構簡單，在低速（ 1r/min）的轉動中可與忽略齒輪嚙合時的沖擊影響。故也能實現運動規(guī)律。 不完全齒輪 機構 棘輪 機構 機械原理課程設計 說 明書 - 13 - 四、 圓柱凸輪定位銷機構設計： 由 機構運動循環(huán)圖
13、 可以看出，定位銷一共有兩個工作位置 ，刀具在與工件接觸前必須將主軸固定住，刀具離開工件后到再次接觸前（即卡盤旋轉時）定位銷必須拔出。由于本機床中采用了槽輪機構，該機構有固定功能，定位銷的主要作用是輔助定位，起保險作用！ 其結構圖如下圖所示 307.4 397.4 定位圓柱凸輪轉角位 移 ( m m )020輔助凸輪廓線 圓柱凸輪定位銷 機構 機械原理課程設計 說 明書 - 14 - 執(zhí)行機構和傳動部件的機構設計 一、方案設計 根據該機床 包含兩個執(zhí)行機構，即主軸箱移動機構和回轉臺的回轉機構。 主軸箱移動機構的主動件是圓柱凸輪，從動件是刀架，行程中有勻速運動段（稱工作段），并具有急回特性。要滿
14、足這些要求，需要將幾個基本機構恰當地組合在一起來滿足上述要求。實現上述要求的機構組合方案可以有許多種。 1、減速機構的方案有： 、渦輪蝸桿減速機構 、外嚙合行星輪系減速機構 、定軸輪系減速機構 2、 刀架規(guī)律性運動的方案有 ： 、 圓柱凸輪 實現刀架規(guī)律性移動 ： 、 盤型凸輪 尺條實現刀架規(guī)律性移動 3、 回轉工作臺回轉機構方案： 、 單銷四槽槽輪機構 、棘輪機構 、不完全齒輪機構 4、定 位銷方案 ：采用圓柱凸輪機構實現 二、方案比較 、減速機構 1、 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： 機械原理課程設計 說 明書 - 15 - 、傳動
15、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，故結構比較緊湊； 、機構返行程具有自鎖性； 本方案通過較為簡單的渦輪蝸桿機構實現了： m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n 的大傳動比。滿足了機構要求的性能指標，而且結構緊湊，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 ，易出現發(fā)熱和溫升過高的現象。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。 2、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，所選輪系為外嚙合行星齒輪系，采用齒輪機構的原因是
16、其在各種機構中的運用比較廣泛，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。方案中齒輪系為復合輪系，實現了： m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n 的大傳動比。且具有較高的傳動效率。本方案中存在的不足是，齒輪機構結構不夠緊湊，占用空間較大。 3、 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，傳動效機械原理課程設計 說 明書 - 16 - 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
17、，實現了： m in/1rm in/1 4 40 rn 主軸電機n 的大傳動比。本方案中存在的不足是，齒輪機構結構不夠緊湊，占用空間較大。 、 刀架規(guī)律性運動機構 1、圓柱凸輪實現刀架規(guī)律性移動： 該方案采用圓柱凸輪機構和連桿機構串聯組成，采用凸輪機構，是因為該機構只要適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且機構簡單緊湊，但其不足在于凸輪廓線與推桿之間為點 ， 線 接觸，易磨損。 2、盤型凸輪 尺條實現刀架規(guī)律性移動： 使用盤行凸輪機構首先需要加圓錐齒輪等機構將軸的傳動方向轉變，然后設計凸輪的廓線。此方案中凸輪的廓線設計中，其導程是旋轉角度的函數，在計算中難求得精確
18、導程，因此凸輪廓線設計較復雜。 故不考慮此方案。 、回轉工作臺回轉機構 1、 單銷四槽槽輪機構 該方案采用槽輪機構 ，是因為該機構構造簡單，外形尺寸小，其機械效率高，并能較平穩(wěn)地，間歇地進行轉位。本方案中 的不足在于在槽輪機構的傳動過 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，因此槽輪機構能夠滿足要求。 2、棘輪機構 該方案采用棘輪機構，是因為該機構的結構簡單，制造方便，運動可靠，而機械原理課程設計 說 明書 - 17 - 且棘輪軸每次轉過的角度可以在較大的范圍內調節(jié) ，與曲柄搖桿機構配合使用使其具有急回特性 。本方案中 的不足在于棘輪機構在工作時 有較大的沖擊
19、和噪音，而且運動精度較差 ，常用于速度較低和載荷不大的場合。 此機床中屬于低速旋轉，沖擊可以忽略，對于精度要求不是太高，因此該機構能夠滿足要求。 3、不完全齒輪機構 ： 該方案采用不完全齒輪嚙合實現間歇運動，此機構結構簡單，加工安裝容易實現，由于其中含標準件，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。此機構的不足是由于在進入嚙合時有沖擊，會產生噪聲，齒輪在磨損過程中會對精度有一定影響。但是對于低速旋轉機構， 此機構能夠滿足使用要求。 、圓柱凸輪定位銷機構 該方案 采用 圓柱凸輪 機構 和連桿機構串聯組成 ， 采用凸輪機構，是因為該機構只要 適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推
20、桿得到各種預期的運動規(guī)律，而且機構簡單 緊湊。 本方案中主要存在的不足在于凸輪廓線與推桿之間為點 ，線接觸，易磨損。 機械原理課程設計 說 明書 - 18 - 最終設計方案和機構簡介 一、 方案選擇： 經過方案分析與比較， 該機構最終選擇如下方案組合： 1、 電機選擇 Y132S-4 型異步電動機 。 該電動機額定功率 P=5.5KW,滿載轉速 n=1440r/min。 扭矩和功率均能滿足工作要求。 2、 傳動、減速機構采用蝸輪蝸桿減速機構 。蝸輪蝸桿的最大優(yōu)點就是能實現大傳動比， 結構緊湊，占用空間較小，傳動平穩(wěn)，振動、沖擊和噪聲均較小，并且反行程能自鎖 。使用該機構對于機床的 支撐外型和
21、外觀造型設計有很大優(yōu) 勢。 3、 進刀方案選擇圓柱凸輪進刀 。使用圓柱凸輪的主要原因是設計方便，通過廓線的設計可以完成比較復雜的進刀動作，圓柱凸輪的廓線較盤形凸輪簡單，操作方便。 4、 卡盤轉動選擇不完全齒輪機構。該機構結構簡單，較之其他機構加工安裝容易實現，由于其中含標準件，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。 還有使用該機構最大的優(yōu)點是傳動比具有可分性，在中心距發(fā)生變化的情況下傳動比也能保持不變，保證了機床精度。 5、定位主要采用圓柱凸輪定位銷機構。 凸輪機構和連桿機構串聯組成 ，采用凸輪機構，是因為該機構只要適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動
22、規(guī)律，而且機構簡單緊湊，更便于設計。 二、方案簡介及運動分析： 根據上述選擇的方案可得如下圖所示的機構運動簡圖 機械原理課程設計 說 明書 - 19 - 12345 67 8 9101112AA工作過程：電機 12 輸出 1440r/min 的轉速，由蝸輪蝸桿減速機構將速度減為 1r/min 帶動凸輪 10 轉動，由凸輪廓線的特性帶動主軸箱完成快進、勻速、快退的運動過程 。同時定位齒輪 1 將運動傳導不完全齒輪 4 和凸輪 2，使工件 每分鐘旋轉 90（ 15 秒 旋轉， 45 秒間歇），通過 2 的廓線設計，使得 旋轉完間歇期間由定位銷定住，在旋轉的期間定位銷松開。這樣就滿足了機床的工作要求。 專用自動機床機構簡圖 1、定位齒輪 2、定位銷 專 用圓柱凸輪 3、 定位銷連桿 4、不完全齒輪 5、定位銷 6、工件 7、刀具 8、主軸箱 9、刀具專用電機 10、 進刀圓柱凸輪 11、蝸輪蝸桿減速器 12、電動機 機械原理課程設計 說 明書 - 20 - 參考資料 1、 孫桓，陳作模等主編 .機械原理 .第六版 .北京：高等教育出版社， 2001 2、 王三民主編 .機械原理與設計課程設計 .機械工業(yè)出版社， 2005 3、王三民主編 .機械原理課程設計 .西北工業(yè)大學講義， 2001
專用自動機床課程設計說明書
