贵州大学课程设计——四工位钻床设计说明书

1、课程设计课程名称: 四工位专用机床设计学院：专业：姓名：学号：年级：任课教师：四工位专用机床设计说明书目录第一章：功能原理和设计要求3第二章：原始数据及设计要求3第三章：方案设计提示4第四章：设计任务4第五章：功能分解和运动分析5第六章：四工位加工系统运动方案的构思7第七章：执行部分总体部局10第八章：对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算10第九章：课程设计的感想19参考文献20一、功能要求及工艺动作提示（1）总共能要求：实现对工件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔。（2）工作原理及工艺动作分解提示：四工位专用机床的工作台有、四个工作位置(图1)，工位是装卸工件，是钻孔，是扩孔，是铰孔。主轴箱上装有三把

2、刀具，对应于工位的位置装钻头，的位置装扩孔钻，的位置装铰刀。刀具由专用电机带动绕其自身的轴线转动。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、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，对其中每一个工件来说，它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。由于主轴箱往复一次，在四个工位上同时进行工作，所以每次就有一个工件完成上述全部工序。因此，四工位专用机床的执行动作有两个：一是回转台的间歇转动，二是主轴箱的刀具转动和移动。2、 原始数据及设计要求(1) 刀具顶端离开工件表面

3、65mm(图1)，快速移动送进60mm接近工件后，匀速送进60 mm(前5mm为刀具接近工件时的切入量，工件孔深45mm，后10mm为刀具切出量)，然后快速返回。回程和工作行程的平均速比(行程速度变化系数)K2。图1 专用机床外形及尺寸 (2) 执行机构系统应装入机体内，机床外形尺寸见图1。三、方案设计提示（1） 回转台的间歇转动和主轴箱的刀具往复移动，两套机构均由一个电机带动，故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。（2） 工作台回转以后是否有可靠的定位功能，主轴箱往复运动的行程在120mm以上，所选机构是否能在给定空间内完成该运动要求。（3） 机构的

4、运动和动力性能、精度在满足要求的前提下，传动链尽可能短，且制造、安装简便。四、设计任务1)根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。 2)按工艺动作过程拟定运动循环图。 3)构思系统运动方案(至少3个以上)，进行方案评价，选出较优方案。 4)对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计。 5)用相关软件或程序对连杆机构进行运动学分析，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。6)在3号图纸上画出绘制系统机械运动方案简图。7）完成设计说明书的编写。五、功能分解和运动分析通过对设计任务的了解，可以看出，四工位专用机床的加工部分可以分为如下几个工艺动作：1)安装工作台的间歇转动。2)安装刀具的主轴箱应按要

5、求进行静止、快进、进给、快退的工艺动作。3)刀具转动。画出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。 图1 四工位加工机床动作要求图同时也可得到四工位专用机床的树状功能图如图2所示：四工位专用机床工作台间歇转动主轴箱进、退刀动作刀具转动静止快进进给快退图2 四工位专用机床树状功能图四工位加工机床工作台间歇转动主轴箱进、退刀动作(快进、匀速进给、快退)刀具转动 表1 四工位加工机床功能图 该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。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工作前完成卡盘旋转动作。几个动作必须协调一致，并按

6、照一定规律运动。传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速1140r/min。通过合适的减速机构以及轮系机构，使工作台进行每次旋转90°的间歇运动。匀速进给的行程是60mm，匀速的速度为2.5mm/s，所以匀速的时间为24s因为K=2，所以根据，从而求解=60。设快速进给的时间是x，快速退回的时间是yX+y=452424+x=2y从而求解出x=6，y=151） 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0°转至90°。3） 间歇机构从 90&

7、#176;转至 180° ，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180° 转至 270° ，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 270° 转至 360° ，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。时间/秒0到1212到2424到3636到48间歇机构运动情况匀速旋转90度（0到6秒）静止（6到45秒）主轴箱运动情况快进6秒匀速送进60mm（6到30秒）快退（15秒）表2 四工位加工机床执行机构的运动循环图二六、四工位加工系统运动方案的构思1方案的设计

8、图1 运动循环图图2 加工机床方案之一图3 加工机床方案之二图4加工机床方案之三回转工作台作单向间歇运动，每次转过90º；主轴箱往复移动各120mm，在工作行程中有快进和慢进两段，回程为快退(急回行程)。实现工作台单向间歇运动的机构有棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮机构等，此外，还可采用某些组合机构；实现主轴箱往复急回运动的机构有连杆机构和凸轮机构等，两套机构均由一个电机带动，故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。图2、3、4所示为其中的三个方案。图2、3中，工作台回转机构为槽轮机构，图4中为不完全齿轮机构其余方案可由设计者自己构思。选择方案时，

9、特别要注意以下几个方面：(1) 工作台回转以后是否有可靠的定位功能，主轴箱往复运动的行程在120mm以上，所选机构是否能在给定空间内完成该运动要求。(2) 机构的运动和动力性能、精度在满足要求的前提下，传动链是否尽可能短，且制造、安装简便。(3) 加工对象的尺寸变更后，是否有可能方便地进行调整或改装。 四工位专用机床的运动机构组要由三部分组成：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。由前面计算的排列组合的原理可得，共有N=25x25=625种运动方案选择。2、方案比较、减速机构涡轮蜗杆减速器方案分析：此方案采用最普通的右旋阿

10、基米德蜗杆。采用蜗杆传动的主要原因有：、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大的传动比。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。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

11、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，实现了大的传动比。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。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，实现了较大的传动比。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盘形凸轮实现刀架规律性移动：该方案采用盘形凸轮机构

12、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。 、回转工作台回转机构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。不完全齿轮机构：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

13、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。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)制造难易度；5)成本高低；6)是否满足环境、动力生产、动力源等限制条件；根据以上综合评价指标，最后选择 带传动+行星传动+槽轮机构+圆柱凸轮机构。七、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

14、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80件小时，刀架一个来回（生产个工件）的时间应该是45s。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1140/。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

15、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。八、对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算机构的运动尺寸计算包括机器的整体的轮廓尺寸、各机构的空间相对位置和各零部件的尺寸大小。对于四工位专用机床，本文将从整体轮廓、电机选型

16、、减速器配置、间歇机构、移动控制机构等几个方面对其运动尺寸进行计算和拟定。考虑到尺寸计算的难易程度和机构的加工精度高低，下面将以方案为对象，重点对其各组成机构进行运动尺寸的计算。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。2.减速器的传动计算选定电动机的的转速为1140r/min，生产产品为45s一个，所以要求凸轮的转速为1.33r/min，而电动机的转速为1140r/min，所以需要减速器，整个传动机构的传动比为1140/1.333

17、=855,，故对于减速器的功能要求为其传动比为855，根据机械原理第五章轮系传动的知识，对顶轴传动机构进行详细设计。其中，各轮齿数拟定为为：Z1=12，Z2=46，Z3=12，Z4=72，Z5=17，Z6=51，Z7=12，Z8=72考虑到其所占空间模数可取=3，采用正常齿制。该机构的传动比：之后电机出来的时候用了一个带传动，带传动的传动比为2.从而正好满足设计要求，传动比为855.上述计算表明，所选齿轮的齿数是符合传动比要求的，并且传动机构的外形小巧、结构紧凑，有着非常精确的传递性能和较高的实用性能及较为简单的工艺加工性能，符合机械传动的方案设计要求。另外，关于带传动和齿轮啮合，书上给出了详

18、细的计算公式，这里不再一一赘述。3.槽轮的尺寸计算槽轮机构的优点是结构简单，制造容易，工作可靠，能准确控制转角，机械效率高。缺点主要是其在启动和停止时加速度变化大、有冲击，不适合用于高速传动。结合槽轮自身的特点和本课题的设计需求，对其尺寸进行详细设计和拟定。1）槽数 按工位要求选定为42）中心距 按结构情况确定3）圆销半径 按结构情况确定4）槽轮每次转位时主动件的转角5）槽间角 6）主动件到圆销中心半径 7）与的比值 8）槽轮外圆半径9）槽轮槽深 取10） 运动系数 ( )根据计算出来的数据，我们设计的槽轮如下图4. 盘形凸轮的计算其中加速过程用的是等加速等减速运动，虽然有柔性冲击，不过，计算

19、简单，所以我使用的是这种方式，匀速运动就是通过等速运动来求解，快退使用的是摆线运动规律，这种方式没有任何冲击。接下来是我的计算过程。用等加速等减速运动来进行加速设计,，,，当S=60mm,=48,=0.140rad/s,V=2.5mm/s时，从而解出，h=60.979。每隔3为界限，当<=24时，用，当24<<=48，用，36912151821242730333639424548接下来是等速运动根据，其中h1=60.446mm，=240，=48，h=60mm525660646872768084889296100104108112116120124128132136140144

20、148152156160164168172176180184188192196200204208212216220224228232236240正弦加速度减速运动，=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

21、23.460 17.836 32833233634034434835213.006 9.006 5.836 3.460 1.807 0.774 0.232 3563600.029 根据这120个点，绘制出来凸轮360度也就是一周内，推杆的位移图像： 凸轮的外形尺寸如图所示 我还对工作台进行了运动分析，从而判断出设计出来的凸轮是否正确。这个时位移时间图像这个是时间速度图像这个是位移加速度图像从这三个图像中，可以看出来，这个凸轮基本满足设计要求，可以使用。最后完成的装配图九、课程设计的感想两个星期的机械原理课程设计即将告结束，回首这几天，有坎坷、有欢欣，其中的酸辣甜苦、其中滋味只有自己才能体会。不得不说，这几天是我在大学期间很勤奋的几天，也是充实的几天，当然也是有些累的几天。早上8点开始做设计，呆在宿舍里，坐在板凳上，对