第2章-机械系统的方案设计与总体设计习题课

机械系统方案设计习题课题1：C1325自动车床刀架机械传动系统的方案分析过程。1、功能分析功能要求：自动换刀，并能沿工件轴向完成进给运动。进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613获得系统的各个分功能进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613功能要求：自动换刀，轴向进给功能分解：

★转位——转塔刀架每次转过60˚；★让刀——转位前刀架先右退，以免刀具与工件干涉；★定位——通过定位销实现刀架的定位；★进、退刀——不转时，精确实现预定的进退刀运动。进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构116132、刀架机械传动系统的工作过程退刀：压簧12推杆13回程齿轮6齿条7活动支架8向右完成退刀在一组工件加工完毕后进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3过宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613让刀：过宽齿轮2圆锥齿轮3圆柱凸轮机构4拔出销10同时，曲柄5旋转支架8快速向右运动实现让刀退刀的同时，齿轮1的离合器结合并开始转动。进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613转位：让刀快结束时，槽轮开始转位曲柄5的后半圈支架8向左移动完成复位定位：转位结束时，凸轮机构4的推杆摆动插入定位销10之后进入下一个循环进刀凸轮机构刀具主轴转塔刀架9工件齿条714压簧12圆柱凸轮机构4曲柄5圆锥齿轮传动3宽齿轮2齿轮1活动支架8定位销10六槽轮机构11613进给：推杆13推程齿轮6齿条7活动支架8向左完成进给刀架机械传动系统的工作循环图：圆柱凸轮转角定位销转塔活动支架定位拔出静止转位后退复位090˚180˚270˚360˚组合方式主要以串联方式为主，但在I、II处采用了特殊的并联方式。进刀凸轮机构齿轮齿条机构曲柄滑块机构活动支架进退圆柱凸轮机构槽轮机构连杆机构圆柱齿轮机构圆锥齿轮机构转塔刀架转位定位销进退III3、刀架机械传动系统各机构的组合方式及特点

1）进刀凸轮机构控制整个工件的加工过程，不同的工件需要换不同的凸轮。2）后续串联的齿轮齿条是为了转换运动形式并放大。3）后续再串接一个曲柄滑快机构，以增大让刀距离。组合方式：机构功用分析：进刀凸轮机构齿轮齿条机构曲柄滑块机构活动支架进退圆柱凸轮机构槽轮机构连杆机构圆柱齿轮机构圆锥齿轮机构转塔刀架转位定位销进退III另外一条传动路线中4)圆柱齿轮后串接圆锥齿轮机构使为了改变运动方向。5)圆锥齿轮机构后并接槽轮机构使为了实现转位。6)并接圆柱凸轮机构再串接连杆机构是为了实现定位的时序要求。7)并接曲柄滑块机构使为了实现让位。该机床应完成3个运动—刀具的旋转运动A1（实现工件的切削）、工作台的间歇转动A2及主轴箱往复直线运动A3（完成进刀和退刀运动）。题2：设计一四工位专用机床的技术方案，通过该技术方案来一次完成：钻孔—扩孔—铰孔3道工序。装拆工件(Ⅰ)—钻孔(Ⅱ)—扩孔(Ⅲ)—铰孔(Ⅳ)工作过程中有四个工位：分析：图1

工件45φ50H61.6在工作台间歇转动的运动中，工作台每次转动90°，转一圈，完成一个工作循环。A3工作台主轴箱图2机构功能示意图A1A2钻孔—扩孔—铰孔装拆工件(Ⅰ)—钻孔(Ⅱ)—扩孔(Ⅲ)—铰孔(Ⅳ)解：该四工位专用机床设计任务明确，工艺原理清楚，类似机床的技术过程成熟，所以，方案设计的前3步（设计任务的抽象化，确定工艺原理，确定技术过程）可以省略。1．对主轴箱移动(A3)的要求一、设计要求和主要参数由零件的加工工艺，可得到如下一些设计要求数据：根据设计任务中对机床工位所提出的要求：装拆工件(Ⅰ)—钻孔(Ⅱ)—扩孔(Ⅲ)—铰孔(Ⅳ)，作出主轴箱的移动示意图，如图3所示。图3主轴箱移动示意图工件初始位置快速送进慢进切削快速返回刀具由图3可以看出主轴箱移动经过了4个阶段：（1）初始位置；（2）快速进刀；（3）慢进切削；（4）快速退回。刀具离工作表面距离S=65mm；图3主轴箱移动示意图工件初始位置快速送进慢进切削快速返回刀具（1）初始位置：图3主轴箱移动示意图工件S=65初始位置刀具S1=60mm，t1=6s，V1=10mm/s；（2）快速进刀：图3主轴箱移动示意图工件S=65初始位置刀具快速送进图3主轴箱移动示意图工件S=65初始位置刀具S1=60，t1=6sS1=60，t1=6s快速送进图3主轴箱移动示意图工件S=65初始位置刀具（3）慢进切削：10慢进切削图3主轴箱移动示意图工件S1=60，t1=6sS=65初始位置快速送进刀具S2=60，t2=30s45

S2=60mm，t2=30s，V2=2mm/s；(包括切前5mm，切削45mm，伸出工件10mm)；S3=120mm，t3=12s，V3=10mm/s。（4）快速退回：10慢进切削图3主轴箱移动示意图工件S1=60，t1=6sS=65初始位置快速送进刀具S2=60，t2=30s45S3=120mm，t3=12s快速返回图3主轴箱移动示意图S2=60，t2=30s慢进切削工件S1=60，t1=6sS=654510初始位置快速送进刀具

5．原动机为笼型三相异步电动机，要求原动机、传动系统、执行系统中的执行机构装在机体之内；执行构件：刀其和工件卡具以及工件伸在外面。2．对刀具切削运动的要求由工件的材质以及加工工艺要求，可得刀具切削运动的主要参数：刀具转动速度（ndo）n1(r/min)；刀具切削时的移动速度Vdo=2mm/s=V2。3．工件装卸时间不少于10s，即tc≥10s。4．生产效率：理论生产率Gth=75件／h(由生产率要求决定)四工位专用机床图4四工位专用机床树状功能图刀具旋转运动A1（n1）工作台间歇转动A2φ2=90゜，n主轴箱进退刀运动A3（S，V）静止快进慢进快退对四工位专用机床的总功能进行分解，可以得到相应的树状功能图。二、四工位专用机床树状功能图该机器属于有多个执行构件的周期循环工作的机械系统，应对它的运动循环情况加以研究。三、机械运动循环情况1．完成一个工作循环的时间（1）工作台静止时间t4：2．工作台回转情况满足装卸工件的要求。（2）工作台转动时间t5：工作台静止时间包括切削时间t2和快退时刀具在工件内的时间t3/2。（2）工作台转动时间：工作台转动时间包括刀具快进60mm和快退60mm的时间。（3）工作台转动速度：由上面数据可作出四工位专用机床运动循环表。S3=120mm，t3=12s快速返回图3主轴箱移动示意图S2=60，t2=30s慢进切削工件S1=60，t1=6sS=654510初始位置快速送进刀具S3=120mm，t3=12s快速返回图3主轴箱移动示意图S2=60，t2=30s慢进切削工件S1=60，t1=6sS=654510初始位置快速送进刀具表1四工位专用机床的运动循环表静止t=t2+t3/2=36s转动t3/2=6s转动t1=6s工作台刀具在工件外S=15+60=75mmt=75/10=7.5s刀具在工件内S=45×2+10×2=110mmt=45/2+45/10=27s刀具在工件外S=60+5=65mmt=t1+5/2=8.5s向后运动空回行程

S0=S3=120mm

t0=t3=12s向前运动工作行程SW=S1+S2=60+60=120mm

tw=t1+t2=6+30=36s主轴箱运动情况执行构件行程s（mm）时间t（s）68.5364248065120175240表中数据显示了主轴箱和工作台的运动情况，各行程的起止时间和持续过程以及相互协调情况，为了防止刀具在工件内时，工作台转动，留出了△t1=2.5s和△t2=6.5s的缓冲时间。△t1△t2缩小放大变换阻隔传导分离贮存合并EAEAEAEAEAEA1A2E1AE2E、A的类型不同(E>A)(E<A)(E≠A)(E≠A)EA(E=A)功能转换图中所采用的功能元符号四、机构选型与方案评定由四工位专用机床的树状功能图可以作出四工位专用机床运动的功能转化图，在功能转化图中，常用物理功能元的符号如下：用物理功能元符号可得四工位专用机床功能转化图：电动机1减速分动刀具转动a）刀具运动功能转换图图5四工位专用机床运动功能转换图电动机2减速A减速B分动变连转动为间转工作台间歇转动变转动为移动主轴箱往复移动b）工作台和主轴箱运动功能转换图

(1)机床采用独立驱动的方式，利用2台电动机驱动整个系统的运动：电动机1驱动刀具旋转运动，电动机2驱动工作台间歇转动和主轴箱往复移动。由功能转换图可看出：采用独立驱动的原因：独立驱动可简化运动链，减少传动件数目，减轻机床重量；传动装置的布局、安装、调整、维修方便。

(3)工作台间隙转动和主轴箱移动的传动系统有5个分功能：减速A、减速B、分动、变连续转动为间歇转动和变连续转动为往复直线运动。(2)刀具转动的传动系统有2个分功能：减速和分动；系统中回转工作台转速n=1.25r/min，主轴箱移动速度v=2～10mm/s，电动机的转速nd2=1000r/min左右(6级电动机)，速比采用一级减速无法实现，所以，采用二级减速的方式。其中一级采用带传动，传动平稳，有过载保护作用。

E（变转动为往复直线移动）D（变连续转动为间歇转动）C（分动）B（减速B）A(减速A)54321功能载体分功能对于所找出5个主要的分功能，通过寻找合适的功能载体，就可以作出工作台和主轴箱传动系统的形态学矩阵。表2四工位专用机床的形态学矩阵带滑块的六杆机构曲柄滑块机构摆动推杆盘形凸轮与摆动滑块机构移动推杆盘形凸轮机构移动推杆圆柱凸轮机构槽轮机构不完全齿轮机构曲柄摇杆棘轮机构弧面凸轮机构圆柱凸轮机构齿轮传动行星齿轮传动齿轮传动蜗杆传动链传动带传动摆线针轮传动齿轮传动蜗杆传动链传动带传动方案1：A5+B1+C1+D5+E1在建立系统形态学矩阵的过程中，对于运动功能转换的功能载体，可以查阅运动功能转换解法库，通过许多种手册都可以查到。由形态学矩阵可得到的设计方案数为：N=5×5×1×5×5=625在这些方案中剔除明显不合理的方案，再根据能否满足功能要求，运动链中机构安排是否合理，制造难易程度，经济性、可靠性等因素，进行综合评价，选出下面两个较优的方案。带传动—行星齿轮传动—齿轮分动箱—不完全齿轮机构—摆动推杆盘形凸轮与摆动滑块机构。五．较优的方案摆线针轮—带传动—齿轮分轴箱—槽轮—移动推杆圆柱凸轮。方案2：A1+B5+C1+D4+E3E（变转动为往复直线移动）D（变连续转动为间歇转动）C（分动）B（减速B）A(减速A)54321功能载体分功能表2四工位专用机床的形态学矩阵带滑块的六杆机构曲柄滑块机构摆动推杆盘形凸轮与摆动滑块机构移动推杆盘形凸轮机构移动推杆圆柱凸轮机构槽轮机构不完全齿轮机构曲柄摇杆棘轮机构弧面凸轮机构圆柱凸轮机构齿轮传动行星齿轮传动齿轮传动蜗杆传动链传动带传动摆线针轮传动齿轮传动蜗杆传动链传动带传动摆线针轮传动齿轮传动带传动移动推杆圆柱凸轮机构槽轮机构根据上述的运动方案结论，选择合适的比例尺可以画出机构运动简图作为方案示意图。六．方案示意图方案1移动推杆圆柱凸轮机构摆线针轮减速器槽轮机构电动机2电动机1作业：画出机构方案2的运动简图。b、钻头旋转，工作台带动工件进给；题3：多头专用钻床机械传动系统设计。设计任务：设计一台自动钻床，用来同时加工图示零件上的三个孔，并能自动送料。30203-φ820205020101、确定工作原理钻削工艺：钻头一边旋转，同时相对于工件作移动。a、钻头旋转，同时轴向进给，工作台静止；三种运动方案：c、工作台旋转，钻头作轴向进给；一般的钻床多采用第一种方案，但本例是三轴专用钻床，因工件小，工作台轻，移动工作台比移动三轴容易。故采用第二种方案。如车床上钻孔送料机构可以采用从料仓推送工件的方式。工作台送料杆料仓三个执行构件：钻头、工作台、送料杆2、执行构件的运动设计1）送料杆往右推出零件，并顶出加工好的零件；2）夹具将工件定位，并夹紧；3）送料杆返回，工作台带动工件快速上移接近钻头；4）工作台慢速工进；5）钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个循环。工艺过程：钻头的转速：

nc=1000v/(πd)式中：d—钻头直径，d=8mm

v—切削速度，查手册，选用45钢，可选v=12.5m/min；

1)工作台带动工件快速上移接近钻头；

2)工作台改用工作进给速度先钻凸台上的孔，待钻到一定深度时，三个钻头才同时钻进，因工作阻力增加，所以进给速度应减小；

3)钻孔结束后，工作台快速退回，完成一个循环。工作台为往复运动，钻孔工艺要求：代入得：nc≈500r/min30203-φ82020502010设工作台完成一个工作循环所需的时间为T1T1=t1+t2+t3+t4+t5式中：t1=(10+3)/(s1nc)=0.13min=7.8s设单孔钻削每转进给量为

s1=0.2mm/r,单孔钻削深度为10mm，并考虑3mm的提前工作量：

t2—三孔同时钻削时间，设进给量为

s2=0.16mm/r，单孔钻削深度为10mm，并考虑3mm的越程量：

t3—快速接近时间，取t3=1.5s；t4—快速退回时间，取t4=2.5s；t5—工作台停歇等待更换工件时间，取t5=3s。t2=(10+3)/(s2nc)=0.163min=9.8st1—单孔钻削时间；工作台一个工作循环总时间：

T1=t1+t2+t3+t4+t5=24.6s工作台每分钟工作循环数：

n1=60/T1=2.44r/min=nf送料杆的运动为往复直动，循环时间与工作台相同：

Ts=24.6s工作台的行程：Hf=h0+h1+h2h0

—工作台快速趋近钻头的运动距离，取h0=15mm；h1

—单孔钻削深度，取h1=13mm；h2

—三孔同时钻削深度，取h2=13mm。=41mm送料杆的行程取工件的两倍：Hs=100mm送料杆的运动与工作台的运动必须协调，而钻头的旋转与送料杆和工作台之间的运动是独立的凸轮转角090˚180˚270˚360˚送料杆送料静止送料工作台停止单孔钻三孔钻快退快进工作循环图：3、原动机的选择类型—交流异步感应电动机由机床的工作要求确定转数—额定转数:nn=1440r/min4、计算运动链的总传动比切削运动链的总传动比：

ic=nn/nc=1440/500=2.88进给运动链的总传动比：

if=is=nn/nf=1440/2.44=563为了减少原动机的数量，三个钻头共用一个原动机。5、机构选型（1）切削运动链的设计

★钻头作连续回转运动，运动链