四工位专用机床的刀具进给机构和工作台转位机构的设计
院系：机电工程学院
班级：09101班
学号：090011010
姓名：李镒蓝
2012年1月12日
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前言
四工位专用机床是在四个工作位上分别完成相应的装卸工件，钻孔，扩孔和铰孔的工作。
它的工艺动作主要是：
(1)装有四个工位的回转台转动；
(2)装有专用电动机带动的三把专用刀的主轴箱的刀具转动和移动。
该机床的工艺动作如下图所示.刀具先以较大的速度接近工件，然后以均匀的速度进行钻孔，扩孔和铰孔的工作，最后快速返回。刀具退出后.回转台旋转90度，完成一个工作循环。
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目录
设计任务书………………………………………………………………………………………4
机械运动方案设计………………………………………………………………………………5
机械总体结构设计………………………………………………………………………………6
机械传动系统设计………………………………………………………………………………7
主要零部件的设计计算…………………………………………………………………………9
执行机构和传动部件的结构设计………………………………………………………………15
最终设计方案和机构简介………………………………………………………………………20
参考资料…………………………………………………………………………………………22
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设计任务书
设计任务：
1、按工艺动作过程拟定机构运动循环图；
2、进行回转台间歇机构、主轴箱刀具移动机构的选型，并进行机械运动方案的评价和选择；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、对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计；5、在1号图纸上画出最终方案的机构运动简图；6、编写设计说明书。设计要求：
1从刀具顶端离开工件表面65mm位置，快速移动送进60mm接近工件后，再匀速送进60mm(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。回程和工作行程的速比系数K=2。
2刀具匀速进给速度2mm/s，工件装、卸时间不超过10s。3生产率为每小时约74件。4机构系统应能装入机体内。
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机械运动方案设计
根据专用机床的工作过程和规律可得其运动循环图如下：
工作行程主轴箱工作台刀具在工件外空回行程刀具在工件外转位拔销240°40s刀具在工件内转位定位销在内定位销销在外插销凸轮转角：15°时间：010s销在外360060s该专用机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。其工作过程如下：
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接触工件前要完成卡盘旋转动作，几个动作必须协调一致，并按照一定规律运动。
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机械总体结构设计
一、原动机构:
原动机选择Y132S-4异步电动机，电动机额定功率P=5.5KW，满载转速n=1440r/min。
二、传动机构：
传动系统的总传动比为i=
n，其中n6为圆柱凸轮所在轴的转速，即总传动比为n6
1440/1.25=1152。采用涡轮蜗杆减速机构（或外啮合行星减速轮系）减速。
三、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60mm后，再匀速送进60mm(前5mm为刀具切入量，45mm工件孔深，后10mm为刀具切出量），然后快速返回。要求效率是74件/小时，刀架一个来回（即生产1个工件）的时间应该是60/74即48s，则主轴的转速应该为1.25r/min，凸轮的转速为5r/min。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1440/5的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：由运动循环图可知，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。
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机械传动系统设计
1、涡轮蜗杆减速器:
采用如图所示机构，通过涡轮蜗杆加上定轴轮系机构实现：
n电机1440r/min
==1152n主轴1.25r/min
2、外啮合行星齿轮减速器
采用如图所示渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比：
n电机1440r/min
==1152n主轴1.25r/min
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3、定轴轮系减速器
采用如图所示渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比：
n电机n主轴
=
1440r/min
=1152
1.25r/min
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主要零部件的设计计算
方案一：涡轮蜗杆减速机构结构图如下：
1、蜗杆：m1=2,z1=1,d1=35.5mm（机械原理P203表10-7）
2、涡轮：m2=2,z2=36,d2=72mm；m2'=5,z2'=10,d2'=50mm,m3=5,z33、齿轮：m4=8,z4=10,d4=80mm,m5=8,z5=40,d5=320mm；
m6=10,z6=12,d6=120mm,m7=10,z7=24,d7=240mm
4、传动比计算：
i17=i3612•i2'3•i45•i67=
1×4010×4024
10×
12
=1152第9页
d3=40,=200mm；
方案二：外啮合行星齿轮减速器
结构图如下：
z1=10,z2=36,z3=16,z4=19,z5=18,z6=15,z7=12,z8=40传动比计算：i18=i12•iH6•i78其中i12=−所以iH6=
z×zz236119×15H=−，iH6=，i6H=1−i63=1−46=1−z110i6Hz5×z318×16
z8118×1628840
，又==i=−=−78H18×16−19×153z7121−i63
−36288−40
••=115210312
所以i18=i12•iH6•i78=
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方案三：定轴轮系减速器
结构图如下：
z1=12,z2=48,z3=13,z4=52,z5=12,z6=72,z7=12，z8=36,z9=12,z10=48,z11=48传动比计算：
i111=
z2×z4×z6×z8×z10×z11
=1152
z1×z3×z5×z7×z9×z10
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二、圆柱凸轮进刀机构设计：
1、运动规律：
从刀具顶端离开工件表面65mm位置，快速移动送进60mm接近工件后，再匀速送进60mm(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），由此可得匀速进给的时间为30s，设快进的时间为x，快速退刀的时间为y，又因为回程和工作行程的速比系数K=2可得下列方程。
将工作台固定，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。
T=60/74=48s…………………(1)x+30=y………………………(2)30+x+y=48……………………(3)
可以得出：快进时间x=2s，快退时间为y=16s刀架的运动规律图为：
快进匀速快退
radπ6
rad16π3
根据设计凸轮的廓线，先设定快速和匀速时的推程是廓线为一次函数：
s=hδ……………（4）δ0
在快速退刀的图轮廓线设定为余弦函数：
⎡⎛πδs=h⎢1+cos⎜⎜δ'
⎢⎝0⎣
凸轮的基圆半径公式
⎞⎤
⎟⎥/2…………（5）⎟⎠⎥⎦
r0≥
[(ds/dδ−e)/tan[α]−s]2+e2
…………基圆半径公式
其中可以算出基圆半径r0≥441mm，在实际中箱体的长度为1500mm，宽度为650mm，所以可以得出用盘形凸轮是不合理的。所以选定用圆柱凸轮，其基圆半径为r0=480mm，在圆柱凸轮中为了减少基圆半径，转了四圈，所以基圆半径r0=120mm。圆柱凸轮的展开图的廓线长度为1440度。
由推程公式（4）和回程公式（5）可以算出个圆柱凸轮的的每个对应角度：
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由算出的角度和位移，经过EXCEL可以模拟出圆柱凸轮廓线得出：
圆柱凸轮廓线的设计
采用单销四槽槽轮机构：
槽轮机的运动系数：4工位，应取四槽单销
k=
11−2z其结构图如下图所示：
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槽轮运动参数：中心距l=150mm回转半径R=lsin
π=106mmzRc=lcos
π=106mmz圆销半径rb取8mm
槽底间隙δ≈3~6mm,取5mm槽深h=l+R+Rc+rb+δ=75mm锁住弧半径r=R−rb−(3~5)=94mm
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执行机构和传动部件的结构设计
1、采用单销四槽槽轮机构。单销四槽槽轮机构
将工作台固定，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，
槽轮机构中，当圆销没有进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸锁止弧卡住，故槽轮固定不动；当圆销进入径向槽时，锁止弧的自锁段被松开，槽轮在圆销作用下旋转，实现了间歇运动。因为卡盘每次旋转90°，所以选择四槽均布槽轮，刚好实现旋转90°的要求。
2、采用棘轮机构，其结构图如下图所示：
机构采用曲柄摇杆机构来作为主动件，有运动循坏图中可知：1360+15−307.4<1+k360算得：k>2.2由θ=180
k−1
得：k=67.5°k+1
所以极位夹角大于等于67.5°
因此满足停留时间的于转动时间之间的比例关系，要求棘轮每次旋转90°，因此摇杆的摆角也为90°。
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3、采用不完全齿轮机构，其结构如下图所示:
不完全齿轮的设计也是为了满足间歇运动，不完全齿轮上有1/4上有齿，因此在啮合过程中，有齿的1/4带动完全齿轮旋转90°，之后的270°由于没有齿啮合，完全齿轮不转动，该机构结构简单，在低速（1.25r/min)的转动中可与忽略齿轮啮合时的冲击影响。故也能实现运动规律。
执行机构和传动部件的机构设计
一、方案设计
根据该机床包含两个执行机构，即主轴箱移动机构和回转台的回转机构。主轴箱移动机构的主动件是圆柱凸轮，从动件是刀架，行程中有匀速运动段（称工作段），并具有急回特性。要满足这些要求，需要将几个基本机构恰当地组合在一起来满足上述要求。实现上述要求的机构组合方案可以有许多种。
1、减速机构的方案有：(1)、涡轮蜗杆减速机构(2)、外啮合行星轮系减速机构(3)、定轴轮系减速机构2、刀架规律性运动的方案有：
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(1)、圆柱凸轮实现刀架规律性移动：(2)、盘型凸轮一尺条实现刀架规律性移动3、回转工作台回转机构方案：(1)、单销四槽槽轮机构(2)、棘轮机构(3)、不完全齿轮机构
二、方案比较
(一)、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)、能以单级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；
本方案通过较为简单的涡轮蜗杆机构实现了电机n=1440r/min,主轴n=l.25r/min的大传动比。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其在各种机构中的运用比较广泛，且制造过程简单，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。方案中齿轮系为复合轮系，实现了电机n=1440r/min,主轴n=l.25r/min的大传动比，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。
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：电机n=1440r/min,主轴n=l.25r/min的大传动比。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。（二）、刀架规律性运动机构
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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，并且制造成本高；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。
2、盘型凸轮一尺条实现刀架规律性移动：
（a）使用盘行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。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。此方案中凸轮的廓线设计中，其导程是旋转角度的函数，在计算中难求得精确导程，因此凸轮廓线设计较复杂。故不考虑此方案。
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（b）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。
(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。
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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急回特性。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。4、圆柱凸轮机构
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。本方案中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。
最终设计方案和机构简介
一、方案选择：
经过方案分析与比较，该机构最终选择如下方案组合：
1、电机选择Y132S-4型异步电动机。该电动机额定功率P=5.5KW，满载转速n=1440r/min。扭矩和功率均能满足工作要求。
2、传动、减速机构采用蜗轮蜗杆减速机构。蜗轮蜗杆的最大优点就是能实现大传动比，结构紧凑，占用空间较小，传动平稳，振动、冲击和噪声均较小，并且反行程能自锁。使用该机构对于机床的支撑外型和外观造型设计有很大优势。
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形凸轮简单，操作方便。
二、方案简介及运动分析
根据上述选择的方案可得如下图所示的机构运动简图
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工作过程：电机输出1440r/min的转速，由蜗轮蜗杆减速机构将速度减为5r/min带动凸轮转动，由凸轮廓线的特性带动主轴箱完成快进、匀速、快退的运动过程。同时，由蜗轮蜗杆减速机构将速度减为1.25r/min带动槽轮机构运动，使工件每分钟旋转90°(12秒旋转，36秒间歇），通过槽轮的设计，使得旋转完间歇期间由锁住弧锁住。这样就满足了机床的工作要求。
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参考资料
1、孙桓，陈作模，葛文杰主编，机械原理第七版.北京：高等教育出版社，20062、蔡春源主编，简明机械零件手册，冶金工业出版社，1996
3、天培棠，石晓辉，米林主编，机械零部件设计手册，国防工业出版社，20114、机械设计手册：机械制图·精度设计，成大先化学工业出版社，2010
5、王坤，何小柏，汪信源主编，机械设计（机械设计基础）课程设计，高等教育出版社
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