四工位专用机床的刀具进给和工作台转位机构课程设计设计-10957546

机械原理课程设计设计计算说明书
四工位专用机床的刀具进给和工作台转位机构设计
院 系
班 级
姓 名
2007年2月 2日
rju舌
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具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。
目录
设计任务书… ………………………………………………………………l
机械运动方案设计…………………………………………………………………………2
机械总体结构设计……………………………………………………………………………3
机械传动系统设计………………………………………………………………………… 5
主要零部件的设计计算……………………………………………………………………7
执行机构和传动部件的结构设计……………………………………………………．14
最终设计方案和机构简介………………………………………………………………．．18
参考资料……． ………………………………………………………………．．20
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，主轴箱道具移动机构的选型，并进行机械运动方案
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2号图纸上画出最终方案的机构运动简图
6编写设计计算说明书
设计要求：
1从刀具顶端离开工件表面65mm位置，快速移动送进了60mm后，在匀速
送进60mm（5mm刀具切入量，45mm工件孔深，lOmm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生产率约每小时60件。
3刀具匀速进给速度2mm/s，工件装、卸时间不超过lOs。
4执行机构能装入机体内。
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：
机构运动循环图
该专用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。
其工作过程如下：
旋转卡盘 号盘固定
机床工作运动模型
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
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。
机械

总体结构设计
+、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=ll/116,其中116为圆柱凸轮所在轴的转速，即总
传动比为1440/1。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，快速移动送进了60mm后，在匀速送进60mm( Smm
刀具切入量，45mm工件孔深，lOmm刀具切出量)，然后快速返回。要求
效率是6 0件／小时，刀架一个来回（生产1个工件）的时间应该是1分
钟。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1440/1。
两种方案的传动比计算，参考主要零部件设计计算。
下面讨论执行杌构的运动协调问题：有运动循环图可知，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。
1、涡轮蜗杆减速器：
机械传动系统设计
采用如图机构，通过涡轮蜗杆加上一个定轴轮系实现了：
咒电机 1440r/min
——=——
n土轴 lr／min
涡轮蜗杆减速机构
2、外啮合行星齿轮减速器：
采用如图采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现传动比：
刀电机 1440r/min
——=——
n土轴 lr／min
减速机构
3、定轴轮系减速器：
采用如图采用渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动，实现：
7z电机
n主轴
E1
造√
1440r/min
-
，，‘_
弋
https://www.wendangku.net/doc/0615381648.html,
主要零部件的设计计算
一、 减速机构设计：
方案一：涡轮蜗杆减速机构
结构图如下：
涡轮蜗杆减速机构
1、蜗杆：m=5mm d=40mm（机械原理，p346，表10-7）
2、涡轮：(d=n忆)m=5 mm z2=20 d2=lOOmm 24=36 d4=1

80mm
3、齿轮：此齿轮机构的中心距a=135mm,模数m=5 mm，采用标准直
齿圆柱齿轮传动，25=18，z6=36，ha*=l.0，(d=mz，ds=90mm，d6=180mm)
4、传动比计算：
- 20 36：．堑=14 4
‘．6=/一：．/3。．l56 21r×1r×18
方案二：外啮合行星齿轮减速器：
结构图如下：
外啮合行星轮系减速机构
图看专 zi=10, z2=36, 23=18, 24=21, 25=20, z6=17, z7=14, z8=40
传动比计算：i18—i12iH6i78
其中112= -22 /zi=-3 6/10
所以
iH6=1/16H
芘何=1一《；=1-
lH6 -
20×18
2 1×1 7
20×1 8
1- /6~ 20 x18 - 21x17
又i78=-28／2.7=-40/12
-36 360 -40
以所 .-.- -144
10(/18 -/12 /H60/78 =~0 '-3 12
方案三：定轴轮系减速器
~l示 zi=17, 22=51, 23=12, z4=60, 25=12, 26=72, z7=13, z8=52, 2g=12,
zio=48, z11=48
传动比计算：1111-
22 X 24 X 26 X ZS X ZIO X zi] -1440
zl X 23 X 25 X 27 X Zg X ZIO
定轴轮系减速机构
二、圆柱凸轮进刀机构设计：
1、运动规律：
刀具运动规律：刀具快速进给60mm，匀速进给60mm（刀具切入
量Smm,工件孔深45 mm,刀具余量lOmm)，快速退刀。因为刀具匀速进给
的速度为2mm/s，由此可得匀速进给的时间为30s，设快速进给的时间为
x，快速退刀的时间为y，又因为其回程和工作的速比系数K=2，所以可得
下列方程：
3 0+x=2y (1)
30+x+y=60 (2)
(1)(2)两个方程联立可以得出，x=lOs ， y=20s
因此可以得出如下图所示的刀架运动规律图：
■iT_一 匀速 ·陕述
60 0 240 0
刀架运动规律图
2、凸轮廓线设计：
进刀机构的运动有凸轮的廓线来实现，进刀的方向为安装凸轮的轴
的轴线方向，根据运动的特性，凸轮选择圆柱凸轮，按照运动规律设计其
廓线如下：
进刀圆柱凸轮廓线
凸轮转角
三、 回转工作台机构设计：
回转工作台的运动规律：四个工作位置，每个工作位置之间相差90 0，在
工作过程中，旋转90 0，停止定位，进刀加工，快速退刀后，旋转90 0，
进行下一个循环。在加工和退刀的前半段（即刀具与工件有接触）时，必须
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，
1、采用单销四槽槽轮机构。其结构图如下图所示：
单销四槽槽轮机构
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 0，所以选择四槽均布槽轮，刚好实现旋转900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：

1 360+60 - 307.4
l+k 360
于是得：K>2.2
所以极位夹角大于等于67.5 0
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 0，因此摇杆的摆角也为900。
3、采用不完全齿轮机构，其结构如下图所示：
不完全齿轮机构
＼＼
／
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 0，之后的270 0由于
没有齿啮合，完全齿轮不转动，该机构结构简单，在低速( lr/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。
＼＼、-／
四、 圆柱凸轮定位销机构设计：
由机构运动循环图可以看出，定位销一共有两个工作位置，刀具在与工件接
触前必须将主轴固定住，刀具离开工件后到再次接触前（即卡盘旋转时）定
位销必须拔出。由于本机床中采用了槽轮机构，该机构有固定功能，定位销
的主要作用是辅助定位，起保险作用！其结构图如下图所示
圆柱凸轮定位销机构
辅助凸轮廓线
凸轮转角
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：
(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
4、定位销方案：采用圆柱凸轮机构实现
二、方案比较
㈠、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：
刀电机L 1440r/ min
n主轴 lr/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：
刀电机 1440r/min
——=——
n主轴 lr／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
构昀原因是运用广泛，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：
n电机 1440r/min
- --
n主轴 lr/ 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。
㈢、刀架规律性运动机构
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。
2、盘型凸轮一尺条实现刀架规律性移动：
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。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。
㈢、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。
2、棘轮机构
该方案采用棘轮机构，是囚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。
㈣、圆柱凸轮定位销机构
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。
4、卡盘转动选择不完全齿轮机构。该机构结构简单，较之其他机构加工
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。还有使用该机构最大的优点是传动比具有可
分性，在中心距发生变化的情况下传动比也能保持不变，保证了机床精度。
5、定位主要采用圆柱凸轮定位销机构。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，而且机构简单紫凑，更便于设计。
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
专用自动机床机构简图
1、定位齿轮 2、定位销专用圆柱凸轮 3、定位销连杆
4、不完全齿轮 5、定位销 6、工件 7、刀具 8、主轴箱
9、刀具专用电机 1 0、进刀圆柱凸轮11、蜗轮蜗杆减速器 12、电动机
工作过程：电机12输出1440r/min的转速，由蜗轮蜗杆减速机构将速度减
为lr/min带动凸轮10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。同时定位齿轮l将运动传导不完全齿轮4和凸轮2，使工
件每分钟旋转90 0 （15秒旋转，45秒间歇），通过2的廓线设计，使得旋
转完间歇期间由定位销定住，在旋转的期间定位销松开。这样就满足了机
床的工作要求。
参考资料
1、孙桓，陈作模等主编．机械原理，第六版，北京：高等教育出版社，2001
2、王三民主编，机械原理与设计课程设计，机械工业出版社，2005
3、王三民主编．机械原理课程设计．西北工业大学讲义，2001