四工位专用机床运动方案设计

一、设计题目： ........................................................................................ 2 二、设计条件和要求： ............................................................................ 2 1、设计介绍： .................................................................................... 2 2、方案设计与选择 ............................................................................ 2 3、设计任务与内容 ............................................................................ 3 三、原始参考数据 .................................................................................... 3 四、机械运动设计方案的拟定 ................................................................ 4 1、圆柱凸轮运动方案 ........................................................................ 4 2、齿轮——凸轮运动方案 ................................................................ 5 3、凸轮——连杆运动方案 ................................................................ 6 4、执行机构的选型 ............................................................................ 6 5、机械运动方案选择 ........................................................................ 8 五、机构的组合方式 ................................................................................ 8 六、机械运动循环图 ................................................................................ 9 1、运动分析 ........................................................................................ 9 七、机械运动简图 .................................................................................... 9 八、主要零部件尺寸的计算 .................................................................. 10 1、槽轮机构: ..................................................................................... 10 2、圆柱凸轮的尺寸设计： .............................................................. 11 3、减速器的传动计算： .................................................................. 12 九、课设心得........................................................................................... 13 十、参考文献........................................................................................... 14

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一、设计题目：四工位专用机床运动方案设计 二、设计条件和要求：

1、设计介绍：

四工位专用机床是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。它的执行机构有两个：一是装有四工位工件的回转工作台，二是装有由专用电机带动的三把专用刀具的主轴箱。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90，然后主轴箱再次左移。很明显，对某一个工件来说要在四次循环后完成装、钻、扩、铰、卸等工序。但对专户门机床来说，一个循环就有一个工件完成上述全部工序。

图一：四工位专用机床图

2、方案设计与选择

1） 回转台的间歇转动，可采用槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇运动机构。

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2） 主轴箱的往复移动，可采用圆柱凸轮机构、移动从动件盘形凸轮机构、凸轮－连杆机构、平面连杆机构等。

3） 由生产率可求出一个运动循环所需时间T=48s，刀具匀速送进60mm所需时间t匀=30s，刀具其余移动（包括快速送进60mm，快速返回120mm）共需18s。回转工作台静止时间为40s，因此足够工件装卸所需时间。

回转工作台作单向间歇运动，每次转过90度。主轴箱作复移动，在工作行程中有快进和慢进两段，回程具有急回特性。

3、设计任务与内容

1） 按工艺动作过程拟定运动循环图。

2） 进行回转台间歇转动机构、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） 根据电机参数和执行机构运动参数进行传动方案的拟订。 4） 画出机械运动方案图（CAD、A2），凸轮轮廓图（手工、A3）。 5） 机械传动系统和执行机构的尺度计算。

6） 编写设计说明书。（用A4纸张，封面用标准格式）

三、原始参考数据

1、 刀具顶端离开工作表面65mm，快速移动送进60mm后，再匀速送进60mm（包括5mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量，如右图所示），然后快速返回。回程和进程的平均速度之比K=2。

2、刀具匀速进给速度为2mm/s，工件装卸时间不超过10s。 3、 机床生产率每小时约75件。 4、执行机构及传动机构能装入机体内。

5、传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r/min。

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四、机械运动设计方案的拟定

1、圆柱凸轮运动方案

电动机作为驱动机构，将动能传给带轮，通过带轮分两路将扭矩传递给执行机构，一路通过齿轮传动将扭矩传递给槽轮机构，使工作台做间歇运动。另一路通过齿轮传动将扭矩传递给移动推杆圆柱凸轮机构，是主轴箱完成进、退刀的动作。两路传动机构相互配合，相互作用，共同完成加工任务。

图二：圆柱凸轮运动方案

电动机作为驱动机构，将动能传给带轮，通过带轮分两路将扭矩传递给执行

机构，一路通过齿轮传动将扭矩传递给槽轮机构，使工作台做间歇运动。另一路通过齿轮传动将扭矩传递给移动推杆圆柱凸轮机构，是主轴箱完成进、退刀的动作。两路传动机构相互配合，相互作用，共同完成加工任务。

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2、齿轮——凸轮运动方案

轮齿（齿）──齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。配对齿轮上轮齿互相接触，导致齿轮的持续啮合运转。

齿槽──齿轮上两相邻轮齿之间的空间。

端面──在圆柱齿轮或圆柱蜗杆上垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面。 法面──在齿轮上，法面指的是垂直于轮齿齿线的平面。 齿顶圆──齿顶端所在的圆。 齿根圆──槽底所在的圆。

基圆──形成渐开线的发生线在其上作纯滚动的圆。

分度圆──在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆，对于直齿轮，在分度圆上模数和压力角均为标准值。

齿面──轮齿上位于齿顶圆柱面和齿根圆柱面之间的侧表面。 齿廓──齿面被一指定曲面（对圆柱齿轮是平面）所截的截线。 齿线──齿面与分度圆柱面的交线。

端面齿距pt──相邻两同侧端面齿廓之间的分度圆弧长。 模数m──齿距除以圆周率π所得到的商，以毫米计。

图三:齿轮——凸轮运动方案

电动机作为驱动机构，将动能传给带轮，通过带轮分两路将扭矩传递给执

行机构。一路是经过行星轮系传递给工作台。另一路通过连杆带动齿轮，齿轮使

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凸轮工作，进而使主轴箱做进、退刀的动作。

3、凸轮——连杆运动方案

电动机作为驱动机构，将动能传递给带轮，通过带轮分两路将扭矩传递给执行机构。一路通过齿轮传动将扭矩传递给不完全齿轮机构，使工作台做间歇运动。另一路通过行星轮系减速后将扭矩传递给摆动推杆盘型凸轮与摆杆滑块机构，使主轴箱完成进、退刀的动作。两路传动机构相互配合，相互合作，共同完成额定的加工功能和加工任务。

图四：凸轮——连杆运动方案

4、执行机构的选型

（1）回转台间歇运动机构方案

方案一：不完全齿轮机构。它是由齿轮机构演变而得到的一种间歇转动机构，即在主动轮上制作出一部分齿，并根据运动时间与停歇时间的要求，在从动轮上做出与主动轮相啮合的轮齿。当从动轮做连

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续回转运动时，从动轮做间歇回转运动。不完全齿轮的结构简单，制造容易，工作可靠，设计时从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。其缺点是有较大冲击，故质疑与低速，轻载场合。

方案二：槽轮机构。槽轮机构的结构简单外形尺寸小，机械效率高，并能较平稳的、间歇地进行转位。但因转动时尚存在柔性冲击，

故常用于速度不高的场合。

（2）主轴箱刀具移动机构方案

方案一：凹槽圆柱凸轮机构。当具有凹槽的圆柱凸轮回转时，其凹槽的侧面通过嵌与凹槽中的滚子迫使连接与主轴箱连接的赶一起运动，进刀和退刀的运动规律则决定于凹槽曲线的形状

凸轮机构的最大优点是只要适当的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，而且响应快速，机构简单紧凑。凸轮机构的缺点是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，凸轮制造困难。

方案二：凸轮连杆机构。是经过电动机带动传动带及齿轮减速后由齿轮推动于主轴箱连接的连杆，从而使主轴箱随凸轮决定的运动规律运动，但机构中与主轴箱相连的连杆尺寸过大，不能适合的置于机箱内。

方案三：盘形凸轮机构。是经过电动机带动传动带及齿轮减速后由齿轮机构直接带动及齿轮减速后，有齿轮机构直接带动的，因而其运动角速度是常量。但因为其凸轮处于机床箱外部，并且其返程机构复杂。

（3）传动机构的选型

选定电动机的转速

n=960/min，而槽轮机构的转速

N=60/48=1.25r/min，整个机构的传动比k=768,故需要分别引入减速机构来满足工作台间隙运动和主轴箱移动的运动要求。

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5、机械运动方案选择

（1）从方案中剔除明显不合理的，在进行综合评价。评价指标为： ①是否满足预订的运动要求； 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； ⑤成本高低；

⑥是否满足要求、动力源、生产环境等限制条件； 根据以上评价指标评定，选择方案1。

1、传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r/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放便，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、卡盘转动选择单销四槽槽轮机构。该机构结构简单，较之其他机构加工安装容易实现，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。

五、机构的组合方式

槽轮机构+移动推杆圆柱凸轮机构+带传动+行星传动

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六、机械运动循环图

时间（秒） 0→12 12→24 24→36 静止 36→48 间歇机构运动匀速旋转情况 90度 主轴箱运动情快进2秒 况 匀速送进60mm（2→32秒） 快退（16秒） 表一：四工位专用机构运动循环图

1、运动分析

传动系统电机为交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r∕min。则四工位专用机床的一个周期内的详细运动情况为：

⑴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，使其做间歇运动。

⑵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?。 ⑶间歇机构从90?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）。

⑷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）。

⑸间歇机构从270?转至360?，主轴箱完成一次工作循环（快进、刀具匀速送进和快退）。

七、机械运动简图

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图五：运动简图

八、主要零部件尺寸的计算

1、槽轮机构:

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，对照如图所示，对其尺寸 进行详细设计和拟定。

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100010

图六：槽轮机构

1）槽数z 按工位要求选定为4 2）中心距a 按结构情况确定a=150mm 3）圆销半径r 按结构情况确定r=15mm 4）槽轮每次转位时主动件的转角 2a=180(1-2/Z)=90? 5) 槽间角 2?=360/Z=90? 6）主动件到圆销中心半径

R1? a sin?=752= 106mm

7）R1与a的比值 ?=R1/a= sin?=2/2 8）槽轮外圆半径

R2=

?acos??2?r2=107mm

9）槽轮槽深 h>=a(?+cos?-1)+r=77.1mm 取h=80mm

10）运动系数 k=(Z-2)/(2Z)=1/4 (n=1,n为圆销数)

2、圆柱凸轮的尺寸设计：

由于其轮廓曲线为一空间曲线， 不能直接在平面上表示。但是圆柱面可展

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开成平面，圆柱凸轮展开后便成为平面 移动凸轮。因此，可以用盘形凸轮轮廓曲线设计的原理和方法，来绘制圆柱凸轮 轮廓曲线的展开图。将圆柱外表面展开，得一长度为2?R的平面移动凸轮机构，其移动速度为V=wR,以—V 反向移动平面凸轮，相对运动不变，滚子反向移动后其中心点的 轨迹即为理论轮廓线，其内外包络线为实际轮廓线。 用 AutoCAD 拟合出位移线图如图所示， 并分盘形凸轮和圆柱凸轮分别对 其进行设计。

表二:圆柱凸轮理论轮廓线

拟定圆柱凸轮的最大半径Rm=50mm,长度L=200mm,用CAD画出其尺寸

轮廓图。

图八：圆柱凸轮尺寸轮廓图

3、减速器的传动计算：

选定电动机的转速n=960r/min,而槽轮机构和圆柱凸轮机构的转速n1=60/48=1.25r/min,整个传动机构的传动比为K=768,故对于减速器的功能要求为其传动比为768，其中，各轮齿数拟定为：Z1=32，Z2=13, Z2’=24，Z3=59,

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考虑到其所占空间模数可取m=3,采用正常齿制。

图九：行星轮系传动机构图

该机构的传动比：

iH/13=(W1-WH)/(W3-WH)=(W1-WH)/(-WH)=(Z2Z3)/(Z1Z2’)=767/768 即（W1-WH）/(-WH)=767/768 由此可得：iH1=768 齿轮啮合的最大中心距

a max=(m/2)(Z1+Z2)=67.5mm

则在未安装外壳时机构的宽度或高度的最大尺寸为 b max=2a max=135mm

九、课设心得

为期一个星期左右的机械原理课程设计即将结束，在这几天里，我的感触很

多。首先，通过完成机械原理课程设计，使我对机械原理这本书的理论知识又加深了；其次，使我懂得了所学的专业在今后所就业的领域；最后，让我知道光学会课本上的理论知识是不行的，要在实践中去理解所学的知识，做到融会贯通。

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十、参考文献

《机械设计》第八版 濮良贵 纪名刚 主编； 《机械原理》第七版 郑文伟 吴克建 主编；

《机械原理课程设计手册》第二版 邹慧君 张青 主编。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8ki8.html