孔加工机床传动方案的设计.doc

目录专业课设计任务书3专业课设计说明书61. 任务分析62. 机构运动循环图73.机构选型和机械运动方案的评定94.运动机构的几何参数设计155.主轴箱移动机构运动参数的设计186.最终设计方案和机构简介20参考文献22图纸I(主轴箱移动机械运动曲线)23图纸II(机床结构简图)24专业课设计任务书1. 设计题目：孔加工机床传动方案的设计2. 工作原理及工艺动作过程：设计一个专用的机床来完成零件上孔的加工，孔加工采用钻孔、扩孔和绞孔的工艺路线。机床拟在四个工位（图中、）上分别完成零件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔的工作。主轴箱上装有三把刀具，对应于工位的位置装钻头，的位置装扩孔钻，的位置装铰刀。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、扩孔和铰孔工作。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，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。机床的两个动作：一装有工件的回转工作台的间歇转动；二装有三把专用刀具的主轴箱的往复移动，用同一台电机驱动，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。根据厂房位置的大小，机床的外形设计如图1所示。 图 113. 原始数据及设计要求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mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量，如右图12所示），然后快速返回。回程和进 程的平均速度之比K=2。 图 122) 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60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。4. 设计内容：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) 机械传动系统和执行机构的尺度计算；5) 画出机械运动方案图；（A2图幅）6) 绘制从动件的位移、速度和加速度图。（A3图幅，分开绘制） 7) 编写设计说明书。（格式参照标准格式）5. 进度安排设计任务所需时间（天）准备及熟悉题目2执行机构选型及评价2方案评价1传动系统设计计算2机械系统尺度计算3机械运动方案图绘制5位移速度加速度绘制2编写设计说明书3合计206.设计要求：1、说明书终稿用A4纸抄写，必须抄写清楚，数据清晰。2、文档终稿的装订顺序：封面（标准格式/下载使用）、目录、设计任务书、正文、总结、参考文献和评语（标准格式/下载使用）、图纸。3、设计说明书应包括以下内容： 功能分解； 原始数据及计算； 简述方案设计思路及讨论、改进； 执行机构设计步骤或分析计算过程。 对所设计的结果分析讨论4、所有图纸按A4幅面折叠，将标题栏和明细表显露在外部。孔加工机床传动方案说明书1.任务分析1.1 机床的功能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，如图11所示。机床拟在四个工位（图中、）上分别完成零件的装卸、钻孔、扩孔、铰孔的工作。主轴箱上装有三把刀具，对应于工位的位置装钻头，的位置装扩孔钻，的位置装铰刀。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、扩孔和铰孔工作。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，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。1.2 设计要求和参数(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mm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60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.1.3 运动机构分析对机床的功能及设计要求和参数进行分析，可知机床的主要运动机构如下：I.原动机构：(1) 专用电动机。用于带动主轴箱上的三把专用刀具进行旋转运动，此过程无需分析设计。(2) 交流异步电动机，功率1.5Kw，转速960r/min。用于对主轴箱及回转工作台的运动提供动力（交流异步电动机参数参看文献【3】表940）。II.传动机构：机床箱体内为了将交流异步电动机的转速转变为满足机床工作要求的各部件运动所需的速度。由生产率可以求出一个运动循环所需时间T=3600/60=60s,换算为带动主轴箱运动的传动部件的转速为1r/min，而此时电动机的转速为960 r/min，设总传动比为i, i=960/1=960故还需设计大传动比的减速机构。此部分需要根据机床的给定参数和要求并参考常用传动机构进行具体设计。III.执行机构：(1) 主轴箱。主轴箱进行一次循环运动，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。对于机床来说，一个循环就有一个工件完成上述全部工序。(2) 回转工作台。在刀具离开工件后工作台旋转90将工件送入下一工位，然后工作台保持静止等待刀具加工工件，工作台静止时需用定位机构对工作台的位置进行定位。工作台的运动应该与主轴箱的循环运动相协调。IV.定位机构：用于回转工作台静止时对工作台进行定位的机构。需设计此机构配合回转工作台的间歇运动对工作台进行定位。1.4 任务规划根据以上分析，可将设计任务分解为以下步骤：(1)机构运动循环图(2)机构选型和机械运动方案的评定(3)运动机构的几何参数设计(4)主轴箱移动机构运动参数的设计(5)最终设计方案和机构简介2.机构运动循环图2.1 工艺动作分析四工位机床主要有两个执行构件：回转工作台和主轴箱。回转工作台作间歇转动，主轴箱作来回移动。此外，在回转工作台静止时需用定位机构对工作台进行定位。机床生产率每小时约60件，则刀具一个运动循环所需时间为60s。刀具匀速进给速度为2mm/s，刀具匀速送进60mm所需时间，回程和进程的平均速度之比K=2.则： （11） （12）代入相关的值得：=10s，=20s.2.2 机械运动分析刀具的运动分为工作行程和返回行程。工作行程中刀具由循环初始位置快进60mm到达离工件表面5mm的位置(此过程10s)，然后开始匀速进给60mm完成对工件的加工(此过程30s)；返回行程中刀具快速退回循环初始位置(此过程20s)，然后开始下一次循环运动。回转工作台的间歇运动与刀具的循环运动相协调，在刀具离开工件后完成旋转90的回转运动，在刀具与工件接触时保持静止。定位机构在回转工作台静止时对工作台进行定位，工作台作回转运动时不进行定位。2.3 机械运动循图钻头头进匀速60快钻0240进钻头快退工作台转动位销插入定定位销拔出工作台静止凸轮钻 图 133.机构选型和机械运动方案的评定3.1 备选方案设计根据该机床包含两个执行机构，即主轴箱来回移动机构和回转工作台间歇的回转机构。主轴箱移动的行程包含三段，即快速送进段，匀速送进段和快速退回段，并具有急回特性；回转工作台的回转运动需与主轴箱的移动相协调。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：(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)主轴箱移动机构的方案：(1)圆柱凸轮实现主轴箱移动(2)盘型凸轮尺条实现主轴箱移动3)回转工作台回转机构的方案：(1)棘轮机构(2)不完全齿轮机构 (3)单销四槽槽轮机构4)定位机构方的案： 圆柱机构带动定位销3.2 备选方案分析3.2.1减速机构(1)涡轮蜗杆减速机构方案分析：此方案（见图14）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：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能够实现i=960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。本方案存在的不足是，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。涡轮蜗杆减速机构图 14(2)外啮合行星齿轮减速机构方案分析： 该方案（见图15）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，能够实现Z=960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。 外啮合行星轮系减速机构 图 15 (3)定轴轮系减速机构方案分析：该方案（见图16）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，能够实现i=960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。 定轴轮系减速机构 图 163.2.2主轴箱移动机构(1)圆柱凸轮机构方案分析：该方案（见图17）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。 圆柱凸轮机构 图 17(2)盘型凸轮机构方案分析：该方案（见图18）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。 盘形凸轮机构 图 183.2.3回转工作台回转机构(1)单销四槽槽轮机构方案分析：该方案（见图19）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。单销四槽槽轮机构图 19(2) 棘轮机构方案分析：该方案（见图110）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。棘轮机构 图 110(3)不完全齿轮机构方案分析：该方案（见图111）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。 不完全齿轮机构 图 1113.2.4圆柱凸轮定位销机构该方案（图112）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。圆柱凸轮定位销机构 图 1123.3 确定机构运动方案减速机构采用三级传动系统：第一级皮带传动、第二级用行星轮系、第三级用直齿圆柱齿轮传动。尽管此时占用的空间很大，但此时给定的空间很大，这足以容纳三级传动所需的空间。采用这种传动系统有三个方面好处：（1） 机构使用寿命长，这样更换周期就会变长，保证生产的持续性，节省维修成本。（2） 互换性好。采用都为标准件，更换方便。（3） 噪音小。运动过程中因为传动比已尽可能分开，对每个零件的磨损减小，承载的压力减小。（4） 传动精度高。能够很好实现较大的传动比。尽管采用蜗轮蜗杆减速机构能实现大传动比，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。但成本高，使用寿命很短。主轴箱移动机构选择圆柱凸轮机构。使用圆柱凸轮机构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。回转工作台回转机构采用不完全齿轮机构。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。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，而且机构简单紧凑，更便于设计。4.运动机构的几何参数设计4.1 三级减速机构（见图113）的几何参数设计 图 113根据上述知总传动比为i=960。设带传动的传动比为，外齿轮系的传动比为，固定轮系的传动比为，则： （13）根据经验分析可知，此时取=80。4.1.2 带传动分析选用普通V带传动，已知电动机功率P=1.5kw,转速为n为960r/min,传动比为3，假定每天工作8小时。（1） 确定计算功率 由文献【1】表87查的工作情况系数，故： （14）（2） 选择V带的带型 根据，n由文献【1】图811选用A型。（3） 确定带轮的基准直径1） 初选小带轮的基准直径2） 验算带速v。 （15）验算带速在5mm/s30mm/s,故带速合适。3） 计算大带轮的基准直径 （16） 根据文献【1】表88，圆整得。4） 确定v带的中心距a和基准长度初定中心距，计算所需的基准长度 （17） 由文献【1】表8-2选带的基准长度。按式计算实际中心距a (18)5） 验算小带轮的包角 （19）4.1.2 轮系计算 （110） 取。取m=2mm，则： （111） 4.1.3 固定齿轮计算 由于工作机速度不高，故选用7级精度直齿圆柱齿轮。取 整体几何尺寸计算：，符合箱体尺寸要求。4.2 主轴箱移动机构圆柱凸轮的几何参数设计主轴箱移动机构圆柱凸轮为主轴箱移动机构的主动件。主轴箱移动范围为0120mm，取圆柱凸轮的高200mm，槽宽10mm，槽厚7mm，直径60mm.4.3 不完全齿轮机构的几何参数设计不完全齿轮机构的作用是实现回转工作台的间歇运动，传动比为1。取m=2，z=65，d=130mm.不完全齿轮齿轮部分为1/4，实现回转工作台完成旋转90的回转运动。4.4 圆柱凸轮定位销机构的几何参数设计拟设计定位销横向移动量为030mm，连杆长度为160mm，支承点为连杆中点。取圆柱凸轮的高100mm，槽宽10mm，槽厚7mm，直径60mm.考虑回转工作台与主轴箱的运动协调性，其导动槽曲线设计如图114： 图 1145.主轴箱运动参数的设计主轴箱的运动靠圆柱凸轮机构传动实现。对主轴箱运动参数的设计即是对圆柱凸轮轮廓曲线的设计。采用五次多项式运动规律对相关部分进行修正（见图115） 图 115在整个过程中，可知圆柱凸轮轮廓曲线有三个部分进行修正：(1) 快进部分(0)；(2)工进部分(240-240)；(3)退刀部分(240360)。5.1 快进部分当采用五次多项式时，其表达式为位移：速度： （112）加速度： 因待定系数有6个，故可设定6个边界条件为在始点处 。在终点处 。代入（112）得：，.其中。取时：，5.2 工进部分工进部分包含两段，第一段为等速运动区段（），其运动方程为： （113）回转角在时进行曲线函数修补：其中。取时，。则： 5.3 退刀部分 此段包含的区段为（），其中。采用五次运动规律： 在始点处 。在终点处 将已知值代入可得S的表达式，并对S求导可求的速度V和加速度a的