装备项目说明书

1、组合机床多工位回转工作台设计课 程 设 计课程名称 机械制造装备项目 题目名称 组合机床多工位回转工作台设计学生学院 机电工程学院 专业班级 学号姓名 学号姓名 指导教师 成绩评定 教师签名 2012 年 06 月 20 日目录0 摘要41 设计概述4l 1.1组合机床应用概述4l 1.2组合机床的发展现状和趋势42 总体设计方案5 2.1 加工内容52.2 动力设计5 2.3 定位设计52.4 夹具设计53 工作台组件选型和设计63.1 回转工作台的循环工作方式设计6 3.2 气缸的设计73.3 行程开关选型94 回转工作台设计94.1 回转工作台概述94.2 步进电机的选择及运动参数的计算

2、104.3 计算传动装置的运动和动力参数114.4 齿轮传动的设计114.5 蜗杆涡轮传动的设计计算154.6 蜗杆轴的设计及计算194.7 轴承校验与计算204.8 输出轴的设计214.9 轴承设计与校核244.10 键的选择 255 PLC控制硬软件设计265.1工艺要求及动作流程265.2 I/O端口分配图265.3控制部分说明275.4 PLC梯形图275.5 系统调试与运行276 总结28参考文献28附件1主要部件清单29 2 传动结构、爆炸图303 装配图314 总体爆炸图325 主要零件工程图33 0 摘要：组合机床是用已经系列化、标准化的通用部件和少数专用部件组成的多轴、多刀、

3、多工序、多面或多工位同时加工的高效专用机床，生产效率比通用机床高出几倍或几十倍。组合机床具有生产效率高、加工精度高、自动化程度高、成本低、研发周期短、操作简单、维修方便等优点，现在已经广泛使用。本小组的设计任务是对组合机床多工位回转工作台进行设计，具体包括：分析被加工零件工序要求；观摩测绘已有试验台；拟定回转工作台的循环方式、驱动方式、定位方式；设计回转工作台机械部件；设计工件定位夹紧结构；用PLC控制硬软件系统。使设计出来的组合机床具有六个加工工位，能够加工出满足精度要求和尺寸大小的零件。关键词：组合机床 回转工作台 定位 PLC 1 设计概述 1.1 组合机床应用概述在批量生产中为了提高生

4、产率，缩短加工时间和辅助时间，尽可能使辅助时间和加工时间重合，使每个工位安装多个工件同时进行多刀加工，实行工序高度集中，因而广泛采用组合机床。组合机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。组合机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转，由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工。1.2 组合机床的发展现状和趋势二

5、十世纪70年代以来，随着可转位刀具、密齿铣刀、镗孔尺寸自动检测和刀具自动补偿技术的发展，组合机床的加工精度也有所提高。铣削平面的平面度可达0.05毫米1000毫米，表面粗糙度可低达2.50.63微米；镗孔精度可达IT76级，孔距精度可达O.03O.02微米。专用机床是随着汽车工业的兴起而发展起来的。在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。为了使组合机床能在中小批量生产中得到应用，往往需要应用成组技术，把结构和工艺相似的零件集中在一台组合机床上加工，以提高机床的利用率。这类机床常见的有两种

6、，可换主轴箱式组合机床和转塔式组合机床。组合机床未来的发展将更多的采用调速电动机和滚珠丝杠等传动，以简化结构、缩短生产节拍；采用数字控制系统和主轴箱、夹具自动更换系统，以提高工艺可调性；以及纳入柔性制造系统等。2 总体设计方案2.1 加工内容在回转工作台上，工件在一次装夹中可以完成五道工序的加工，加工工序分别是铣端面、钻中心孔、钻盲孔、钻通孔、扩孔。工件规格40*40*60mm，其零件工程图详见附件。 2.2 动力设计根据工作循环要求及加工工件，设计传动路线，确定电机型号，齿轮，蜗杆蜗轮、蜗杆轴、输出轴的基本参数并对其进行校验及回转工作台的尺寸；根据零部件的结构确定箱体，完成回转工作台的总体设

7、计。最后，对工作台进行建模及渲染。2.3 定位设计本项目设计中，采用双重定位。回转工作台转到预定位置后，行程开关与撞块接触，回转工作台停止，此时，蜗杆上的气压缸接收信号，把蜗杆夹紧，防止工作台继续转动。与此同时，工作台上的定位孔正好与气压缸上的推杆对正，装卸工位处的气压缸接收信号，把推杆推进回转工作台上的定位孔，把回转工作台定位住。2.4 夹具设计 本项目采用单活塞杆双作用气缸来装夹工件，当气体从A管进入气缸时，气缸活塞推动夹具，内部的机械结构使夹具逆时针旋转90度向上升起；当气体从B管流出气缸时，活塞拉下夹具，使其顺时针90度向下压紧。如下图所示，放置工件的工作台规格为40*53，使工件刚好

8、放入工作台，在夹具的作用下仅剩一个沿加工方向的自由度，实现可靠固定。夹具：3 工作台组件选型和设计3.1 回转工作台的循环工作方式设计多工位回转工作台式机床共有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动调整三种工作方式。连续全自动和单机半自动循环的控制要求为: 按下启动按钮，上料机械手向前， 将待加工零件送到夹具上，同时进料装置进料，然后上料机械手退回原位， 进料装置放料， 回转工作台自动微抬并转位，接着多个工作滑台向前， 多个动力头同时加工，加工完成后， 各工程滑台退回原位，下料机械手退回原位并取走已加工完的零件，完成一个工作循环， 并开始下一个工作循环，实现全自动工作方式。如果选择预停， 则

9、每个工作循环完成后， 机床自动停止在初始位置、等到再次发出启动命令后，才开始下一个循环 这就是半自动循环工作方式。手动控制方式主要用于检查和维修。根据工作循环方式的特点，选择单机半自动循环，即每个工作循环完成后， 机床自动停止在初始位置、等到再次发出启动命令后， 才开始下一个循环。 所设计工作循环图表示如下：3.2 气缸的设计3.2.1 气缸概述：气缸是一种引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件，其作用是将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气缸的种类很多，按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种；按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。3

10、.2.2 气缸的结构：气缸主要由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成，其内部结构如图所示：3.2.3 气缸的工作原理：以单活塞杆双作用气缸为例，气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。3.2.4 气缸的选择：根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不

11、仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。3.2.5 确定气缸的类型和参数：确定气缸类型为单活塞杆双作用气缸，结合项目需要，选用北京丰鼎泰克机电经营部内径为50mm的气缸，其规格为62*62*93，尺寸大小符合设计要求；其理论作用力可达500N，在加工状态能实现可靠固定，其参数如下图所示。3.3 行程开关选型3.3.1概述：本项目中选用Z-15GQ21-B型号的行程开关，用来对回转工作台进行分度定位。选用Z-15GQ21-B型号的行程开关的原因：该行程开关断路容量达15A，且精度高（重复精度良好）。有标准型、分割接触型、维持接触型等丰富品种，标准型中还具有微小负载用系列，保护端子部位

12、的安全，具有防滴功能的防滴端子，以及保护盖和塑料端子型。3.3.2工作原理：行程开关的原理就是压下开关使其闭合或断开，以获得机械行程到位的信号3.3.3工作过程：回转工作台上均匀分布六个行程开关，工作台底部联接的大齿轮回转，进行分度运动。在大齿轮上以 60 ° 的间隔均布6个挡块，分度时，工作台先快速回转。当进入规定位置时， 挡块碰撞限位开关，发出信号使工作台停止回转。 4 回转工作台设计4.1回转工作台概述4.1.1 回转工作台传动方案为：步进电机带轮传动回转工作台。4.1.2 主要参数：（1）最大回转半径：600 mm （2）回转角度：0 -360° （3）回转精度：1

13、5/脉冲（4）最大承重重量：M=200kg（5）工作情况：两班制，每天8个小时，工作寿命为8年。连续单向运转，载荷较平稳;（6）制造条件及生产批量：一般机械厂制造，小批量；（7）工作环境：室内，轻度污染环境； 4.2步进电机的选择及运动参数的计算回转工作台的转动惯量：由于工件的质量相对于工作台可以忽略，且不考虑转台外部阻力矩。实际工作中，工作台的转速为n=10rad/min，由主要技术参数可得 转台角加速度为所以最大力矩为 由工作台工作状态及转速，初步确定步进电机型号为三相步进电机BSHB31112，保持转矩T= 8>6.27 ；额定转速为800rpm，基本技术参数如下 根据步进电机的基

14、本参数，其加速转矩与负载转矩符合电机运行转矩特性曲线及启动转矩特性曲线，所以完成步进电动机选定。有电机的转速及工作台实际工作时的转速，可得总的传动比为=800/10=80；分配传动比，。取齿轮传动比为2.2，蜗杆蜗轮传动比为62.所以有。因为，所以该传动比可取。4.3 计算传动装置的运动和动力参数4.3.1 各轴转速（r/min）n1 = nd=800(r/min)n2 = n1 /i1=800/2.5=320(r/min)n3= n2/ i2=320/31=10.32(r/min)4.3.2 各轴转矩N·mN·m 4.4 齿轮传动的设计4.4.1选定齿轮类型、精度等级、材

15、料及齿数1）因为工作室转速不大，为一般工作机器，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮2）按GB/T100951998，选择7级精度3）材料：高速级小齿轮选用40Cr调质，硬度为280HBS，高速级大齿轮选用40Cr调质，硬度为 240HBS。4）初取小齿轮齿数=24，大齿轮齿数Z=×Z=2.6×24=62.4取62.5）初选取螺旋角=14°4.4.2按齿面接触强度设计1）确定各参数的值:载荷系数选择：试选=1.6区域系数Z：查课本（以下涉及到的课本皆为机械设计第八版）图10-30 选取区域系数 Z=2.433。端面重合度：由课本图10-26 则计算小齿轮传递的转矩

16、T1=8N·m齿宽系数：由表10-7得: =1材料的弹性影响系数：查课本由表10-6得： =189.8MP1/2由课本页图1021d，按齿面硬度查得小齿轮得接触疲劳强度600Mpa， 550Mpa 。应力循环次数：由课本公式10-13计算应力循环次数N=60nj =1.84×10，N= 8.38×10。接触疲劳寿命系数：查课本图 10-19得：K=0.92 K=0.96齿轮的接触疲劳许用应力：取失效概率为1%,安全系数S=1,应用公式10-12得:=0.92×600=552=0.96×550=528 2)计算小齿轮的分度圆直径=25.25mm.

17、为满足与电机装配，取40mm。计算圆周速度计算齿宽b和模数，b=14040 mm， =。计算齿宽与高之比齿高h=2.25 =3.64 ， =10.99。计算纵向重合度，=0.318=1.903计算载荷系数K查课本表102使用系数=1，根据,8级精度, 查课本由图10-8得动载系数K=1.11,查课本由表10-4得:K=1.42查课本由图10-13得: K=1.33查课本由表10-3 得: K=1.4故载荷系数: KK K K K =2.93按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径d=d=40×=48.96计算模数=4.4.3按齿根弯曲疲劳强度设计由弯曲强度的设计公式1） 确定公式内各计算

18、数值载荷系数KK K K K=2.93根据纵向重合度1.824,从课本图1028查得螺旋角影响系数Y0.86 计算当量齿数Zv1Z1/cos326.27，Zv2Z2/cos382初选齿宽系数，按对称布置，由表查得1 查取齿形系数Y和应力校正系数Y查课本由表10-5得:齿形系数Yfa12.616 Yfa22.214应力校正系数Ysa11.591  Ysa21.773 计算大小齿轮的 查课本由表10-20c得到弯曲疲劳强度极限小齿轮 大齿轮查课本由表10-18得弯曲疲劳寿命系数:K=0.92 K=.088取弯曲疲劳安全系数 S=1.4= 小齿轮的数值大，选用。2）设计计算对比计

19、算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取 m=2mm 但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径d=48.96来计算应有的齿数.于是由: z=23.73 取z=23，则z=2.6×23=59.8，取 z=60这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并得到结构紧凑，避免浪费。4.4.4 几何尺寸计算1）计算中心距a=85.54，将中心距圆整为852）按圆整后的中心距修正螺旋角=arccos因值改变不多,故参数,等不必修正。3）计算大.小齿轮的分度

20、圆直径d=47.41，d=123.674）计算齿轮宽度B=，圆整后取，。4.5 蜗杆蜗轮传动的设计计算4.5.1选择蜗杆传动类型根据GB/T 100851988推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）4.5.2选择材料考虑到蜗杆传动功率不大，速度不高，蜗杆材料选用45钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度4550HRC。蜗轮齿圈材料选用ZCuSn10P1，金属模铸造。8级精度。4.5.3按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按吃面接触疲劳强度进行设计，再校验齿根弯曲披览强度。由课本式(11-12)，传动中心距 ，确定作用在蜗轮上的转矩按,有T3=620.16N·m。确定载荷系数K，因

21、工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数=1；有表11-5选取使用系数=1.15；由于转速不高，冲击力不大，可取动载系数=1.05；则 K=1.1511.05=1.21。确定弹性影响系数=160。确定接触系数，先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距A的比值=0.35，从图11-18中可查得=2.9.确定许用接触应力，根据涡轮材料为ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋吃面硬度>45HRC，、可以从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa.应力循环次数N=60jn=601=2.2310，寿命系数=则 =1.21268MPa=324MPa。计算中心距考虑到蜗轮与工作台为一体，去a=160mm

22、，因i=31,故从表11-2中取模数m= 8mm,蜗杆分度圆直径=80mm。这是=0.5，从图11-18中查得接触系数=2.36，因为<,因此以上计算结果可用。4.5.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗杆：轴向齿距；直径系数 ；齿顶圆直径 齿根圆直径分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚蜗杆齿厚，取。涡轮：蜗轮齿数；蜗轮分度圆直径变位系数蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆半径涡轮咽喉母圆半径蜗轮厚度，取B=54mm。4.5.5校验齿根弯曲疲劳强度当量齿数 ，根据，从图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 ，许用弯曲应力 从表11-8中查得有ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力，寿命系数 ，。所以弯

23、曲强度是满足的。4.5.6蜗杆传动副的特殊参数(1) 齿厚增量系数 齿厚增量系数为轴向移动单位长度, 轴向齿厚的变化量􀀁所以=0.040。 = =3.1(3)差及两侧模数（4）齿后调整量推荐令调整长度为，则。 4.6 蜗杆轴的设计及计算1）输入轴上的转矩：=61.882）求作用在齿轮上的力轴齿轮分度圆直径为：d1=123.67mm所以 Ft=323.44N Fr=121.33N Fa=90.63N3）确定最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理。由表15-3，取Ao=112，于是得 =14.33mm ，×（1+5）=15.06mm考虑到周最小处与轴承配合，故确定轴的

24、最小直径d1=35mm4）轴的结构设计根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。尺寸如下：初步选定轴承选择单列圆锥滚子轴承32207。5）求轴上的载荷 首先根据结构图作出轴的计算简图,根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。如图：水平面上支反力： ，垂直面上支反力： ，水平面上弯矩： MH84523.51 Nmm垂直面上弯矩： MV1=-104076.07 Nmm ，MV2=95975.53Nmm弯矩合成： M1=134074.80 Nmm ，M2=127888.72 Nmm作扭矩图， T20000Nmm，如上图。6）按弯曲扭转合成应力校核轴的强度取=0.6,轴的计算应力=2.05MPa由蜗杆

25、的设计可知选定轴的材料为45钢。查表15-1得=275，因此 ，此轴合理安全。 4.7 轴承校验与计算所选轴承32207，查询机械设计手册得到：基本额定动载荷：Cr70.5kN基本额定静载荷：C0r89.5kNY=1.6，e=0.35。计算得F(r1)=979.37N，F(r2)=465.22N；F（d1）=979.37/(21.6)=306.07N，F(d2)=465.22/(21.6)=145.38N；轴向力 F（a）=F(a2)-F(a1)=5001.29-80.63=4920.66N；F(a)+F(d2)=4920.66+145.38=5066.04>F（d1）所以左端压紧，右端

26、放松，所以F（a1）=4920.66N，F（a2）=145.38N。取f(p)=1.1，因为 F（a1）/F(r1)=4920.66/979.37=5.024>e。则 X=0.4，Y=1.6，得左边的轴承的当量动载荷PX×FrY×FaP（1）=9091.27N因为F（a2）/F(r2)=145.38/465.22=0.31<e所以X=1，Y=0。P（2）=511.742N。根据4.P319公式135，得： (因为是圆锥滚子轴承，其中取)，Lh左边轴承48074.41h>L0=38400h。故轴承符合要求。4.8 输出轴的设计4.8.1.输出轴上的转速n3=

27、10.32r/min和转矩T3=620.16N·m.求作用在齿轮上的力。涡轮大齿轮分度圆直径为 D3=248mm Ft=5001N Fr=Ft·=5001×tan20° =1820N Fa=500N4.8.2确定最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理。由表15-3，取Ao=112，于是得 =Ao =115× =31.2mm ×（1+5）=32.76mm 输出轴的最小直径是回转台，考虑轴肩的高度要求，为使到所选的轴直径与轴承的孔径相适应，需同时选定轴承的型号。考虑到轴承需要承受轴向力，为此初步选择圆锥滚子轴承，型号为32208，其内径

28、大小为=40mm，故接回转台的轴的直径大小选择=35mm4.8.3轴的结构设计4.8.4 求轴上的载荷首先根据轴的结构图画出轴上的载荷分析图。因为轴较长，取轴的中点为计算支点，AB=65mm，BC=85mm根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面B是轴的危险截面。现将计算出的截面C处的、 、T及 M的值列于下表载荷水平面H垂直面V支反力F=2834N，=2167N=1445N，=375N最大弯矩M=184210 N·mm=93925 N·mm，=31925 N·mm总弯矩=206773 N·mm =186955

29、N·mm扭矩T=620160N·mm4.8.5按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时通常只校核承受最大弯矩核最大扭矩的截面（即危险截面B的强度） 根据1式15-5及表115-4中的取值，且0.6（式中的弯曲应力为脉动循环变应力。当扭转切应力为静应力时取0.3；当扭转切应力为脉动循环变应力时取0.6）= =46.7Mpa前已选定轴的材料为45号钢，由轴常用材料性能表查得-1=60MPa因此ca<-1，故安全。4.9轴承设计与校核对于圆锥滚子轴承32208，查询机械设计手册得到：基本额定动载荷Cr77.8kN、基本额定静载荷C0r77.2Kn、系数Y=1.6、e=0.37两

30、轴承的径向载荷：Fr1=3181N.Fr2=2199N两轴承的派生轴向力为：Fd1=994N ； Fd2=687N因为Fa+ Fd2=500+678=1187N> Fd1=994，故轴承受到向下的压力，轴承上松下紧。则：Fd1= Fa+Fd2=1187N ； Fd2=687N求轴承的当量载荷，取载荷系数为=1.5因为Fa1/Fr1=1187/3181=0.373>e0.37,经查表，得X1=0.4,Y1=1.6因为Fa2/Fr2=687/2199=0.312>e0.37，经查表，得X2=1，Y2=0则：P1=(X1Fr1+Y1Fa1)=1.5(0.43181+1.61187)

31、=4757.4NP2=(X2Fr2+Y2Fa2)=1.52199=3298.5终上所述，取P=P1=4757.4 N根据轴承寿命公式135，得：=故轴承符合要求。4.10键的选择根据该轴段的直径，选择键的截面尺寸为bh=14mm9mm，选择键的长度为L=56mm。键的材料跟轴一样，选择45号钢，经查表得其挤压应力=140，<=140。可见，挤压强度足够，满足要求。5 PLC 控制硬软件设计5.1 工艺要求及动作流程六工位组合机床完成装卸、铣端面、打中心孔、钻孔、扩孔以及铰孔加工。控制系统共有连续全自动工作循环、单机半自动循环和手动循环三种工作方式。本PLC设计采用单机半自动循环，即工作台每回转一圈，就停止。控制对象为: 步进电机，气阀。因为各控制对象所处地理位置比较集中，固定, 各个工位之间相隔60°,且相互之间的动作存在一定的顺序关系, 所以采用集中式控制系统, 用一台PLC控制多台设备。5.2