插床機構的設計

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1、機械原理課程設計 計算說明書 課題名稱：插床機構的設計 姓名：張超 院別：工學院 學號： 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班級：機設1201班 指導教師：魏原芳 2014年6月7日 工學院課程設計評審表 學生姓名 張超專業(yè)機械設計動造及其自年級2級2學號 2012010803 設計題目 插床機構設計 評價內容 評價指標 評分 權值 評定 成績 業(yè)務水平 有扎實的基礎理論知識和專業(yè)知識；能正確設計機構運動方案 （或正確建立數(shù)學模型并運用 matlab進行仿真）；對所設計機 構的特定位置進行運動分析和動態(tài)靜力分析。獨立進行設計工 作，能運用所學知識和技

2、能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題；能正確處 理設計數(shù)據(jù)；能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。 40  論文（設 計說明 書、圖紙） 質量 論述充分，結論嚴謹合理；設計方法正確，分析處理科學；文 字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范， 圖表完備、整潔、正確；圖紙繪制符合國家標準；計算結果準 確；工作中有創(chuàng)新意識；對前人工作有改進或突破，或有獨特 見解。 40 工作 量、 工作態(tài)度 按期完成規(guī)定的任務，工作量飽滿，難度較大；工作努力，遵 守紀律；工作作風嚴謹務實。 20 合計 100 指導 教師 評語 設計目錄 1機械原理課程設計

3、任務書 4 1.1課程設計的目的和任務 4 1.2機構簡介與設計數(shù)據(jù) 4 1.3設計內容 6 1.4設計步驟和要求 6 2機構簡介與設計數(shù)據(jù)設計 7 1.1插床簡介 ..….…..…7 1.2 設計數(shù)據(jù) ..…..…..8 3插床機構的設計及尺寸計算 9 3、1曲柄導桿機構的設計及尺寸計算 9 3、2用圖解法進行機構的運動分析 14 3、3用圖解法進行機構的動態(tài)靜力分析 18 4凸輪機構設計 21 ?心得與體會 22 ?參考文獻 ::: 23 機械原理課程設計任務書 學生姓名張超班級1201學號位置10 設計題目一：插床機構設計及分

4、析 一、 課程設計的目的和任務 1. 課程設計的目的 機械原理課程設計是機械原理教學的一個重要組成部分。 機械原理課程設計 的目的在于進一步鞏固和加深學生所學的機械原理理論知識， 培養(yǎng)學生獨立解決 實際問題的能力，使學生對機械的運動學和動力學的分析和設計有一較完整的概 念，并進一步提高電算、繪圖和使用技術資料的能力，更為重要的是培養(yǎng)開發(fā)和 創(chuàng)新機械的能力。 2. 、課程設計的任務 用圖解法對插床的連桿機構進行運動分析和動力分析，設計凸輪機構。要求 畫出A1圖紙一張，寫出計算說明書一份。 二、 機構簡介與設計數(shù)據(jù) 1?插床主要由齒輪機構、導桿機構和凸輪機構等組成，如圖 1所示。

5、電動機 經過減速裝置（圖中只畫出齒輪 呂、Z2）使曲柄1轉動，再通過導桿機構1 -2 —3-4- 5- 6,使裝有刀具的滑塊沿導路作往復直線運動，以實現(xiàn)刀具切削運動。 為了縮短空行程時間，提高生產效率，要求刀具具有急回運動。刀具與工作臺之 間的進給運動，是由固結于軸02上的凸輪驅動擺動從動件 O4D和其他有關機構 （圖中未畫出）來完成的。為了縮短空回形成時間，提高生產效率，要求刀具有 急回運動。 在工作行程中，刀具上作用有相當大的切削阻力，在切削行程的前后各有一 段0.05H（H為刀具行程）行程，如圖2所示。而在空回行程中則沒有切削阻力， 因此在一個工作循環(huán)中，刀具受力變化很大，從而影響了

6、主軸的勻速運轉，為減 小主軸的速度波動，需采用飛輪調速，以減小電動機容量和提高切削質量。 插床機構簡圖如圖1所示，題目數(shù)據(jù)列于表1。 圖1插床機構簡圖 F | ■ max Sc 0.05 0.05 H 圖2插刀阻力曲線 2.設計數(shù)據(jù)見表1 表1設計數(shù)據(jù) 設計內容 導桿機構的設計及運動分析 符號 n1 K l BC/l O3A LO2O3 a b c H Z1 單位 r/min mm 數(shù)據(jù) 60 2 1 150 50 50 125 100 13 設計內容 導桿機構

7、的動態(tài)靜力分析 凸輪機構的設計 符號 Z2 G3 G5 Js3 Fr 書max LO2O4 IO4D 單位 N kg/m2 mm N 0 mm 數(shù)據(jù) 40 160 320 0.14 120 1000 15 147 125 設計內容 凸輪機構的設計 符號 r0 rT 50 5 01 5 ' 5 02 從動桿運 動規(guī)律 單位 0 等加速等 數(shù)據(jù) 61 15 60 10 60 230 減速 在導桿機構中，有30個連續(xù)等分的1?30個位置，其中工作上極限位置為

8、1, 在本方案中行程速比系數(shù)為k=2,使等分位置21與工作行程的下極限位置重合。 刀具距上下極限位置0.05H時曲柄所在位置為3'和18'?？偣?2個位置，插床機 構中曲柄位置分布如圖3所示。 圖3插床機構中曲柄位置圖 三、 設計內容 四、 設計步驟和要求 1)設計步驟 1、 設計導桿機構。按已知條件確定導桿機構各未知數(shù)，其中滑塊 5的導路 位置可根據(jù)連桿4傳力給滑塊5最有利條件來確定，即導路應位于B點所畫圓弧 高的平分線上。 2、 做機構運動簡圖。選取長度比例尺 (i=O(m/s)/mm，先用虛線繪出機構極 限位置1,然后用粗線畫出所分配位置的機構運動簡圖，并確定當前位置 C點

9、位 移sc0 3、 做運動分析。選取速度比例尺 w=(m/s)/mm速度、加速度比例尺 w=(m/s2)/mm，用相對運動圖解法作分配位置的速度多邊形和加速度多邊形，確 定當前位置C點速度vc和加速度ac及根據(jù)速度和加速度影像求各構件重心的速 度vs和加速度as。 4、 確定阻力。根據(jù)切削阻力曲線，將所分析位置相應的切削阻力。 5、 計算導桿的慣性力和慣性力偶矩以及滑塊的慣性力，并將導桿的慣性力 和慣性力偶矩合成為一個總慣性力，同時求出該力至重心的距離。 6、 動態(tài)靜力分析。將機構拆分為若干基本桿組，以桿組為分離體，畫出作 用在其上的所有外力，然后取力比例尺 g=N/mm，用力多邊形

10、或力矩平衡方程 求各運動副反力和曲柄上的平衡力矩 Mb。 7、 凸輪機構設計 繪制從動桿的運動線圖，畫出凸輪實際輪廓曲線。 以上作圖部分畫在圖紙上，同時整理說明書。 2）設計要求 1繪圖問題 A1圖紙一張，A1圖紙1張，繪圖工具一套。 2、 繪圖要求 作圖準確，布置勻稱，比例尺合適，圖面整潔，線條尺寸應符合國家標準。 3、 計算說明書要求 計算程序清楚，敘述簡要明確，文字通順，書寫端正。 任務分配 位置 2 4 6 8 10 12 14 16 18 18 ' 學號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 位置 20 22

11、 學號 11 12 、機構簡介與設計數(shù)據(jù) 1、插床機構簡介 插床是一種用于工件內表面切削加工的機床。 主要有齒輪機構、導桿 機構和凸輪機構等組成，如下圖1-1a所示。電動機經過減速器裝置 （圖中只畫出齒輪z1、z2）使曲柄1轉動，再經過導桿機構1-2-3-4-5-6, 使裝有刀具的滑塊沿導路y-y作往復運動，以實現(xiàn)刀具的切削運動， 刀具與工作臺之間的進給運動，是由固結于軸 02上的凸輪驅動擺動 從動件04D和其他有關機構（圖中未畫出）來完成的。為了縮短空 行程時間，提高效率，要求刀具有急回運動。圖 1-1b

12、所示為阻力線 a) 圖1-1 b) 圖1-1 2、設計數(shù)據(jù) 設計數(shù)據(jù)見表1-1 表1-1設計數(shù)據(jù) 圖3-30插床機插床機構運動 分組 1 2 3 4 插刀往復次數(shù)n （次/min ） 30 60 90 120 插刀往復行程H （mm 100 120 90 60 插削機構行程速比系數(shù)K 2 2 2 2  中心距Lo2o3(mm) 160 150 140 130 桿長之比L(BC)/L(o3B) 1 1 1 1 凸輪擺桿長度Lo4d(mm) 125 125 125 125 凸輪擺桿行程角

13、書(° ) 15 15 15 15 推程許用壓力角[a ]( ° ) 45 45 45 45 推程運動角S 0( ° ) 60 90 60 90 回程運動角S 0'( ° ) 90 60 90 60 遠程休止角S 01( ° ) 10 15 10 15 速度不均勻系數(shù)S 0.03 0.03 0.03 0.03 最大切削阻力Q(N) 2300 2200 2100 1000 阻力力臂d(mm) 150 140 130 120 滑塊5重力G5(N) 320 340 330 320 構件3重力G3(N) 160

14、 140 130 120 構件3轉動慣量J3(kg*m2) 0.14 0.11 0.1 0.1 三、插床機構的設計及尺寸計算 1、曲柄導桿機構的設計及尺寸計算 圖1-2機構運動結構簡圖 已知 QO2=150mm, BC/BO2 1，行程 H=100mm,行程比系數(shù) K=2， 根據(jù)以上信息確定曲柄OiA, BC, BO2長度，以及。2到YY軸的距離。 (1)、OiA長度的確定 圖1-2a)曲柄OiA長度的確定 具體計算過程如下： 由 K (1800 )/(1800 )，得極位夾角： 600 , 首先做出曲柄的運動軌跡，以Oi為圓心，OiA為半徑作圓，由圖

15、知，隨著曲柄的轉動，當O2A轉到O2A時，與圓相切于上面，刀具處 于下極限位置；當O?A轉到O2A2，與圓相切于下面時，刀具處于上極 限位置。 于是可得，O2A與O2A2得夾角即為極為夾角 600 由幾何關系知， AOQ A2O1O2， 于是可得， A1O1O2 A2O1O2 60°， 由幾何關系可得： 0人 cos ?。1。2 代入數(shù)據(jù)，O1O2 = 150mm, 600，得 O1A 75mm 1刀具上極限 △0護出衛(wèi)足尊邊三角形 色比6。是平行四邊形 曲 柄 長 度 為 75 mm H-100 刀具下極農 即 ⑵、桿BC、BO2的長度的確定 圖1-2b

16、）桿BC、BO2長度的確定 由圖1-2b）得知，刀具處于上極限位置C2和下極限位置Ci時, C1C2長度即為最大行程 H=100 mm， 即有 CiC2=100mm。 在確定曲柄長度過程中，可知， A1O1O2 A2O1O2 600， 那么可得， B1O2B2 60°， 故可知， Bi B2O2為等邊三角形。 又由幾何關系可知， B1B2C2C1為平行四邊形， '■ B2B1 C2G, 又由上知， B1B2O2為等邊三角形， 于是 B1O2 B2B1， 那么可得， B2O2 100mm, 即 BO2 100mm 已知，B1O2 B2B1 , 于是可

17、知， 即桿的長度為BC BO2 100mm。 (3)、O2到YY軸的距離的確定 圖1-2c) O2到YY軸的距離的確定 I 給 由圖1-2c)我們可以看出，YY軸由移動到丫3丫3過程中，同一點 的壓力角先減小，后又增大，那么在中間某處必有一個最佳位置，使 得每個位置的壓力角最佳。 那么我們考慮以下兩個位置: ① 、當YY軸與圓弧B2B1剛相接觸時，即圖3中左邊的那條點化線， 與圓弧B2 Bi相切與B1點時，當B點轉到B2,Bi，將會出現(xiàn)最大壓力角。 ② 、當YY軸與B2B1重合時，即圖中右邊的那條點劃線時， B點轉 到 B1 時將出現(xiàn)最大壓力角。 為了使每一點的壓力角

18、都為最佳， 我們可以選取 YY 軸通過 CB1 中點（C點為O2BI與B2B1得交點）。 又根據(jù)幾何關系可知， 由上易知， B2O2C 300 ，代入相關數(shù)據(jù)得， l 93.3mm 即02到YY軸的距離為93.3mm。 綜上，插床主體設計所要求的尺寸已經設計完成。選取 1:2 的比 例尺，畫出圖形如附圖 A1 紙上機構簡圖所示。 2、用圖解法進行機構的運動分析 已知w 60r/m，逆時針旋轉，由作圖法求解位移，速度，加速度。規(guī) 定位移、速度、加速度，插刀處于上極限位置時位移為 0。 （ 1）、速度分析 由已知從圖中可知，VA2與6A垂直，Va3A2與6A平行，Va3與6A 垂直

19、，由理論力學中不同構件重合點的方法可得， 其中，VA2是滑塊上與A點重合的點的速度，VA3A2是桿AOB上與 A點重合的點相對于滑塊的速度，Va3是桿AOB上與A點重合的速度。 又由圖知，vB與°2B垂直，Vcb與BC垂直，Vc與YY軸平行，有理論 力學同一構件不同點的方法可得： 其中，Vc是c點，即插刀速度，Vbc是C點相對于B點轉動速度， VB為B點速度。 又B點是桿件3上的一點，，桿件3圍繞°2轉動，且B點和桿件 與A點重合的點在°2的兩側，于是可得： 由圖量得°3民 111mm , 則可到得， 由已知可得， vA2 w O|A 2 75 471mm/s, 規(guī)定選取

20、比例尺丄=0.0047m ? $ 1 /mm, 則可得矢量圖如下： 圖 1-4a)速度多邊形(-=0.0047m-s1 / mm) 最后量出代表vc的矢量長度為43mm, 于是可得,vc=0.202m/s即曲柄轉過108°時，插刀的速度為0.202m/so (2)、加速度分析 由理論力學知識可得矢量方程： k r A3 A2 A3A2 A3A2 大小 ？ ？ 方向 ？ 其中，A2是滑塊上與A點重合點的加速度， A2 - OA4 75 2957.88mm/s2，方向由 A指向 °1 ； A3A2 是科 氏加速度， A3A2 2 3 vA3A2 335

21、 .96 mm /s2 （其中 gg2 大小均從速度多邊形中量得），q方向垂直°2A4向下；；3A2是A4相 n 對于滑塊的加速度，大小位置，方向與 °2A4平行；A3A2是C點相 對于B點轉動的向心加速度， A3°2=vCb/BC 458.8mm /s2，方向過 t 由C指向B ； A3°2是C點相對于b點轉動的切向加速度，大小位 置，方向垂直BC。次矢量方程可解，從而得到 A3。 B時桿AOB上的一點，構AOB圍繞°2轉動，又A4與b點在 °2的兩側，由t R, n 2R（是角加速度）可得 量出°2A4則可得到 B的大小和方向。 又由理論力學，結合圖可得到， 其中，

22、aB在上一步中大小方向都能求得； n cb是C相對于B點轉動的向心加速度 aCB vBc / BC 917.6mm/s2， 方向由C點指向B點； Cb是C相對于B點轉動的切向加速度，大小未知，方向與 BC 垂直。 矢量方程可解，從而可得到 C點，即插刀的加速度。取比例尺 =0.0296m?s 2 / mm，可得加速度矢量圖如下： 圖 1-4（b）加速度多邊形（UA=0.0296m?s2/mm ） 由圖（1-4b）直尺量的a3長度為30mm,于是可得a3?0.888m/s2。即當 曲柄轉過108°時，插刀的加速度為0.888m/s2。 3、用圖解法進行機構的動態(tài)靜力分析

23、根據(jù)運動分析的結果，按照下列步驟用圖解法對插床主執(zhí)行機構的一個位置進行 動態(tài)靜力分析。 1）、計算慣性力和慣性力矩 導桿3的慣性力和慣性力矩為： F=5.98N, Mj=1.22kgm。慣性力作用在質心 雖上。 2、動態(tài)靜力分析 1） 由桿組4的受力圖和力的平衡條件可得： 其中？為構件4與豎直方向的夾角。解方程可以求得和，取合適的力比例尺 R5 20N, R34 141N F=10N/mm 作出力多變形。 2） 由桿組3的受力圖和平衡條件可得： 解方程式可得。 在對03點取距： 其中，11為R43到03點的垂直距離，12為G3到03點的垂直距離，13為Fi3 到03點的

24、垂直距離，14為FA02到03點的垂直距離。求得： FAO2=387.98N 取合適的力比例尺 F =10N/mm作出力多變形。 3） 由曲柄1的受力圖和平衡條件得： 式中，h是力R21對點A力臂的圖示長度。根據(jù)方程式可求得平衡力矩 四、凸輪機構的設計及尺寸計算 利用作圖法按給定運動規(guī)律設計凸輪輪廓曲線，具體設計步驟： ⑴繪制從動件的運動線圖，由已知旣祚」亢?、一. =60、.丄 「、 -=60 S g評，可畫出其運動規(guī)律，如下圖所示： 圖1-2d）從動件的運動線圖 ⑵畫出凸輪實際輪廓曲線，根據(jù)圖1-2d ）運動規(guī)律，由已知數(shù)據(jù)，利 心得體會 作為一名機械設計制

25、造及其自動化大二的學生，我覺得能做這樣的課程設計 是十分有意義。 時光飛逝，一轉眼，課程設計也接近的尾聲?說起課程設計，在這次實踐的過 程中學到了一些除技能以外的其他東西，領略到了別人在處理專業(yè)技能問題時顯 示出的優(yōu)秀品質，更深切的體會到人與人之間的那種相互協(xié)調合作的機制，最重要 的還是自己對一些問題的看法產生了良性的變化 .?? 在社會這樣一個大群體里面，溝通自然是為人處世的基本，如何協(xié)調彼此的關 系值得我們去深思和體會?在實習設計當中依靠與被依靠對我的觸及很大，有些人 很有責任感，把這樣一種事情當成是自己的重要任務，并為之付出了很大的努力， 不斷的思考自己所遇到的問題.而有些人則不以為

26、然，總覺得自己的弱勢 …..其實 在生活中這樣的事情也是很多的，當我們面對很多問題的時候所采取的具體行動 也是不同的，這當然也會影響我們的結果 很多時候問題的出現(xiàn)所期待我們的是一 種解決問題的心態(tài)，而不是看我們過去的能力到底有多強，那是一種態(tài)度的端正和 目的的明確，只有這樣把自己身置于具體的問題之中，我們才能更好的解決問題.? 我認為最重要的就是做好設計的預習，認真的研究老師給的題目，其次，老 師對題目的講解要一絲不茍的去聽去想， 因為只有都明白了，做起設計就會事半 功倍，如果沒弄明白，就迷迷糊糊的去選題目做設計，到頭來一點收獲也沒有。 在這兩周來，也暴露了自己很多問題，第一、不夠細心比如由

27、于粗心大意把最基 本的東西遺忘了，由于對實物不熟悉導致設計起來很費力。 第二，是在學習態(tài)度 上,這次課設是對我的學習態(tài)度的一次檢驗。 我的第一大心得體會就是作為一名 工程技術人員，要求具備的首要素質絕對應該是嚴謹。我們這次課程設計所遇到 的多半問題多數(shù)都是由于我們不夠嚴謹。第三，在做人上，我認識到，無論做什 么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力與決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就 沒有什么辦不到的。 在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動 手能力。 為了讓自己的設計更加完善， 更加符合工程標準， 一次次翻閱機械設計書是 十分必要的，同時也是必不可少的。 我們做的是課程設計， 而

28、不是藝術家的設計。 藝術家可以拋開實際， 盡情在幻想的世界里翱翔， 我們是工程師， 一切都要有據(jù) 可依. 有理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。 另外，課堂上也有部分知識不太清楚， 于是我又不得不邊學邊用， 時刻鞏固 所學知識，這也是我作本次課程設計的第二大收獲。 由于水平有限， 難免會有錯 誤，還望老師批評指正。 再次感謝老師的輔導以及同學的幫助，是他們讓我有了一個更好的認 識，無論是學習還是生活， 生活是實在的， 要踏實走路。課程設計時間雖然很短， 但我學習了很多的東西，使我眼界打開，感受頗深。 參考文獻 ① 《機械設計手冊》成大先主編化學工業(yè)出版社 ② 《機械原理》（第七版）鄭文緯吳克堅主編高等教育出版社 ③ 《機械原理課程設計》第二版陸鳳儀主編機械工業(yè)出版社 ④ 《機械原理課程設計手冊》鄒慧君主編高等教育出版社 ⑤ 《機械設計學》黃靖遠主編機械工業(yè)出版社