机械原理课程设计插床机构

插床机构设计

目录

题目及设计要求 ............................................................................................................................... 2

一、设计题目 ........................................................................................................................... 2 二、设计数据与要求 ............................................................................................................... 3 三、设计任务 ........................................................................................................................... 3 设计： .............................................................................................................................................. 4

一、确定各构件的运动尺寸，绘制机构简图 ....................................................................... 4

1、插削机构的设计： ..................................................................................................... 4 2、送料机构（凸轮机构）的设计： ............................................................................. 4 二、假设曲柄1等速转动，画出滑块C的位移和速度的变化规律曲线（插削机构的运动学分析） ............................................................................................................................... 9

1）位置分析 ..................................................................................................................... 9 2）角速度分析 ............................................................................................................... 10 3）角加速度分析 ........................................................................................................... 10 三、在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图2所示，在不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件，分析曲柄所需的驱动力矩 ............................................. 14 四、确定电动机的功率和转速。 ......................................................................................... 16 五、取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量。 ............................. 17 六、感想与建议。 ................................................................................................................. 17 七、参考文献。 ..................................................................................................................... 17

题目及设计要求

一、设计题目

插床是常用的机械加工设备，用于齿轮、花键和槽形零件等的加工。图6－15为某插床机构运动方案示意图。该插床主要由带转动、齿轮传动、连杆机构和凸轮机构等组成。电动机经过带传动、齿轮传动减速后带动曲柄1回转，再通过导杆机构1－2－3－4－5－6，使装有刀具的滑块沿道路y－y作往复运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空程时间，提高生产率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴轮驱动摆动从动件

上的凸

和其他有关机构（图中未画出）来实现的。画出）来实现的。

Q图3-30 插床机构运动方案示意图

针对图3-30所示的插床机构运动方案，进行执行机构的综合与分析，并进行传动系统结构设计。

二、设计数据与要求

依据插床工况条件的限制，预先确定了有关几何尺寸和力学参数，如表6－4所示。要求所设计的插床结构紧凑，机械效率高。

表6－4 插床机构设计数据

三、设计任务

1. 针对图1所示的插床的执行机构（插削机构和送料机构）方案，依据设计要求和已知参数，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图； 2. 假设曲柄1等速转动，画出滑块C的位移和速度的变化规律曲线；

3. 在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图6－16所示，在不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩；

4. 确定电动机的功率与转速；

5. 取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量；

图3-31 插刀所受阻力曲线

6. 编写课程设计说明书； 7. 感想与建议。

设计：

一、确定各构件的运动尺寸，绘制机构简图

1、插削机构的设计：

由题知：杆1的极位夹角为 θ=180*（K-1）/（K+1）； 故有

ìl1=lo2o3sin(q)ïïí ïl=l=H/2/sin(q)ïî34

为了使构件4对构件5的平均传动角比较大，故应有：

则可得：

x-l3cos(q)=l3-x

ìx=l3(1+cos(q))/2ïïí ïy=ïïî

所得数据如下：

2、送料机构（凸轮机构）的设计：

四种方案的推程运动规律：

22ìïj=2fd/d0ïïïw=4fwd/d2

í10

1、 等加速等减速ïï22ïa=4fw/d10ïî

ìïïïj=e[1-cos(pd/dï0)]/22、 余弦íïw=pfwï1sin(pd/d0)/(2d0)

ïïîa=p2fw2cos(pd/d2

10)/(2d0)

ìïïïj=f[(d/dï0)-sin(2pd/d0)/(2p)]3、 正弦íïw=fwï1[1-cos(2pd/d0)]/d0

ïïîa=

2pfw21sin(2pd/d0)/d2

04、 五次多项式

ìïïïj=C2345ï0+C1d+C2d+C3d+C4d+C5díïw=Cw+2Cwd+3Cwd2+4Cwd3+5Cï112131415w1d4

ïïî

a=2C2222232w1+6C3w1d+12C4w1d+20C5w1d回程运动规律：

ìïïïj=f(1-d/dï0)íïïw=-fw1/d0ïïîa=0

修正后的等速回程

ìïïd01=15取íïïîf1

=d01f/(2d0-2d01)

正弦加速度加速阶段（d£10）：

ìïïïj=f+f1(-d/d01+sin(pd/d01)/p)ïíïïw=f1w1(cos(pd/d01)-1)/d01ïïîa=-pfw2211sin(pd/d01)/d01

等速阶段

ìj=f1+(f-f1)(1-(d-d01)/(d0-2d01))ïïïïíw=-(f-f1)w1/(d0-2d01)ï ïïïîa=0

正弦加速度减速阶段（d0-d 10）：

ìïj=f1((d0-d)/d01-sin(p(d0-d)/d01)/p)ïïïíw=f1w1(cos(p(d0-d)/d01)-1)/d01ï ï22ïïîa=pf1w1sin(p(d0-d)/d01)/d01

所得数据如下：

四种方案下的凸轮轮廓曲线如下：

第一组：

凸轮理论实际轮廓曲线（A）

60

40

20

y/mm

-20

-40

-60

-80-80

-60-40-20

x/mm

0204060

第二组：

凸轮理论实际轮廓曲线（B）

60

40

20

y/mm

-20

-40

-60-80

-60-40-20

x/mm

0204060

第三组：

凸轮理论实际轮廓曲线（C）

60

40

20

-20

-40

-60

-80-80

-60

-40

-20

20

40

60

x/mm

第四组：

凸轮理论实际轮廓曲线（D）

60

40

20

-20

-40

-60

-80-80

-60-40-20

0204060

x/mm

y/mm

y/mm

设计简图：

二、假设曲柄1等速转动，画出滑块C的位移和速度的变化规律曲线（插削机构的运动学分析）

1）位置分析

建立封闭矢量多边形

ìïïlO3O2+l

1=s3í ï（式1） l+l=x+y+sï5î34

将机构的封闭矢量方程式（1）写成在两坐标上的投影式，并化简整理成方程左边仅含未知量项的形式，即得：

ìs3cosq=lO3O2+l1cosq1ïïïïïs3sinq3=l1sinq1íïl3cos(p+q3)+l4cosq4=-x（式2） ïïïïïîl3sin(p+q3)+l4sinq4-s5=y

解上述方程组得：

ìïs=ï3ïïïlsinqïïq3=arctanílO3O2+l1cosq1ïïïq4=arccos[-x-l3cos(p+q3)]ïïïïïîs5=l3sin(p+q3)+l4sinq4-y

………………（式3）

2）角速度分析

分别将（式2）对时间取一次导数，可得

轾cosq3-s3sinq300犏犏sinq3s3cosq300犏犏0-l3sin(p+q3)-l4sinq40犏犏0l3cos(p+q3)l4cosq4-1臌

3）角加速度分析

分别将（式2）对时间取二次导数，可得加速度关系

'轾轾-l1sinq1s3犏犏

犏犏l1cosq1w3犏=w犏

1犏犏w4

犏犏0犏'犏0s犏5臌臌

……………………………………………………………………………（式4）

解之可得s3,ω3,ω4,s5。

轾cosq3犏犏sinq犏3犏0犏犏0臌

-s3sinq3s3cosq3l3cos(p+q3)

00l4cosq4

-l3sin(p+q3)-l4sinq4

''

0轾s3犏0犏w3

犏0犏w4

犏''

-1犏s犏5臌

轾-w3sinq3-ds3sinq3-s3w3cosq30犏犏w3cosq3ds3cosq3-s3w3sinq30犏=犏

-l3w3cos(p+q3)-l4w4cosq4

犏0犏0-l3w3sin(p+q3)-l4w4sinq4臌

'0轾s3犏0犏w3

犏0犏w4

犏'0犏s犏5臌

轾-l1w1cosq1

犏犏-l1w1sinq1犏+w1

犏0犏犏0臌

A组

………………………………………………………（式5）

采用高斯消去法可求解（式5）可解得角加速度dds3,α3,α4,dds5；

各方案滑块C的位移和速度变化规律曲线，即S5、S5’的变化规律如下图：

11

B组：

12

C组

D组

13

三、在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图2所示，在不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件，分析曲柄所需的驱动力矩

dJ2dTed-Ter=Je+w

dt2dj

Ter=

(Q+G5)Vs5

w1

G3Vs3

+

w1

Vs32w32Vs52

Je=m32+J32+m52

w1w1w1

dJedJedtdJe2m3Vs3as32Js3w3a32m5Vs5as5

===++22dtdjdtwdtw1w1w12

Ted=

(Q+G5)Vs5

w1

G3Vs3m3Vs3as3+w3J3a3+m5Vs5as5

++

w1w1

14

15

四、确定电动机的功率和转速。

等效构件（曲柄1）上所需平均功率：p=

1T*2p

邋TedDj=

136T

Ted

设减速机构中齿轮传动效率η1=0.95；带传动效率η2=0.9；查《机械设计手册》，选择的电

设计减速机构：传动比=额定转速/曲柄转速

16

五、取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量。

Ter=

(Q+G5)Vs5

w1

G3Vs3+

w1

136

Ted=Tediå36i=1

DWmax=Emax-Emin=JF矰Wmax

ò(T

f

er

-Ted)djf纬{jTer

(

Ted}

)

wm2[d])-

Je

所求飞轮转动惯量为：

六、感想与建议。

感想：在设计过程中采用分块设计方法可以使问题得到简化，如：１、将整个插床机构分为插削机构和送料机构，而插削机构又以六杆机构为主，依据插床工况条件的限制，题中预先确定了有关几何尺寸和力学参数，因此在满足所设计的插床结构紧凑，机械效率高的前提下设计了其他相应参数。设计送料机构凸轮时，由于回程角比较小，若为简单的等速回程过程，则会出现尖点失真现象，故设计时将将回程规律做了一定修正。2、电机选择时在满足高效率的前提下找到合适的传动比并通过查《机械设计手册》找到合适的电机。在此假设了机构的效率，电机等速特性等，以便简化问题，且同时其对设计目的影响较小。 在整个设计过程中我们在分析清楚题目要求后讨论最佳解法并通过编程来解决。先做好分析后着手做设计具体细节达到了事半功倍的效果。

另外由于知识的有限，将许多模型简化了也必将对设计造成一定负面影响。

建议：希望老师能在以后的课程设计过程中，能给大家讲解一些在设计时理应注意的相关问题，并给大家推荐一些设计书籍供学生参考学习，以保证我们的课程设计能达到预期的目的和要求。

七、参考文献。

《机械原理》第七版 西北工业大学教研室 编 高等教育出版社

《机械原理课程设计》 王淑仁 主编 北京-科学出版社2006 《C程序设计教程》 谭浩强 著 清华大学出版社

《MATLAB 5.x 程序设计语言》 楼顺天 陈生潭 雷虎民 编著 西安电子科技大学出版社

《机械设计手册》 成大先 主编 化学工业出版社

17