插床机构的设计

机械原理课程设计计算说明书课题名称：插床机构的设计姓名：张超院别：工学院学号：2012010803专业：机械设计制造及其自动化班级：机设1201班指导教师：魏原芳2014年6月7日工学院课程设计评审表学生姓名张超专业机械设计制造及其自动化年级2012级学号2012010803设计题目插床机构设计评价内容评价指标评分权值评定成绩业务水平有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计机构运动方案（或正确建立数学模型并运用matlab进行仿真）；对所设计机构的特定位置进行运动分析和动态静力分析。独立进行设计工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理设计数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。40论文（设计说明书、图纸）质量论述充分，结论严谨合理；设计方法正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；图纸绘制符合国家标准；计算结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。40工作量、工作态度按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。20合计100指导教师评语设计目录1机械原理课程设计任务书……………………………………………………41.1课程设计的目的和任务………………………………………………………41.2机构简介与设计数据………………………………………………………41.3设计内容……………………………………………………………………61.4设计步骤和要求………………………………………………………………62机构简介与设计数据设计……………………………………………………71.1插床简介………………………………………………………..….…..…71.2设计数据…………………………………………………………..…..…..83插床机构的设计及尺寸计算…………………………………………………93、1曲柄导杆机构的设计及尺寸计算…………………………………………93、2用图解法进行机构的运动分析………………………………………………143、3用图解法进行机构的动态静力分析…………………………………………184凸轮机构设计……………………………………………………………………21．心得与体会………………………………………………………………………22．参考文献..............................................................................................…………23机械原理课程设计任务书学生姓名张超班级1201学号2012010803位置10设计题目一：插床机构设计及分析一、课程设计的目的和任务1.课程设计的目的机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要组成部分。机械原理课程设计的目的在于进一步巩固和加深学生所学的机械原理理论知识，培养学生独立解决实际问题的能力，使学生对机械的运动学和动力学的分析和设计有一较完整的概念，并进一步提高电算、绘图和使用技术资料的能力，更为重要的是培养开发和创新机械的能力。2.、课程设计的任务用图解法对插床的连杆机构进行运动分析和动力分析，设计凸轮机构。要求画出A1图纸一张，写出计算说明书一份。二、机构简介与设计数据1.插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图1所示。电动机经过减速装置（图中只画出齿轮1z、2z）使曲柄1转动，再通过导杆机构1－2－3－4－5－6，使装有刀具的滑块沿导路作往复直线运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空行程时间，提高生产效率，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2O上的凸轮驱动摆动从动件O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空回形成时间，提高生产效率，要求刀具有急回运动。在工作行程中，刀具上作用有相当大的切削阻力，在切削行程的前后各有一段0.05H（H为刀具行程）行程，如图2所示。而在空回行程中则没有切削阻力，因此在一个工作循环中，刀具受力变化很大，从而影响了主轴的匀速运转，为减小主轴的速度波动，需采用飞轮调速，以减小电动机容量和提高切削质量。插床机构简图如图1所示，题目数据列于表1。图1插床机构简图2.设计数据见表1表1设计数据设计内容导杆机构的设计及运动分析符号n1KlBC/lO3ALO2O3abcHZ1单位r/minmm数据6021150505012510013设计内容导杆机构的动态静力分析凸轮机构的设计符号Z2G3G5JS3dFrψmaxLO2O4lO4D单位Nkg/m2mmN°mm数据401603200.14120100015147125设计内容凸轮机构的设计符号r0rTδ0δ01δ’0δ02从动杆运动规律单位mm°等加速等减速数据6115601060230在导杆机构中，有30个连续等分的1～30个位置，其中工作上极限位置为1，在本方案中行程速比系数为k=2，使等分位置21与工作行程的下极限位置重合。刀具距上下极限位置0.05H时曲柄所在位置为3’和18’。总共32个位置，插床机构中曲柄位置分布如图3所示。图3插床机构中曲柄位置图0.05H0.05HHScFmaxF图2插刀阻力曲线三、设计内容四、设计步骤和要求1）设计步骤1、设计导杆机构。按已知条件确定导杆机构各未知数，其中滑块5的导路位置可根据连杆4传力给滑块5最有利条件来确定，即导路应位于B点所画圆弧高的平分线上。2、做机构运动简图。选取长度比例尺μl=0(m/s)/mm，先用虚线绘出机构极限位置1，然后用粗线画出所分配位置的机构运动简图，并确定当前位置C点位移sC。3、做运动分析。选取速度比例尺μv=(m/s)/mm速度、加速度比例尺μv=(m/s2)/mm，用相对运动图解法作分配位置的速度多边形和加速度多边形，确定当前位置C点速度vc和加速度ac及根据速度和加速度影像求各构件重心的速度vs和加速度as。4、确定阻力。根据切削阻力曲线，将所分析位置相应的切削阻力。5、计算导杆的惯性力和惯性力偶矩以及滑块的惯性力，并将导杆的惯性力和惯性力偶矩合成为一个总惯性力，同时求出该力至重心的距离。6、动态静力分析。将机构拆分为若干基本杆组，以杆组为分离体，画出作用在其上的所有外力，然后取力比例尺µN=N/mm，用力多边形或力矩平衡方程求各运动副反力和曲柄上的平衡力矩Mb。7、凸轮机构设计绘制从动杆的运动线图，画出凸轮实际轮廓曲线。以上作图部分画在图纸上，同时整理说明书。2）设计要求1、绘图问题A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。2、绘图要求作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应符合国家标准。3、计算说明书要求计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。任务分配位置2468101214161818‘学号12345678910位置2022学号1112二、机构简介与设计数据1、插床机构简介插床是一种用于工件内表面切削加工的机床。主要有齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如下图1-1a所示。电动机经过减速器装置（图中只画出齿轮z1、z2）使曲柄1转动，再经过导杆机构1-2-3-4-5-6，使装有刀具的滑块沿导路y-y作往复运动，以实现刀具的切削运动，刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O2上的凸轮驱动摆动从动件O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空行程时间，提高效率，要求刀具有急回运动。图1-1b所示为阻力线图。a）图1-1ABCDHO2xdbO1O3ca123456n2n1z1z2yyQS5S1图3-30插床机插床机构运动方案构运动方案示意图b)图1-12、设计数据设计数据见表1-1。表1-1设计数据分组1234插刀往复次数n（次/min）306090120插刀往复行程H（mm）1001209060插削机构行程速比系数K2222中心距Lo2o3(mm)160150140130杆长之比L(BC)/L(o3B)1111凸轮摆杆长度Lo4d(mm)125125125125凸轮摆杆行程角ψ(°)15151515推程许用压力角[α](°)45454545推程运动角δ0(°)60906090回程运动角δ0'(°)90609060远程休止角δ01(°)10151015速度不均匀系数δ0.030.030.030.03最大切削阻力Q(N)2300220021001000阻力力臂d(mm)150140130120滑块5重力G5(N)320340330320构件3重力G3(N)160140130120构件3转动惯量J3(kg*m2)0.140.110.10.1三、插床机构的设计及尺寸计算1、曲柄导杆机构的设计及尺寸计算图1-2机构运动结构简图已知21OO=150mm，1/2BOBC，行程H=100mm，行程比系数K=2，根据以上信息确定曲柄,1AO2,BOBC长度，以及2O到YY轴的距离。（1）、AO1长度的确定图1-2a）曲柄AO1长度的确定具体计算过程如下：由)180/()180(00K，得极位夹角：060，首先做出曲柄的运动轨迹，以1O为圆心，AO1为半径作圆，由图知，随着曲柄的转动，当AO2转到12AO时，与圆相切于上面，刀具处于下极限位置；当AO2转到22AO，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得，12AO与22AO得夹角即为极为夹角060。由几何关系知，212211OOAOOA，于是可得，021221160OOAOOA，由几何关系可得：2111cosOOAO代入数据，21OO=150mm，060，得mmAO751即曲柄长度为75mm。（2）、杆2BOBC、的长度的确定图1-2b）杆2BOBC、长度的确定由图1-2b）得知，刀具处于上极限位置2C和下极限位置1C时，21CC长度即为最大行程H=100mm，即有21CC=100mm。在确定曲柄长度过程中，可知，021221160OOAOOA，那么可得，022160BOB，故可知，221OBB为等边三角形。又由几何关系可知，1221CCBB为平行四边形，1212CCBB，又由上知，221OBB为等边三角形，于是1221BBOB，那么可得，mmOB10022,即mmBO1002已知，1221BBOB，于是可知，mmBOBC1002即杆的长度为mmBOBC1002。（3）、2O到YY轴的距离的确定图1-2c）2O到YY轴的距离的确定由图1-2c）我们可以看出，YY轴由3311yyyy移动到过程中，同一点的压力角先减小，后又增大，那么在中间某处必有一个最佳位置，使得每个位置的压力角最佳。那么我们考虑以下两个位置：B1①、当YY轴与圆弧12BB刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧12BB相切与B1点时，当B点转到12,BB，将会出现最大压力角。②、当YY轴与12BB重合时，即图中右边的那条点划线时，B点转到B1时将出现最大压力角。为了使每一点的压力角都为最佳，我们可以选取YY轴通过CB1中点（C点为12BO与12BB得交点）。又根据几何关系可知，2/)cos(cos22222222COBBOBOCOBBOl由上易知，02230COB，代入相关数据得，mml3.93即2O到YY轴的距离为93.3mm。综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成。选取1:2的比例尺，画出图形如附图A1纸上机构简图所示。2、用图解法进行机构的运动分析已知mrw/60，逆时针旋转，由作图法求解位移，速度，加速度。规定位移、速度、加速度，插刀处于上极限位置时位移为0。（1）、速度分析由已知从图中可知，2AV与AO2垂直，23AAV与AO2平行，3AV与AO2垂直，由理论力学中不同构件重合点的方法可得，AOBAAOlwAAAAAovvv231//:??:22332方向大小其中，2AV是滑块上与A点重合的点的速度，23AAV是杆AOB上与A点重合的点相对于滑块的速度，3AV是杆AOB上与A点重合的速度。又由