机械原理课程设计-插床机构设计.doc

机械原理课程设计 插床机构设计 0 插床机械设计 目目 录录 一、插床机械设计任务书.1 1、工作原理 .1 2、设计要求 .1 3、设计数据 .2 4、设计内容及工作量 .2 二、设计计算过程.4 (一). 方案比较与选择.4 1.方案 i.4 2.方案 ii.4 3.方案 iii.5 (二). 导杆机构分析与设计.6 1.机构的运动尺寸 .6 2.导杆机构的运动分析 .7 (三). 导杆机构的动态静力分析.9 (四). 凸轮机构设计.13 1.确定凸轮机构的基本尺寸 .13 2.凸轮廓线的绘制: .16 3.1：1 绘制所设计的机构运动简图.17 机械原理课程设计 插床机构设计 1 一、插床机械设计任务书一、插床机械设计任务书 1 1、工作原理、工作原理 插床机械系统的执行机构主要是由导杆机构和凸轮机构组成。下图为其参考示 意图，电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动曲柄 2 转动，再通过 导杆机构使装有刀具的滑块 6 沿导路 yy 作往复运动，以实现刀具的切削运动。 刀具向下运动时切削，在切削行程 h 中，前后各有一段 0.05h 的空刀距离，工 作阻力 f 为常数；刀具向上运动时为空回行程，无阻力。为了缩短回程时间， 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 o2 上的凸轮驱动摆动从动件和其它有关机构（图中未画出）来完成 do l 8 的。 2 2、设计要求、设计要求 电动机轴与曲柄轴 2 平行，使用寿命 10 年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。 允许曲柄 2 转速偏差为5。要求导杆机构的最小传动角不得小于 60；凸 轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件 8 的升、回程运动规律 均为等加速、等减速运动。执行构件的传动效率按 0.95 计算，系统有过载保护。 按小批量生产规模设计。 机械原理课程设计 插床机构设计 2 3 3、设计数据、设计数据 导杆机构运动分析 转速 n2（r/min） 力臂 d(mm)曲柄 lo2a(mm) 插刀行程 h(mm) 行程速比系数 k 46120761361.8 导杆机构运动动态静力分析 工作阻力 fmax(n) 导杆质量 m4(kg)滑块 6 质量 m6(kg) 导杆 4 质心转动惯量 js4 980028551.1 凸轮机构设计 从动件最大 摆角max 从动件杆长 lo8d（mm） 许用压力角 推程运动角 o 远休止角 s 回程运动 角o 2012840601060 4 4、设计内容及工作量、设计内容及工作量 1、根据插床机械的工作原理，拟定 23 个其他形式的执行机构（连杆机构）， 并对这些机构进行分析对比。 2、根据给定的数据确定机构的运动尺寸, 。要求用图解 4 6 . 05 . 0 bobc ll 法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。 3、导杆机构的运动分析。分析导杆摆到两个极限位置时，滑块 6 的速度和加速 度。 4、导杆机构的动态静力分析。用力多边形求极限位置时各运动副反力及应加于 曲柄上的平衡力矩。 5、凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮机构的基本尺寸（基圆半 径 ro、机架和滚子半径 rb），并将运算结果写在说明书中。画出凸轮机构 82o o l 的实际廓线。 机械原理课程设计 插床机构设计 3 6、编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。 7、用 autocad 软件按 1：1 绘制所设计的机构运动简图。 设计计算及说明结 果 一一. . 设计计算过程设计计算过程 (一一). 方案比较与选择方案比较与选择 1.方案方案 i 该方案如图 11 由两个四杆机构组成。使 ba, 构件 1、2、3、6 便构成摆动导杆机构，基本参数为 b/a=。构 件 3、4、5、6 构成摇杆滑块机构。 图 11 方案特点如下： 1).是一种平面连杆机构，结构简单，加工方便，能承 受较大载荷。 2).具有急回作用，其行程速比系数 ,而。只要正确选择， 00 (180)/(180)karcsin(1/) 即可满足行程速比系数 k 的要求。 3).滑块的行程，已经确定，因此只 2sin( / 2) cd hl 需选择摇杆 cd 的长度，即可满足行程 h 的要求。 4). 曲柄主动，构件 2 与 3 之间的传动角始终为。 0 90 摇杆滑块机构中，当 e 点的轨迹位于 d 点所作圆弧高度的平 均线上时，构件 4 与 5 之间有较大的传动角。此方案加工简 单，占用面积比较小，传动性能好。 机械原理课程设计 插床机构设计 4 设计计算及说明结 果 5).工作行程中，能使插刀的速度比较慢，而且变化平 缓，符合切削要求。 2.方案方案 ii 该方案如图 12 将方案 i 中的连杆 4 与滑块 5 的转动 副变为移动副，并将连杆 4 变为滑块 4。即得方案 ii，故该 方案具备第一方案的特点以外，因构件 4 与 5 间的传动角也 始终为，所以受力更好，结构也更加紧凑。 0 90 图 12 3. 方案方案 iii 此方案如图 13 为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸 为 a、b、e。 图 13 方案特点如下： (1).是四杆机构，结构较前述方案简单。 (2). 因极位夹角， arccos/()arccos/()eabeba 机械原理课程设计 插床机构设计 5 设计计算及说明结 果 故具有急回作用，但急回作用不明显。增大 a 和 e 或减小 b。均能使 k 增大到所需值，但增大 e 或减小 b 会使滑块速 度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加，且使最小传 动角减小，传动性能变坏。 min 从以上 3 个方案的比较中可知，为了实现给定的插床运 动要求，以采用方案 ii 较宜。 (二二). 导杆机构分析与设计导杆机构分析与设计 1.机构的运动尺寸机构的运动尺寸 因为、 00 (180)/(180)k 2arcsin( / )a b 而 k=1.8 由上面方程可得：=51.4 又因为 a=lo2a=76mm，可得: b=0204=175.25mm, ao4=ao2 tan mm92.157)2/90( 根据几何关系: 136mm 4 0 2sin( / 2)110 b hlmm 可得 156.8mm 4 0 145.78 b lmm =78.4mm94.08mm 4 6 . 05 . 0 bobc ll 取 =86mm bc l o4 到 yy 轴的距离的确定 采用方案 ii 机械原理课程设计 插床机构设计 6 设计计算及说明结 果 图 1 o4 到 yy 轴的距离 有图我们看到，yy 轴由过程中，同一点 3311 yyyy移动到 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。 考虑两个位置： 1 当 yy 轴与圆弧刚相接触时，即图 3 中左边的那条 12b b 点化线，与圆弧相切与 b1 点时，当 b 点转到，将 12b b 12,b b 会出现最大压力角。 2.当 yy 轴与重合时，即图中右边的那条点化线时， 12b b 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 点为与得交点） 。又几何关系知道： 1 2b o 12b b =141.29+（ 2/ )cos(cos 44444 cbobobocbobol 56.8-141.29）/2=149.045mm 由上面的讨论容易知道，再代入其 7 . 252/42cob 他数据，得： mml49.0451 即 o4 到 yy 轴的距离为 149.045mm。 2.导杆机构的运动分析导杆机构的运动分析 51.4 0 41.5 76mm 2 60 o a almm 175.25mm 24 0 0169.2bmm 156.8mm 4 0 145.78 b lmm =86mm bc l mml149.045 ao4=157.92mm b1 机械原理课程设计 插床机构设计 7 设计计算及说明结 果 （a） （1 1）. .当在所示位置时，此时构件当在所示位置时，此时构件 4 4 处在上极位处在上极位 速度分析: 曲柄的长度为，转速 n=46r/min 曲柄的角速度 mml ao 76 2 为 2 22 3.14 46 4.815/ 6060 n wrad s 4343 aaa a vvv 方向 4 ao 2 ao 4 ao 大小 ？ ？ 2 2 o a w l 其中， 是滑块上与 a 点重合的点的速度，是杆 4 3a v 23aa v 上与 a 点重合的点相对于滑块的速度,是杆 4 上与 a 点重 4a v 合的速度。 因为=0 所以竿 4 没有转动,即，又因为构件 3，是 43 a a v 4 0w 一个滑块，竿 4 又有铰链定位。 所以实际上：=0 4 a v 机械原理课程设计 插床机构设计 8 设计计算及说明结 果 求 b 点的速度： 由于构件 4 上点是 b 和 a 的绝对 4 o 瞬心点， 点的速度已知，利用构件 4 上的 4 0 ao v 4 a 4 a v 速度影像有: 得 44 4 a b v ao vbo 0/ b vm s 求： b、c 是同一构件上的点，根据同一构件上点间 c v 的速度关系: cbcb vvv 方向 导杆 4 bo bc 大小 ？ 0 ？ 可得： 0 c v 加速度分析： 因为 为 sml n lwa aoaoa /76 . 1 1076815 . 4 ) 60 2 ( 32 2 2 2 2 22 根据速度合成原理有： 444 34343 ntrk aaa aa aa a aaaaaa 大小 ？ ？ 1.76 m/s ? ao l 4 2 4 434 2 aa v 方向 ? ao4/ ao4 4 o a ao4/ 4 o a 因为：,知科式加速度为 0, 0 4 4 4 alo v 04a n a 可得： = =1.76m/s 方向： 4 a a 3 a a 4 o a 又根据速度合成原理求 6 滑块 c 的速度： nt ccbcbb aaaa 大小 ？ =0 ？ 2.26 bccl 2 2 /m s 方向 /导杆 / bc l bc l ab l 机械原理课程设计 插床机构设计 9 设计计算及说明结 果 又图解法作图解： 的值通过在 ab 杆上由杠杆定理求得:, b a 3 a a b a boao 44 76 . 1 ,因为，所以 2 4 4 /748 . 1 92.157 8 . 156 76 . 1 sm ao bo ab 0 n bc v 0 n bc a 又速度比例=0.01828 61.95 748 . 1 bp b l a 所以=1.643方向垂直向上 c a 01828. 0906.89 2 /m s ( (二二).). 滑块滑块 a a 在下极位的时候在下极位的时候 对机构分析,同理可得： ，=2.158方向垂直向下。 0 c v c a 07208 . 0 94.29 2 /m s (三三). 导杆机构的动态静力分析导杆机构的动态静力分析 滑块质量为 55kg，导杆的质量为 28kg，其质心转动惯量为 1.1 kg，质心在杆长适宜处，其余构件的质量和转动 2 m 惯量忽略不计。 滑块滑块 a a 在上极位的时：在上极位的时： 对滑块 6 和连杆 5 进行分析： 上极限位置： 0 c v =1.643 c a 2 /m s 下极限位置 ，=1.6430 c v c a 2 /m s 机械原理课程设计 插床机构设计 10 设计计算及说明结 果 由，可知，在竖直方向上： 0 c m0 t rbc f nafgff crcicy 365.104409800105555 以 100：1 力的多变形画图，可得：， nfrc 3 . 437 。 nfr 5 . 10449 56 对于连杆 5，因为连杆 5 为二力秆，连杆 5 的运动副反力为 10449.5n。 对滑块 3 和导杆 4 进行分析：取导杆 4 的中心点为质点，可 得在距离 4 o 右边的 0.56 处，可得导杆 4 的惯性力为： =，方向与的相 444si amf n1748 . 0 748. 1 8 . 156 56 . 0 28 4s a 反，垂直于导杆向上。 惯性力偶矩： ，=/=11.148m/ 444 si jm 4 4 / bob la 748 . 1 3 10 8 . 156 2 s , 方向与相反，为逆时 ,263.12148.111 . 1 444 si jm 4 针方向。 对 a 点取矩，可得： 机械原理课程设计 插床机构设计 11 设计计算及说明结 果 3 4 3 54 10)56 . 0 ( 3 . 64sin1047.69sin glfl aorab ,可得 010)56 . 0 (10 4 3 44 3 44 iaoiao t ro mlflf =-19675.85n,下图为导杆 4 的受力情况，其中，忽 t ro f 4 4i f 略不记。 由 100:1 力的多变形可得： 点的运动副反力为 19826.5n，a 点的运动副反力为 4 o 9637.4n。 对曲柄 2 进行分析： 曲柄上的平衡力矩，对取矩，可得=0，由二力秆 2 m 2 o 2 m 可知的运动副反力为 9637.4n。 2 o 滑块滑块 a a 在下极位的时在下极位的时： 有向上的阻力，与加速度方向相反的惯性力，重力，滑块的 运动副反力，连杆 5 对滑块 6 的反力，如图： 上极限位置： nfrc 3 . 437 nfr 5 . 10449 56 点的运动副反力为 4 o 19826.5n，a 点的运 动副反力为 9637.4n，的运动 2 o 副反力为 9637.4n 机械原理课程设计 插床机构设计 12 设计计算及说明结 果 ， nagfff ccicry 365.93401055559800 ，。 nfrc 0 . 848nfr8 .9378 56 对滑块 3 和导杆 4 进行分析：取导杆 4 的中心点为质点，可 得在距离 4 o 右边的 0.56 处，可得导杆 4 的惯性力为： =，方向与的相 444si amf n1748 . 0 748. 1 8 . 156 56 . 0 28 4s a 反，垂直于导杆向上。 惯性力偶矩： ，=/=11.148m/ 444 si jm 4 4 / bob la 748 . 1 3 10 8 . 156 2 s , 方向与相反，为逆时 ,263.12148.111 . 1 444 si jm 4 针方向。 以 a 点取矩： 3 4 3 54 10)56 . 0 (3 .64sin1047.69sin glfl aorab =0，可得 444 3 44 )56 . 0 (10 iaoiao t ro mlflf =17258.68n，受力图如下图所示，其中忽略。 t ro f 4 4i f 如图： 机械原理课程设计 插床机构设计 13 设计计算及说明结 果 所以，点的运动副反力为 17464.2n，a 点的运动副反力为 4 o 8777.1n。 对曲柄 2 进行分析： 曲柄上的平衡力矩，对取矩，可得=0，的运动 2 m 2 o 2 m 2 o 副反力为 8777.1n。 (四四). 凸轮机构设计凸轮机构设计 1.确定凸轮机构的基本尺寸确定凸轮机构的基本尺寸 选定推杆的运动规律: 选推杆的运动规律为二次多项式运动规律,即等加速等减速 运动规律。其运动规律表达式为: 等加速段: () 22 max0 2/ 0 0/ 2 等减速段: () 22 maxmax00 2() / 00 / 2 由以上两个表达式求得: () max 2 0 4d d 0 0/ 2 () max 0 2 0 4 () d d 00 / 2 最大摆角时有: mml d d l max 33.8530 60 204 128 4 22 0 下极限位置： nfrc 0 . 848 nfr 8 . 9378 56 点的运动副反力为 4 o 17464.2n，a 点的运 动副反力为 8777.1n， 的运动副反力为 2 o 8777.1n 机械原理课程设计 插床机构设计 14 设计计算及说明结 果 如图 3-1 所示为摆杆盘形凸轮机构同向转动的尖底摆杆 盘形凸轮机构,当推程尖底与凸轮轮廓上任一点接触时,摆 1 b 杆摆角为为摆杆的初始摆角,p 点为摆杆和凸轮的相对 0 , 瞬心,此时机构的压力角和传动角如图所示.由于摆杆和 凸轮在瞬心点 p 的速度相等得: (a+op) =op, (1) d dt d dt 则 op/(op+a)= . (2) d d 将(1)式分子分母同乘整理得: d op(1-)=a (3) d d d d 由式(3)求出 op 代入式(1)右边得: a+op=a/(1-) (4) d d 在三角形 ap 中由正统定理有: 1 b (5) 00 0 sin(90)sin(90) aopl 将式(4)代入式(5)中得: (6) 0 (1/) coscos() aldd 用代入式(6)中得: 0 90 (7) 0 (1/) sinsin() aldd 过点 o 作 o/p,则,再由式(2)得 1 c 1 b 1 oac 1 pab ,等式(7)正是的正弦定理.将 11 opd bcll aopd 1 oac 等式(6)中的展开得: 0 cos()a 机械原理课程设计 插床机构设计 15 设计计算及说明结 果 tan= (8) a 0 0 (1) cot() sin() d l d a 由等式(8)求得 (9) 0 (1)cos cos( ) d la d a 将代入式(9)得: (10) 0 90 0 (1) sin( )sin( ) d l a d 如果在图 3-1 所示位置的接触点处的压力角正好满足 1 b ,比较式(10)和式(7)可知,直线便是在此位置时 a 1 oc 满足式(10)以等到式成立的边界.可以证明直线左边的阴 1 oc 影所示区域为保证摆杆运动规律和摆杆长度不变的 a 和 的解域.在推程的各个位置都有这样的解域,这些解 00 ( ,)a r 域的交集便是推程时 a 和的解域. 00 ( ,)a r 图 3-1 图 3-2 回程时, 0,压力角 a0,传力条件变成-tan ds da ,由此可导出满足传力条件性能的条件: tan a (11) 0 (1)cos( cos( ) ds la d a 将代入式(11)得: 0 90 =85.33 11 (/)bcl dd mm a=170mm, 90mm 0 r =20mm. r r 机械原理课程设计 插床机构设计 16 设计计算及说明结 果 (12) 0 (1) sin( )cos( ) ds l a d 同理出可以求出回程时的 a 和的解域.推程和 00 ( ,)a r 回程的解域的交集便是该凸轮机构保证传力性能好的 a 和 的解域.如图 3-2 所示的是一个用作图法求出的同 00 ( ,)a r 向型凸轮机构的 a 和的解域.由图可知, 00 ( ,)a r 的线图是在摆杆的各个以 a 为圆心的以 l= (/)l dd 为半径的圆弧线上取点如图中,推程时沿着此位置时的 1 ab 1 b