张晓磊-11431178(8-29-4).doc

成绩大 连 大 学机械原理课程设计 题 目：插 床 机 （ 8-29-4 ）姓 名： 张晓磊 专 业： 机械设计制造及其自动化学 号： 1 1 4 3 1 1 7 8班 级： 机 英 114指导教师：郑 双 阳机械工程学院2013/6/18机械原理课程设计插床机械设计目录：1、 题目设计与要求. 2 1.设计题目. 2 2.插床简介. 2 3.设计数据. 2 4.设计要求. 3 5.执行任务2、 工作原理及功能分解. 3 1.工作原理. 3 2.功能分解. 4三、机构的选择. 4四、机构运动方案简图. 6五、传动比的分配. 7 六、机械系统运动循环图. 87、 机械传动机构和执行机构的设计及尺寸计算. 8 1.带传动计算. 8 2.齿轮传动计算. 9 3.曲柄导杆机构设计尺寸及计算. 9 4.不完全齿轮设计. 13 5.凸轮设计. 138、 注意事项. 199、 设计心得. 2010、 主要参考资料. 211、 题目1. 设计题目插床机械设计2.插床简介插床利用插刀的竖直往复运动插削键槽和型孔的机床。插床一般用于插削单件、小批生产的工件，有普通插床、键槽插床、龙门插床和移动式插床等几种。普通插床 (见图)的滑枕带着刀架作上下往复的主运动,装有工件的圆工作台可利用上、下滑座作纵向、横向和回转进给运动（见机床）。键槽插床的工作台与床身联成一体，工件安装在工作台上。从床身穿过工件孔向上伸出的刀杆，带着插刀一边作上下往复的主运动，一边作断续进给运动。它的特点是工件安装不象普通插床那样受到立柱的限制，故适于加工大型零件（如螺旋桨）孔中的键槽。3. 原始数据4. 设计要求 电动机轴与曲柄轴O2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，执行机构的传动效率按0.95计算，系统有过载保护，按最小批量生产规模设计。5.设计任务1） 完成各执行机构的选型与设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确定各级传动比，画出机构运动简图及机械系统传动方案设计图；2） 按工艺要求进行执行系统协调设计，画出执行机构的工作循环图；3） 对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，并根据计算机计算结果画出插刀位移线图，速度线图和加速度线图；4） 用图解法对主执行机构的一个位置进行动态静力分析；5） 用解析法对控制工作台横向进给的凸轮机构进行运动分析；6） 用图解法绘制控制工作台横向进给的凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线； 7） 根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与该机现有传统设计不同的创新设计方案。2、 工作原理及功能分解1.工作原理插床是一种用于加工键槽、花键槽、异形槽和各种异性表面的金属切削机床。如图（1）所示装有插刀的滑枕沿铅垂方向(也可调有一定倾角)作往复直线主切削运动。工件装夹在工作台上，工作台可作前后、左右和圆周方向的间歇进给运动。进给运动可手动，也可机动但彼此独立。进给运动必须与主切削运动协调，即插刀插削时严禁进给，插刀返回时进给运动开始进行，并于插刀重新切人工件之前完成复位。插床的主切削运动的行程长度、往复运动速度以及进给量大小等均应手动可调。2. 功能分解1）夹紧工件动作2）工作台进行圆周方向的间歇进给运动3）装有插刀的滑枕沿铅垂方向(也可调有一定倾角)作具有急回特性的往复直线主切削运动，插削工件形成各种槽等自己需要的形状。3 机构的选择功能执行构件工艺动作执行机构插削成形插刀直线往复运动（具有急回特性）导杆机构工作换位工作台前后，左右方向的进给运动和间歇性转动凸轮机构棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构组合1. 方案一该方案如图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=l。构件3、4、5、6构成摇杆滑块机构。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K=(180+)/(180-)=+-,而=arcsin(1/)ql=。只要正确选择，即可满足行程速比系数k的要求。3).滑块的行程H=2LCDsin(/2)，已经确定，因此只需选择摇杆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。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.方案二该方案如图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090，所以受力更好，结构也更加紧凑。方案特点如下：1） 计算得到行程速比系数K=2，且最大压力角为14.5。2） 方案使用了凸轮机构，具有容易达到预期的运动规律、响应快速、机构简单紧凑的优点。3. 方案三此方案如图13为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸为a、b、e。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=arccose/(a+b)-arccose/(b-a)，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min减小，传动性能变坏。 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。4 机械运动方案简图根据机构的选择，按已选定的两个执行机构形式和机械的传动系统画出机械运动方案简图。如图所示，其中包括了一个导杆插削机构和皮带传动机构，工作台的不完全齿轮间歇旋转机构。5 机械传动比 由等效构件（曲柄1）上所需平均功率：p=1/T*2p联立T*j=1/36T，带入数据，计算可得到：平均功率P=751.8974设减速机构中齿轮传动效率n=0.95；带动效率n=0.9；查机械设计手册传动机性能如下：由于电机的转速太大，我们需要设计减速机构使得机构能正常运行，在此我们使用二级减速。依据减速机构传动比=额定转速/曲柄转速，则i=n电机/n曲柄=900/80=11.25在减速机构中，我们使用一个齿轮减速和一个带传动配合减速，其具体设计的传动比如下：二级减速的传动比表传动比11.25齿轮传动比5带传动比66 机械系统运动循环图（1）首先确定执行机构的运功循环时间T，在此选取曲柄导杆机构作为插床的执行机构。曲柄旋转一周插头就往复运动一次即一个运动循环。T=60/n=60/30=2s（2）确定组成运动循环的各个区段，插床机械的运动循环由两段组成，即插刀进给的工作行程及退回时的空回行程。（3）确定执行机构各个区段的运动时间及相应的分配轴转角。插床的运动循环为T=t工件+t空回=1.2+0.8=2s（4）根据以上数据绘制机构的运动循环图分配轴转角0 306090120150180210240 270300330360216插刀执行机构插刀进给运动插刀空回运动工作台旋转静止旋转 运动循环图7 对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算为了实现具体运动要求，必须对带传动，齿轮传动和导杆机构（插削机构），不完全齿轮机构（即工作台的间歇性旋转机）进行运动学计算和动力学分析。1.带传动计算（1）确定计算功率这里取安全系数=1.2，则Pc=1.21.1= 1.32kw（2）选择带的型号 由和主轴转速选择平型带。（3）确定带轮节圆的直径和在这里取=200mm，则：=1000mm（4）确定中心距即：2.齿轮传动计算：取，。按照要求取，压力角则中心距采用标准中心距则 mm3.曲柄导杆机构设计尺寸计算：1）根据插程和行程速比系数设计机构已知插床机械的插程为125mm，速比系数k=1.9，则极位夹角=180（k-1）/(k+1)=1801.9/2.8=33.82 导杆机构的极位夹角图对于机构的的运动尺寸的确定我们首先运用作图法，运用题目中已经给出的一组数据进行作图后初步确定了曲柄和滑块的两个极限位置。然后分别画出这两个位置时的各杆的位置和此时的夹角，然后运用尺规作图求解出相应的杆长和夹角，初步得出了比较理想的结果。由机构图可知当曲柄2与导杆4垂直时，滑块C到达最高或最低位置。所以曲柄2对应的这两位置就是4杆机构的极限位置。所以其夹角为机位夹角如上图所示，故我们可以计算得到O2O4=O2A/sin(/2)=75/sin( 33.82/2)=258.6mm又因为导杆的运动关于轴线是对称的，故B1B2垂直于轴线O2O4，则四边形B1B2C1C2是平行四边形。已知插刀的行程H=125mm，即C1C2=125mm，故有B1B2=125mm，则O4B=(B1B2/2)/sin(33.82/2)=50/0.290mm=172.4mm当滑块的导路通过铰链中心B的摆动弧BB的绕度中点时，可使机构在整个行程中都能得到较小的压力角，故得：h=1/2O4B(1+/2)=1/211.5(1+cos33.82/2)=11.24mm根据给定的数据，以及设计中的条件BC=(0.50.6)O4B，在这里我们可以取BC=0.5O4B=，则BC=0.5O4B=0.511.24mm=5.62mm故我们可以得到最终的设计结果如下： 相应机构的运动尺寸 O2A 75mmO2O4258.6 mmO4B172.4 mmBC 5.62mmh 11.24mm 2）用图解法作机构的运动分析和动态静力分析已知：曲柄的转速n=52 rad/min ，)滑块质量为60kg，导杆的质量为20kgm，其质心转动惯量为1.2kg，力臂d=110mm，工作阻力F=9000N。速度分析：a.当在（a）所示位置时，此时构件4处在极位速度分析：曲柄的长度lO2A=80mm, 转速n=52r/min 曲柄的角速度为(23.1452)/60=5.442rad/min由图解法得：VA4=0 求B点的速度：由于构件4上O4点是B和A的绝对瞬心点VA4=0，A4点的速度VA4已知，利用构件4上的速度影像有：得VB=0m/s求Vc：B、C是同一构件上的点，根据同一构件上点间的速度关系：可得Vc=0加速度分析 因为aA2=2lAO2=(2n/60)lOA2=5.4428010(-3)=2.14m/s根据速度合成原理有：大小 ？ 4lO4A ？ 2.14m/s ？ 2VA3A4方向 因为，知科氏加速度为0，可得：aA4=aA2=2.14m/s 方向：O4A又根据速度合成原理求6滑块C的速度：大小 ？ clCB=0 ? 方向 lBC lBC lBC lAB又图解法作图解：aB的值通过aA2在AB杆上由杠杆定理求得：AO4/2.14=BO4/aBaB=BO4/AO42.14=(172.4/138.3)2.14=2.66m/s又速度比例=aB/lpb所以ac= 1.24 m s 滑块A在下极位的时候对机构分析，可得： Vc=0, ac= 3.13m /s b.动态静力分析滑块质量为60kg，导杆的质量为20g，其质心转动惯量为1.2 kg，质心在杆长适宜处，其余构件的质量和转动惯量忽略不计。自电动机至曲炳轴传动系统的等效转动惯量(设曲炳为等效构件)为18kg。G3=60*10=600NG1=20*10=200N受力分析图如图（4）所示：图（4）机构受力分析图c.飞轮设计（N）若平均角速度用平均转速n（单位：r/min）代换 则： N 4.不完全齿轮设计设计的不完全齿轮的主动轮旋转一周时从动轮旋转1/10周。齿轮部分取参数为z=120，m=8，法面压力角取 则中心距分度圆直径基圆直径齿顶圆直径齿根圆直径凸轮止弧和凹轮止弧则按照基圆的圆弧来配合5.凸轮机构设计 1.确定凸轮结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：=2max/0 （00/2）等减速：=max-2max(0-)/0 (0/20)由以上两个表达式求得：最大摆角时有：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B1接触时,摆杆摆角为，o为摆杆的初始摆角,P点为摆杆和凸轮的相对瞬心,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:则 将（1）式分子分母同乘d整理得：由式（3）求出OP带入式（1）右边得：在三角形AB1P中由正统定理有：将式（4)带入式(5)中得：用=90-带入式（6）中得：过点O作OC1PB1,则OAC1PAB1，再由式（2）得等式（7）正是OAC1的正弦定理。将等式（6）中的cos（+0+）展开得：由等式（8）求得将=90-带入式（9）得：如果在图3-1所示位置的接触点B1处的压力角正好满足=，比较式（10）和式（7）可知，直线OC1便是在此位置时满足式（10）以等到式成立的边界。可以证明直线OC1左边的阴影所示区域为保证摆杆运动规律和摆杆长度不变的a和0（a,r0）的解域。在推程的各个位置都有这样的解域，这些解域的交集便是推程时a和0（a,r0）的解域。回程时，压力角a0,传力条件变成-tantan，由此可导出满足传力条件性能的条件：将=90带入式（11）得:同理可以求出回程时的a和0（a,r0）的解域。推程和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0（a,r0）的解域。如图32所示的是一个用作图法求出的同向型凸轮机构的a和0（a,r0）的解域。由图可知，L（d/d）-的线图是在摆杆的各个以A为圆心的以L=AB1为半径的圆弧线上取点如图中B1，推程时沿着此位置时的摆杆直线AB1内侧量取线段B1C1=L（d/d）=80mm,得C1，过C1作C1C1直线使之与直线AB1倾斜角;同理，回程时也可沿着摆杆直线AB1外侧量取回程时的线段B1C1=L（d/d），得C1,作C1C1直线使之与直线AB1反向倾斜角。一般的，阴影区由多个位置时的边界线围成，显然，选取的B1点数多，a和0（a,r0）的解域就精确。这要凸轮的转动中心O可以在阴影区域内选择，连接OA便得到待求的基本尺寸a=OA,r0=OB0 如图3-2所示求得的机架长度a=130mm,r0=61mm. 选取凸轮为滚子从动件凸轮机构。滚子半径r=(0.1-0.5)r0,取r=20mm(2) .凸轮廓线的绘制： 选定角度比例尺,作出摆杆的角位移曲线,如图3-3(b)所示,将其中的推程和回程角位移曲线横坐标分成若干等分.选定长度比例尺,作以O为圆心以OB=0，r0为半径的基圆;以O为圆心,以OA=a为半径作反转后机架上摆杆转动中心的圆.自A点开始沿-w方向把机架圆分成与图3-3(b)中横坐标相应的区间和等分,得点A1，A2，A3，.,再以A1，A2，A3，.为圆心,以AB=L为半径作弧与基圆交于点B1,B2,B3,.，得线段A1B1，A2B2，A3B3.自线段A1B1，A2B2，A3B3.开始,分别作1，2，3.,使它们分别等于图3-3(b)中对应的角位移,得线段A1B1，A2B2，A3B3.将点A1B1，A2B2，A3B3.连成光滑曲线,它就是所求理论轮廓线.实际轮廓线可用前述滚子圆包络线的方法作出.如图3-3(a)所示八、注意事项(1)插床工作机构由主切削运动机构和进给运动机构组成，两者必须协调匹配。两机构的协调要求可通过公共输入构件来实现 (2)合理布置电动机的安装位置，般可先以一级V型带传动在串接合理的轮系将运动动力传至曲柄轴。直线进给运动具有横向近给和纵向进给两个分支，它们可共用同一公共传动链，仅在其末端执行环节处通过离合装置隔离。圆周进给运动可提出传动方案，不作设计。(3)出于滑枕重量沿导路方向下沉应考虑滑枕在静止状态的平衡，以避免滑枕不工作时的垂落。可将最大摆动件的质心位置作合理选择以使其得以平衡。(4)插削机构被要求在切削工作段具有近等速的运动性能，且行程急回系数较大。应进行多方案的对比以便选择最优机构运动简图方案。(5)与曲柄轴固连在一起的大齿轮常兼作飞轮。九、设计心得 当我们遇到一个问题时，首先不能畏惧，而是要对自己有信心，相信通过自己的努力一定能解决的。就象人们常说的在战略上藐视它。但是在战术上的重视它。通过慎重的考虑认真的分析，脚踏实地去完成它，克服重重困难，当你成功实现目标时，那种成就感一定会成为你成长的动力。 这次设计的题目是插床。主要是确定机械传动的方案，通过凸轮机构到回杆机构，回杆平行机构带动棘轮传动，再传到工作台，从而使工作台进行间歇进给运动，使刀具能安全的进行切削。在设计过程中采用分块设计的方法可以使问题得到简化，如：1、将整个插床机构分为插销机构和送料机构，而插销机构又以六杆机构为主，依据插床工况条件的