机械原理——计算说明书.doc

目 录一任务书一.插床设计任务书 1 1.1 设计题目11.2 插床简介11.3 设计条件与要求11.4 设计任务1二计算说明书二.说明书摘要 2三.机构的选型 23.1 主执行机构的选型23.2 辅助执行机构的选型 12四.原动机的选用14五.拟定传动系统方案155.1 传动系统的选择与设计 155.2 有级变速传动系统的转速图 16六.绘制系统工作循环图 19七.机构尺度参数确定247.1 主执行机构尺寸参数 24 7.2 辅助执行机构尺寸参数及设计 24八.静力分析和初定各构件的质量参数25九.主执行机构的运动分析 26 9.1 解析法计算 309.2 图解法计算 10十.主执行机构的动态静力分析3010.1 静定组3010.2 主执行机构的动态静力分析图解法30 10.3 主执行机构的动态静力分析解析法33一任务书1.1 设计题目插床机械系统设计1.2 插床简介插床是用于加工中小尺寸垂直方向的平面或直槽的金属切削机床，多用于单件或小批量生产。 为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主执行构件插刀能以数种不同速度、不同行程和不同起始位置作垂直方向的往复直线移动，且切削时插刀的移动速度低于空行程速度，即插刀具有急回现象；安装工件的工作台（执行构件之二）应具有不同进给量的横向进给，以完成平面的加工，工作台还应具有升降功能，以适应不同高度的工件加工。1.3 设计条件与要求1）插刀每分钟往复移动的次数可调，最小的每分种往复移动次数为32次（第一档），最大为125次（第四档），共四档，相邻两档每分种往复移动次数之比理论上应相等； 2）插刀的行程H=25220mm，可用人工无级调整； 3）插刀往复运动的起始位置，可用人工无级调整； 4）工作台自动实现横向进给，且进给量可由人工无级调整； 5）为了提高生产效率，要求插刀的往复切削运动具有急回特性。当插刀取最常用行程（130150）时，其行程速比系数K控制为1.42.0； 6）插刀的行程H为100150mm，往复次数为第三档时，插刀的切削力不超过2200N，插刀的切入、切出空行程均为5%H；7）许用速度不均匀系数d=0.05。1.4 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，拟定机械传动方案并画出机构运动简图和转速图； 2）按工艺要求进行协调设计，画出各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图，速度图和加速度线图； 4）对主执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机计算结果，画出机构平衡力矩Mb-q线图和固定支座反力fi-q线图（各构件的质量，质心的位置和过质心轴的转动惯量由设计者类比确定）；5）采用解析法确定飞轮的转动惯量，并根据计算结果绘制Mrq、Mdq，JRq、E（E）-q、E1q、E2q等曲线； 6）自选传动部件进行强度、结构设计，画出装配图及部分零件图； 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。 二说明书【摘要】本说明书主要用于说明插床机械系统的原理设计、方案选择及尺寸计算等问题。 说明书主要内容分为主、辅执行机构方案选择及协调设计（3、6、7、8章）、传动系统设计（4、5章）和主执行机构相关分析（9，10章）三部分。 对于第一部分，主执行机构的设计我们给出6种满足转换要求的基本方案，然后根据插床的功能特点进行逐步筛选，最终确定设计方案。辅助执行机构在经过初步方案确定后，考虑到与主执行机构协调配合的需要，我们通过绘制循环图进一步分析满足进给功能所需的条件，再根据时间配合要求设计出凸轮。最后考虑任务书中的要求并参考同类机构计算出相关尺寸。对于第二部分，传动系统的设计从插刀每分的往复次数入手，首先求出公比并计算出对应插床各档速度，根据各档的速度范围初步选择960r/min的电动机，当仅采用二级传动时，每级传动比大于4不符合要求，因此在设计中增加定传动比降速级，求得满足要求的两组双联齿轮传动比1.94、1.24和1.94、0.78以及对应齿数。最后画出传动系统运动简图和转速图。第三部分中，说明书给出了分别采用解析法和图解法时，对主执行机构进行运动分析和动态静力分析时的方法原理、计算过程和计算结果，并画出了对应分析的线图。三. 机构的选型 3.1 主执行机构的选型在插床机械系统设计中，主执行机构是实现往复移动输出的机构，由于原动件为电动机，主执行机构需将转动转换为往复移动，因此经初步考虑，有如下机构满足基本设计要求。四杆机构曲柄滑块机构六杆机构摆动导杆+摇杆滑块机构曲柄摇杆+摇杆滑块机构曲柄摇块+摇杆滑块机构复合机构凸轮+摇杆滑块机构 曲柄滑块机构 摆动导杆+摇杆滑块机构1 曲柄摇块+摇杆滑块机构 凸轮+摇杆滑块机构 曲柄摇杆+摇杆滑块机构 摆动导杆+摇杆滑块机构2参考插刀机械系统的功能，满足插刀机构功能的设计应具备以下两个特点：1机构有较大的传动角；2从动件有较大的行程。由于曲柄滑块机构的滑块行程有限，而凸轮机构不适合在高速运动机构中使用，故在六杆机构中进行方案的选择。考虑插刀切削时阻力较大，所设计的机构必须有较大的传动角，而曲柄摇杆机构传动角为90满足要求。综上，最终主执行机构采用曲柄摇杆和摇杆滑块的串联机构，同时该机构有两种备用扩大方案，如图摆动导杆+摇杆滑块机构1、2。3.2 辅助执行机构的选型辅助执行机构在插床机械系统中主要指工作台进给机构和插刀行程调节机构。考虑到辅助执行机构与主执行机构运动的协调性，辅助执行机构应与主执行机构采用同一原动件，以保证相同的工作周期。同时，工作台的进给运动应在插刀回程时进行，而在插刀工作行程中保持静止，所以要求工作台进给机构为间歇运动的机构。在本次设计中利用凸轮机构、棘轮机构和螺旋机构实现工作台的间歇横向进给。插刀行程的调节可使用螺旋机构，通过改变曲柄长度来调整输出件的行程。 四. 原动机的选用课程设计中的原动机是交流异步电动机。由第三章传动系统方案确定转速为960r/min，功率p=0.4*2200/0.8/0.4=2750w,、因此取3千瓦，960r/min电动机。 五. 拟定传动系统方案5.1 传动系统的选择与设计首先确定传动系统各档转速。插刀每分钟的往复次数为32125次，分4档，插刀每分往复次数即为曲柄转速，转速级数Z=4，公比1.575，计算得插刀各档速度分别为：32，50，79，125。考虑插床各档转速范围，最佳电动机的转速为960转/分。1）确定变速组数目和变速组排列方案取两个变速组，因此采用两组双联齿轮。2）确定是否增加定传动比降速级传动系统最大传动比,假设用两级传动，则每级传动比最小为，不符合要求，故需增加定传动比降速级。考虑到主执行机构中的主动件须与传动齿轮固联，可在此增加定传动比齿轮副，设传动比为2，另外为减小变速部分的各齿轮的径向尺寸，在电动机之后再增加一级V带，设传动比为4。此时每级最大传动比 ，符合要求。再求出14各档传动比为：3.75，2.40，1.52，0.96。根据前紧后松原则，则第一级传动比为1.94和1.24，第二级传动比为1.94，0.78。3）V带传动带轮基准园直径之比和各对齿轮齿数比的确定V带传动带轮基准园直径之比，设为1：4.4）第一变速组的两对齿轮副设最大传动比时小齿齿数，则啮合大齿齿数，总齿数，当传动比1.24时， 。5）同理计算出第二变速组的两对齿轮副齿数分别为： 6）定传动比齿轮副 设小齿 。由上述数据，绘制主传动系统运动简图如下。 传动系统运动简图5.2 有级变速传动系统的转速图通过上节计算得到如下数据，根据对应数据画出主传动系统运动简图转速图。档位1234转速n325079125变速箱的对应输出转速64100158250传动比i3.752.401.520.96分级匹配1.94*1.941.24*1.941.94*0.781.24*0.78对应齿轮副20:39 ,20:3926:33 ,20:3920:39 ,33:2626:33 ,33:26 插床转速图 六. 绘制系统工作循环图考虑到主、辅执行机构功能作用的协调配合关系，要求各执行构件在运动时间的先后上和运动位置的安排上必须准确协调的配合。在插床机械系统中，主执行机构在完成工作行程后，即可让控制工件进给运动的工作台机构（作间歇运动）开始动作。绘制圆环式运动循环图：1.选主执行机构的曲柄为定标构件。由于主、辅执行构件的工作循环的周期相同，即在导杆机构的曲柄旋转360的时间内完成一个工作循环。并且导杆机构的曲柄1既是切削运动执行机构的原动件又是工作台进给组合部分的运动源头，故选择曲柄作定标构件。2.由干涉条件知，插刀工作行程和工作台进给行程间应保持5%H（H为插刀行程）的间隔，对应间隔角度近似等于15。而由下一章确定的行程速比系数K可计算出极位夹角=60。从而工作台推程角，取远停角、回程角分别为20和105，近停角为130。3.绘制内外双圆环，内环表示插刀行程，外环表示工作台行程。由上述数据绘制完成工作循环图，如下所示。 系统工作循环图 七. 机构尺度参数确定7.1主执行机构尺寸参数设计任务书中的设计条件与要求中规定插床取最常用行程130mm150mm时其行程速比系数以控制为1.82.0，LDE / LCD=0.81.0。K值和H值在一定范围内变化，但是K与H对应关系并非必须严格遵守不得有误差，它只是说明具有这种关系的机构在理论上及实践中都曾有良好的性能。本设计中按K=2.0、H=150 mm机架AC长150mm，LDE / LCD=0.8进行尺度综合。由K=2.0求得极位夹角q=60；由导杆机构特性知道，导杆摆角等于极位夹角，即ymax=q=60；由行程H和q求出导杆长；由LAC和q求出曲柄长；由LDE / LCD=0.8求出连杆长；由LCD和极位夹角求出弓形高。为使RRP杆组的压力角较小，滑块5的导路与DD连线的距离应等于S/2。从而计算出=290mm。计算结果：Lab=75mm，Lde=120mm，Le=290mm。7.2辅助执行机构尺寸参数及设计本次辅助设计主要对间歇运动中凸轮进行设计。1.类比同类机构，确定凸轮基本参数及运动规律参数为: 1).基圆半径 rb=50.00 mm 2).滚子半径 rt=10.00mm 3).中心距 a=120.00mm 4).摆杆长 L=90.00mm5).最大摆角=15.000 6).推程角1=105，远停角2=130，回程角3=105，近停角4=20.00 2.运动规律选用如下：推程运动规律:3-4-5次多项式，回程运动规律:正弦加速度由软件计算出凸轮各角度对应角位移，再根据角位移画出凸轮设计图，见A3图2。同时所设计凸轮各角度运动参数(角速度、角加速度、越度)如下：转角()角位移()角速度(rad/s)角加速度a(rad/s2)跃度j(rad/s3)凸轮推程(0105):000 00.000 0.000 0000.00 366366.5010 00.112 1.666 0894.45 176952.5020 00.763 5.335 1223.99 27415.2030 02.171 9.346 1121.53 -82245.5040 04.276 12.480 0719.99 -152029.6050 06.831 13.961 0152.31 -181937.1060 09.482 13.458 -0448.61 -171968.0070 11.852 11.081 -0949.84 -122122.2080 13.630 7.385 -1218.45 -32399.8090 14.651 3.365 -1121.53 97199.3100 14.985 0.462 -0526.15 266674.9105 15.000 0.000 0000.00 366366.5远停阶段(105125):105125 15.000 0.000 0000.00 0.0凸轮回程(125230):130 14.989 -0.332 -0395.80 -230349.9140 14.724 -2.816 -1049.85 -150298.1150 13.809 -6.921 -1339.05 -18014.4160 12.067 -11.220 -1162.90 120529.8170 09.607 -14.219 -0582.62 217187.1180 06.787 -14.876 0200.13 238367.1190 04.090 -12.963 0913.34 176709.1200 01.958 -9.144 1309.14 53640.8210 00.635 -4.747 1249.98 -88068.9220 00.084 -1.300 0756.43 -199172.7230 00.000 0.000 0000.00 -241059.5近停阶段(230360)：240360 00.000 0.000 0000.00 0.0对应线图： 八. 静力分析和初定各构件的质量参数主要参数如下： 主传动机构参考方案及数据质心位置a质心位置b质心位置cdG5G3Js3Q50mm50mm125mm120mm400N500N1.4kg/2200N 九. 主执行机构的运动分析本章利用软件对插床机构进行设计与分析计算，采用第三档79r/min的速度进行计算。然后通过图解法进行270时解析解的验证。基本思想是首先通过解析法计算得到对应角度的位移、速度、加速度大小，再利用图解法计算270时的对应位移、速度、加速度，将两组解进行比较，若解相等则说明计算正确。9.1解析法计算首先输入设计参数如下： 行程速比系数 K=2 插 刀 行 程 H=150mm曲柄长度 LAB=75mm 连杆长度 LDE =120mm导路距离 Le =290mm 曲柄角速度曲柄角加速度=0rad/s2 得到输出计算参数如下： 极位夹角 =60.000 导杆长 LCD=150.000mm中心距 LAC=150.000mm 弓 形 高 b =20.096mm机架长 Le=289.952mm 最大压力角 max=4.803插床机构结构示意插刀运动线图速度和加速度极值如下：插刀最大切削速度 V1max=0.414m/s 插刀最大回程速度 V2max=1.241m/s插刀最大切削加速度 a1max=5.380m/s*s 插刀最大加速度 a2max=15.195m/s*s解析法求得对应角度的位移、速度和加速度数据如下：转角() 位移S(mm) 速度(m/s) 加速度(m/s2)000 0.00 0.000 4.879015 2.13 0.127 3.301030 7.63 0.217 2.453045 15.62 0.285 1.881060 25.49 0.337 1.408075 36.78 0.374 0.979090 49.05 0.399 0.583105 61.91 0.412 0.224120 74.99 0.414 -0.095135 87.99 0.406 -0.376150 100.61 0.390 -0.631165 112.59 0.366 -0.888180 123.69 0.333 -1.196195 133.57 0.289 -1.631210 141.80 0.227 -2.319225 147.67 0.137 -3.462240 150.00 0.000 -5.380255 146.84 -0.216 -8.456270 135.12 -0.546 -12.475285 111.12 -0.976 -13.305300 74.99 -1.241 -0.858315 38.28 -0.998 13.985330 14.09 -0.536 13.281345 2.89 -0.200 8.097360 0.00 0.000 4.8799.2 图解法计算由于人工作图误差较大，在本次设计中，首先利用AutoCAD进行作图，在CAD上进行图解法计算，以保证计算精度（同时在A1大图上也有按照CAD图纸画的速度图、加速度图）。1)对于速度，速度等式如下： 已知全部速度方向及曲柄速度大小，故可先求出摆动导杆机构中3构件上B点的速度大小，然后按比例反向延长即得到D点速度大小，由D点速度大小和D点、E点、相对运动速度方向，再求出摇杆滑块机构中E点速度。2)对于加速度，摆动导杆机构和摇杆滑块机构加速度等式如下： 其中，方向为沿旋转90，。首先对摆动导杆机构进行分析，由于等式（1）所有加速的方向已知，而且、大小已知，可采用图解法进行求解，求得，将按比例反向延长求得。和大小已知且各加速度方向已知，图解法求出，如下图所示。通过图解法计算，分别得到270时的位移，速度，加速度；与对应解析法解进行比较：，,位移、速度符合较好，加速度基本相同，说明计算正确，验证完毕。 CAD速度图和加速度图如下。 速度图 加速度图 十. 主执行机构的动态静力分析10.1静定组插床主执行机构可拆分为一个原动件和两个级基本杆组，拆分详见A1大图，杆组及受力CAD图如下所示， 基本杆组及受力图10.2主执行机构的动态静力分析图解法1对机构进行运动分析用选定的长度比例尺l，速度比例尺v和加速度比例尺a，作出机构图及其速度多边形和加速度多边形，分别如图第七章速度图和加速度图所示。2确定各构件的惯性力及惯性力矩作用在连秆3上的惯性力及惯性力矩为： 作用线偏离质心S的距离：，对质心的矩的方向与一致。作用在滑块5上的惯性力为： 3划分杆组及原动件，进行力分析由上面杆组拆分及每个杆组受力进行分析，得到如下等式： 其中由可计算出大小。通过等式(1)作力矢量图求出，而进而可利用等式(2)作力矢量图求出及大小，力矢量图可见A1大图。图解法计算完毕。10.3主执行机构的动态静力分析解析法首先对