工艺夹具毕业设计60牛头刨床设计和插床设计

黄石理工学院 机械原理课程设计指导书 (适用于牛头刨床设计和插床设计 ) 机电工程学院机械基础教研室 二 OO 三年六月 机械原理课程设计指导书 本指导书适用于“牛头刨床设计”与“插床设计”这两个机械原理课程设计题目，按着学生将要进行的设计过程编写。学生阅读本指导书，并按要求进行课题的设计，可达到设计的基本要求。有更高要求的学生，可在指导教师的指导下，查阅其它资料，完成更多更复杂的设计工作。 机械原理课程设计涉及两个方面的目的：其一是使学生加深对机械原理课程所学 内容的理解与掌握；其二是训练学生针对工程实际问题的设计能力。为达到上述目的，任务书中提出的设计要求和指导教师对学生的要求都有可能“脱离工程实际的要求而更接近机械原理课程内容训练的要求”。个别学生可在指导教师认可的条件下，展示其思维的才华，创造性地提出并实施其新颖的设计方案，但对大多数学生来说设计要求是具有强制性的。其一是内容的强制性：方案中强制性规定了涉及轮系、凸轮、连杆机构和动力学等相关任务。而其中某些任务（比如凸轮设计）在实际的牛头刨床或插床设计中可能是没有的；其二是完成任务所用方法的强制性：设计内容及 要求中强制规定了既涉及图解法的内容又涉及编写程序的任务，而图解法甚至解析法编写程序在实际工程设计中都有可能不采用。其三是时间的强制性：学生必须在两周内完成设计，而工程实际的设计问题则有可能有更长的时间。因此学生的设计过程中仅涉及教材第 7 章所述产品设计过程的主要部分（与 2-6章内容相关的部分）而不是全部。 一、接受任务 接受任务书，仔细阅读任务书。 二、方案设计、讨论 阅读教材第 7 章全部及 P72 P78 内容。 由于时间限制，教材表 7-1 所列第一、三、四、五阶段不作为本次课程设计的任务。产 品设计的第二阶段，即传动方案设计即为学生需完成的任务，其设计过程见教材图 7-1。传动方案设计采用功能分解法。任务书中已经完成了功能分解，并给出了三个功能：功能1 刨刀或插刀的切削运动并含有速度平稳要求和 K 值要求；功能 2 工件进给运动；功能 3 行程调节功能。现在的任务是为上述功能选择合适的功能元，即机构。上述机构分别称为主传动机构（完成功能 1）、进给机构（完成功能 2）和行程调节机构（完成功能 3）。 1主传动机构选型 理论上，将转动变为往复移动的机构，见教材表 7-3，都能满足功能 1 的运动要求， 但金属切削加工设备的工作负载较大，故应排除凸轮机构这种选择。 从教材中可发现，众多机构都可用。学生可在这些机构中（乃至其它资料介绍的机构中）选择和比较，并最终确定主传动机构。主张学生间广泛讨论、辩论，提出支持选择或反对选择的理由。在辩论中要顾及到设计任务书中规定的工作平稳性要求和 K 值要求。能满足平稳性和 K 值要求的机构见教材表 7-2。 2进给机构选型 在主传动机构的一个运动循环（曲柄转角 =0360）内，滑块（刀具）作切削运动（工作行程）和退刀运动（回程）。牛头刨床的刨刀铰接在滑 块上。如果在退刀过程中工件作进给运动，刀具与已经作了给进运动的工件干涉，则刀具会绕其轴线转动而避免干涉。因此牛头刨床理论上可以在回程的起始点开始作进给运动。插床的插刀固接在滑块上，如果在插刀退刀过程中作进给运动，则工件与刀具会干涉。因此插床只能在行程末端 0.05H（如任务书图二所示）的空切段作进给运动。 进给运动是间隙运动。间隙运动机构见教材第 5 章第一节。为了借助主传动机构的原动件，考虑到主传动机构是在铅垂面上运动而工作台进给运动是在水平面内运动这一特点，本课程设计强制性规定学生只能选任务书结构示意 图中所示的方案。 3行程调节机构选型 行程调节机构是完成“刀具行程能在一定范围内人工无级调整”这一功能的机构。在连杆机构中，理论上，杆长的变化都会使运动输出范围改变。有些构件杆长的变化对输出运动范围的影响极其显著，比如曲柄滑块机构中的曲柄。图 1 图 3 给出了几种行程调节机构，供学生选用。 需要指出的是，我们调节的是主传动机构滑块的行程，因此主传动机构即为行程可调节机构。而调节行程的机构为行程调节机构，它一般是寄生于行程可调机构的某一构件中。行程可调机构有时也可称杆长可调机构。 上述三种机构的评价 比较，学生应做好记录，写在设计计算说明书中。 三、制定机器工作循环图 阅读教材 P202 P203、 P403 P410。 机器工作循环图有三种型式，学生可任选一种型式。 现以教材 P203电阻自动压帽机为例，说明如何设计工作循环图。图 4 中 1 为电阻坯料，2 为电阻帽， 3 4 4 5 6 为凸轮机构， 3 4 6 与正弦机构 4 5 6 串联而成的送料机构，直动从动件凸轮机构 7 8 6 为夹紧机构，两个完全相同的串联凸轮连杆机构 910 10 11 6 和 12 13 14 6 为送帽压机构（简称压帽机构）。这 四个机构的原动凸轮 3、 7、 9、 12 均固联在同一分配轴 15 上。图 4(b )表示未压帽前的电阻坯料和电阻帽。图 4（ c）表示压帽后的成品。该自动机的生产率 Q=30 件 /min。 机械的工作循环时间 机械的工作循环时间是指作循环运动的机械完成一个工作循环所用的时间，通常用 T表示。机械的工作循环时间往往与各执行构件的运动循环时间一致。因为执行构件的运动节奏就是整台机器的工作节奏。执行构件的运动循环一般由若干个动作组成，因此，执行构件的运动循环时间 T 执 执可以表示为 T 执 =T=t1+t2+t n 机械工作循环图的设计 步骤 在设计机械工作循环图时，由于机械系统的功能是已知的，理论生产率已确定，即机械系统工作循环时间 T 已基本确定，各执行构件的运动方式已初步拟定。机械工作循环图可按如下步骤进行设计： A确定机械工作循环时间 T T=1/Q 式中 Q为生产率，如图 4所示的电阻压帽自动机，生产率 Q=30个 /min，则 T=1/Q=(1 60)/30s=2s B确定各执行构件的简化运动线图 图 4 所示的电阻压帽自动机有三个执行构件，它们分别是送料杆 6、夹紧杆 8 和压帽杆 11。由调查研究、试验、类比等方法确定了各执行构件 的动作、时间和相应的分配轴转角，如表 1所示。表 1 执行构件 动作 时间 /s 分配轴转角 送料杆 I 送料行程 工作位置停歇 空回行程 初始位置停歇 T 1=1/2 t 2=1/3 t 3=1/2 t 4=2/3 I1=90 I2=60 I3=90 I4=120 夹紧杆 II 夹紧行程 工作位置停歇 空回行程 初始位置停歇 tII1=5/12 tII2=11/12 tII3=5/12 tII4=1/4 II1=75 II2=165 II3=75 II4=45 压帽杆 III 快速送帽行程 慢速压帽行程 空回行程 初始位置停歇 tIII1=5/12 tIII2=23/26 tIII3=1/2 tIII4=4/9 III1=75 III2=115 III3=90 III4=80 用表中数据可绘出送料杆、夹紧杆和压帽杆的简化运动线图，如图 5 所示。 C协调各执行构件的动作顺序 现以送料杆的简化运动线图为基础，协调其他两个执行构件的运动。由送料与夹紧的关系知，只有当送料杆将工件送到位后，夹紧杆才能去夹紧，但夹紧杆从静止运动至夹紧位置有一段行程， 为了节省时间，可以在送料杆尚未送到位时，夹紧杆就开始运动，只要保证送料杆送到位后夹紧杆才运动至夹紧位置和两执行构件不发生空间碰撞即可。由于机构运动的误差，应在送料杆送到位后一小段时间，夹紧杆才运动至夹紧位置。按此原则，将夹紧杆运动至夹紧位置的时间滞后送料杆送到位的时间 0.166s，即滞后分配轴转角 30。同理，将压帽杆开始慢压的时间滞后夹紧杆运动至夹紧位置的时间 0.083s，即滞后分配轴转角 15。 D绘制机械工作循环图 按上述协调后各执行构件的运动顺序，可初步绘制机械工作循环如图 6 所示。 由图可见，在 315360内，送料杆为送料前的停歇，而夹紧杆和压帽杆各有一段返回行程。又在 045内，夹紧杆和压帽杆均为初始位置停歇，而送料杆有一段送料行程。因此，将315360区段并入 045区段并不影响自动机的工作，但却能减少送料的停歇时间，它相当于 0.25s 或 45转角，如图 7 所示。这样修正后的自动机运动循环时间为 T=（ 2-0.25）s=1.75s。生产率变为： Q=60/T=60/1.75=34.3(件 /min) 图 6 图 7 图 8 由于一个循环的分配轴转角为 360，因此将图 7 的横坐标按比例换成 360，变换后即得该自动机的机械运动循环图，如图 8 所示。图 6 即为教材图 3-9。 四、主传动机构尺度综合 阅读教材 P87 例 2-2、 P131图 2-82。 主传动机构的型确定之后，即可对其进行尺度综合，以满足任务书中规定的设计条件与要求。 设计任务书中的设计条件与要求中规定刨刀取最常用行程 400mm 500mm 时其行程速比系数以控制为 1.4 1.5，插刀取最常用行程 80mm 100mm 时其行程速 比系数以控制为 1.8-2.0 这 是尺度综合的依据。 若采用设计任务书中推荐的主传动机构，见设计任务书最后一个机构示意图，一些设计给定参数需由学生自已确定。 1机架 AC 长度 牛头刨床建议值 lAC=500mm，插床建议值 lAC=150mm。该值的大小影响曲柄的长度进而影响曲柄销 B 处的转动副约束反力和移动副约束反力。其最佳值至少是在多种取值中比较而得到的。但时间所限，学生可采用建议值。 2 K 值和 H 值 设计条件给出了在一定范围变化 K 值和 H 值。这个 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。因此建议牛头刨床按 K=1.5、 H=500 mm，插床按 K=2、 H=150 mm 进行尺度综合。 3 DE 杆长 lDE 长度 建议牛头刨床取 LDE/LCD=0.2 0.3，插床 LDE/LCD=0.5 1。该值将影响机器的总体尺寸，尤其将影响机器的工作空间尺寸，不能过大，但太小又会显著增大后续杆组的压力角。 确定了上述值并阅读了教材 P87例 2-2， P131 图 2-82 后即可综合出主传动机的尺寸。 四、电机及曲柄角速度的确定 电机以价廉物美的普通型感应电动 机为。在此规定电机同步转速为 1500r/min。曲柄角速度速以“刨刀工作行程最大切削速度为 Vmax=1.6m/s”， “插刀工作行程最大切削速度为 Vmax=0.2m/s”这一设计要求为依据确定。刀具工作行程最大切削速度近似出现在曲柄与机架 AC 共线的位置。 五、主传动机构运动分析解析法与图解法 1解析法 要求学生在计算机上计算出对应曲柄转角 =0360范围内主传动机构的运动参数，输出滑块（刀具）的运动参数。关于编程、上机等问题，参阅指导教师提供的编程指导书。 2图解法 除电算外，学生还必须用相对运动图解法求解出主传动机构某个位置（具体位置由指导教师指定）的运动参数，以校核解析法的输出结果并为图解法动态静力分析打下基础。相对运动图解法参阅教材 P93P101。 六、主传动机构的动态静力分析 动态静力分析是用静力学方法解决动力学问题的分析方法。其目的是在已知机构运动学尺寸、运动参数、动力学参数（构件质量、转动惯量，见任务书附表）和工作阻力的条件下求出机构运动副反力和主动件上的平衡力矩。运动副反力和平衡力矩是强度结构设计的基础。动态静力分析的解析法见教材第 6 章第一节。 我们要求用图解法分析一个指定位置的动态静力学问题。图解法可参阅其它机械原理教材，各构件惯性力的确定见教材第 6章第一节。下面就图解法作些说明。 1. 静定组 以含有待求平衡力矩之连架杆（即主传动机构的曲柄）为原动件，对机构进行结构分解，得到原动件组和若干个基本组。这些组都是静定组。每个静定组均可单独求解未知力。但求解顺序正好与运动分析求解顺序相反。具体说，本设计中的主传动机构有曲柄、第三类 II 级组和第二类 II 级组 3 个静定组。运动分析的顺序为：先分析曲柄，再分析第三类 II 级组，最后调用第二类 II 级组子函数。 动态静力分析则是：先分析第二类II 级组，再分析第三类 II 级组，最后分析曲柄。 2第二类 II 级组动态静力分析 在设计任务书最后一个机构示意图中，第三类 II级组已知滑块 5 上的工作阻力（空切行程和回程则无工作阻力）和滑块 5 的惯性力、重力。忽略连杆 4 的重力、惯性力。求解各运动副反力：导轨 6 对滑块 5 之约束反力 R65；内接副反力 R45和外接副反力 R34。未知反力在图解法中这样设置：外接移动副的反力设为过 E点且与导轨方向垂直的主矢 R65；因忽略连杆 4 的重力、惯性力，所以构件 4 为二力构件，外接转动副反力 R34为 DE 方向。求解过程为：以杆组整体为对象，列所有外力（此时内接副的反力为内力，外接副反力为外力）矢量和为零的方程。方程中未知外力只有 R34 和R65 ，将它们分别置于方程左边的首末两个位置上。上述方程用“按精确比例尺画出矢量封闭多边形”的方法即可求解。内接副反力等于 R34。 3第三类 II 级组 第三类 II 级组与上述第二类 II 级组解法相似，这里不作赘述。需指出的是第三类 II 级组导杆外力除重力、惯性力外，还应包含上一求解序列已经求出的力 R43 R34 。 4