机械原理课程设计

1、一、设计题目： 插床机械设计二、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lO8D和其它有关机构（图中未画出）来完成的。三、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

2、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9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。四、设计内容及工作量：机械原理部分 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, lBC=(0.50.6)lBO4。要求用图解法设计，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。将导杆机构放在直角坐标系下，编制程序分析出滑块

3、6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度，画出运动曲线，并打印上述各曲线图。要求将建模过程详细地写在说明书中。 4.导杆机构的动态静力分析。通过建立机构仿真模型，并给系统加力，编程求出外加力，并作出曲线，并求出最大平衡力矩和功率。 5.凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸（基圆半径ro、机架lO2O9和滚子半径rr），并将运算结果写在说明书中。将凸轮机构放在直角坐标系下，编制程序画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。 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。以上工作完成后准备机械原理部分的答辩。五、设计数据：6 设计

4、计算过程（1） 方案的选择与比较1. 方案一 该方案如图11由两个四杆机构组成。使b>a, 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，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。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

5、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，所以受力更好，结构也更加紧凑。图123. 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。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，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

6、，且使最小传动角减小，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。（2） 导杆机构分析与设计1.机构的尺寸综合 因为、 而k=2.0 由上面方程可得 =60°又因为a=lO2A=80mm 可得b=O2O4=160mm根据几何关系H=2lBO4sin(/2)=140mm可得lBO4=80.8mmlBC =（0.5-0.6）lBO4=40.4-48.48取 lBC=45mm 2.导杆结构的运动分析1） .当在（a）所示位置时，此时构件4处在极位（a）速度分析: 曲柄的长度为lO2A=80mm 转速n2=45r/min曲柄的角速度为w2=2n

7、/80=3.53rad/s 方向 大小 ？由图解法得：= （错误）因为=0所以竿4没有转动,即，又因为构件3，是一个滑块，竿4又有铰链定位。所以实际上：=0 求B点的速度： 由于构件4上点是B和A的绝对瞬心点， 点的速度已知，利用构件4上的速度影像有: 得 求： B、C是同一构件上的点，根据同一构件上点间的速度关系: 方向 导杆 大小 ？ 0 ？ 可得： 加速度分析： 因为aA2=w22 lAO2=0.998m/m2 根据速度合成原理有： 大小 ？ 0.998 ？ 0方向 ？ 可得：= =0.998m/s2 方向：又根据速度合成原理求6滑块C的速度： 大小 ？ ？ ？ 0.998方向 又图解法

8、作图解： 的值通过在AB杆上由杠杆定理求得:AO4/0.998=BO4/aB=0.99m/s2 又速度比例=aB/lbp=0.0068 所以=0.9996m/s2 方向垂直向上(二). 滑块A在下极位的时候 对机构分析,同理可得：Vc=0，=0.9996m/s2 方向垂直向下(三). 滑块A于机架位于同一位置的右边时：速度分析：VA2=3.53*0.08=0.282m/s VA2=VA3 又速度合成原理有： 大小 ？ 0.282 0方向 所以=0.282m/s又杠杆原理有VB=0.28m/s 方向 又速度合成原理： 大小 ？ 0.282 0方向 所以=0.282m/s加速度分析： W4=0.2

9、82/0.147=1.918m/s2 大小 ？ 0 0.997 0 0方向 ？ 0 0 所以=0.54m/s2同理aB=0.54m/s2 加速度合成原理有： 大小 ？ 0.54 0 0方向 0 0 所以= 0.54m/s2 ，方向 ，向下(四). 滑块A于机架位于同一位置的左边时：速度分析：VA2=3.53*0.08=0.282m/s 又速度合成原理有： 大小 ？ 0.282 0方向 所以=0.282m/s又杠杆原理有VB=0.514m/s 方向 又速度合成原理： 大小 ？ 0.514 0方向 所以=0.514m/s加速度分析：因为aA2=（3.53）2*0.08=0.997m/s2 WA=0

10、.282/0.08=3.525rad/s加速度合成原理有： 大小 ？ 0 0.0997 0 0方向 ？ 0 0所以aA2=（3.53）2*0.08=0.997m/s2同理aB=1.82m/s2加速度合成原理有： 大小 ？ 1.82 0 0方向 0 0所以=1.82m/s2 方向 ，向上3. 凸轮机构设计(1). 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: ()等减速段: ()由以上两个表达式求得: () ()最大摆角时有: L*d/d=122*4*20*30/602=81.3mm如图3-1所示为摆杆盘形

11、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,摆杆摆角为为摆杆的初始摆角,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:(a+OP) =OP, (1)则 OP/(OP+a)= . (2)将(1)式分子分母同乘整理得:OP(1-)=a (3)由式(3)求出OP代入式(1)右边得: a+OP=A/(1-) (4)在三角形AP中由正统定理有: (5)将式(4)代入式(5)中得: (6)用代入式(6)中得: (7)过点O作O/P,则,再由式(2)得 ,等式(7)正是的正弦定理.将等式(6)中的展开得:tan= (8)由

12、等式(8)求得 (9)将代入式(9)得: (10)如果在图3-1所示位置的接触点处的压力角正好满足,比较式(10)和式(7)可知,直线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和的解域. 图3-1 图3-2回程时, <0,压力角a<0,传力条件变成-tan,由此可导出满足传力条件性能的条件: (11)将代入式(11)得: (12)同理出可以求出回程时的a和的解域.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和的解域.如图3-2所示的是

13、一个用作图法求出的同向型凸轮机构的a和的解域.由图可知, 的线图是在摆杆的各个以A为圆心的以L=为半径的圆弧线上取点如图中,推程时沿着此位置时的摆杆直线内侧量取线段=80mm,得,过作直线使之与直线倾斜角;同理,回程时也可沿着摆杆直线外侧量取回程时的线段,得,作直线使之与直线反向倾斜角.一般地,阴影区由多个位置时的边界线围成,显然,选取的点数多, a和的解域就精确.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, . 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,摆杆摆角为为摆杆的初始摆角,P点为摆杆和凸轮

14、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:(a+OP) =OP, (1)则 OP/(OP+a)= . (2)将(1)式分子分母同乘整理得:OP(1-)=a (3)由式(3)求出OP代入式(1)右边得: a+OP=A/(1-) (4)在三角形AP中由正统定理有: (5)将式(4)代入式(5)中得: (6)用代入式(6)中得: (7)过点O作O/P,则,再由式(2)得 ,等式(7)正是的正弦定理.将等式(6)中的展开得:tan= (8)由等式(8)求得 (9)将代入式(9)得: (10)如果在图3-1所示位置的接触点处的压力角正好满足,比较式(10)和式(

15、7)可知,直线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和的解域. 图3-1 图3-2回程时, <0,压力角a<0,传力条件变成-tan,由此可导出满足传力条件性能的条件: (11)将代入式(11)得: (12)同理出可以求出回程时的a和的解域.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和的解域.如图3-2所示的是一个用作图法求出的同向型凸轮机构的a和的解域.由图可知, 的线图是在摆杆的各个以A为圆心的以L=为半径的圆弧线上取点如图

16、中,推程时沿着此位置时的摆杆直线内侧量取线段=80mm,得,过作直线使之与直线倾斜角;同理,回程时也可沿着摆杆直线外侧量取回程时的线段,得,作直线使之与直线反向倾斜角.一般地,阴影区由多个位置时的边界线围成,显然,选取的点数多, a和的解域就精确.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, . 如图3-2所示求得的机架长度a=175mm, 80mm 选取凸轮机构为滚子从动件凸轮机构。滚子半径=(0.50.1) ,取=32mm(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=为半径的基圆;以O为圆心,以OA=a为