插床机构的设计

机械原理课程设计计算说明书课题名称： 插床机构的设计 姓 名： 张超 院 别： 工学院 学 号： 2012010803 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机设1201班 指导教师： 魏原芳 2014年6 月 7日工学院课程设计评审表学生姓名张超专业机械设计制造及其自动化年级2012级学号2012010803设计题目 插床机构设计评价内容评价指标 评分权值评定成绩业务水平有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计机构运动方案（或正确建立数学模型并运用matlab进行仿真）；对所设计机构的特定位置进行运动分析和动态静力分析。独立进行设计工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理设计数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。40论文（设计说明书、图纸）质量论述充分，结论严谨合理；设计方法正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；图纸绘制符合国家标准；计算结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。40工作量、工作态度按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。20合计100指导教师评语 设 计 目 录1 机械原理课程设计任务书 41.1课程设计的目的和任务 41.2机构简介与设计数据 41.3设计内容 61.4设计步骤和要求 62 机构简介与设计数据设计 71.1 插床简介 . 71.2 设计数据 . 83 插床机构的设计及尺寸计算 93、1曲柄导杆机构的设计及尺寸计算 93、2用图解法进行机构的运动分析143、3用图解法进行机构的动态静力分析184 凸轮机构设计21心得与体会 22 参考文献. 23机械原理课程设计任务书学生姓名 张超 班级 1201 学号 2012010803 位置 10 设计题目一：插床机构设计及分析一、课程设计的目的和任务1.课程设计的目的机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要组成部分。机械原理课程设计的目的在于进一步巩固和加深学生所学的机械原理理论知识，培养学生独立解决实际问题的能力，使学生对机械的运动学和动力学的分析和设计有一较完整的概念，并进一步提高电算、绘图和使用技术资料的能力，更为重要的是培养开发和创新机械的能力。2.、课程设计的任务用图解法对插床的连杆机构进行运动分析和动力分析，设计凸轮机构。要求画出A1图纸一张，写出计算说明书一份。二、 机构简介与设计数据1.插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图1所示。电动机经过减速装置（图中只画出齿轮、）使曲柄1转动，再通过导杆机构123456，使装有刀具的滑块沿导路作往复直线运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空行程时间，提高生产效率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴上的凸轮驱动摆动从动件O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空回形成时间，提高生产效率，要求刀具有急回运动。在工作行程中，刀具上作用有相当大的切削阻力，在切削行程的前后各有一段0.05H（H为刀具行程）行程，如图2所示。而在空回行程中则没有切削阻力，因此在一个工作循环中，刀具受力变化很大，从而影响了主轴的匀速运转，为减小主轴的速度波动，需采用飞轮调速，以减小电动机容量和提高切削质量。插床机构简图如图1所示，题目数据列于表1。图1 插床机构简图0.05H0.05HHScFmaxF图2插刀阻力曲线2.设计数据见表1表1 设计数据设计内容导杆机构的设计及运动分析符号n1KlBC/lO3ALO2O3abcHZ1单位r/minmm数据6021150505012510013设计内容导杆机构的动态静力分析凸轮机构的设计符号Z2G3G5JS3FrmaxLO2O4lO4D单位Nkg/m2mmNmm数据401603200.14120100015147125设计内容凸轮机构的设计符号r0rT001002从动杆运动规律单位等加速等减速数据6115601060230在导杆机构中，有30个连续等分的130个位置，其中工作上极限位置为1，在本方案中行程速比系数为k=2，使等分位置21与工作行程的下极限位置重合。刀具距上下极限位置时曲柄所在位置为3和18。总共32个位置，插床机构中曲柄位置分布如图3所示。 图3 插床机构中曲柄位置图3、 设计内容四、设计步骤和要求1）设计步骤1、设计导杆机构。按已知条件确定导杆机构各未知数，其中滑块5的导路位置可根据连杆4传力给滑块5最有利条件来确定，即导路应位于点所画圆弧高的平分线上。2、做机构运动简图。选取长度比例尺l=0(m/s)/mm，先用虚线绘出机构极限位置1，然后用粗线画出所分配位置的机构运动简图，并确定当前位置点位移sC。3、做运动分析。选取速度比例尺v=(m/s)/mm速度、加速度比例尺v=(m/s2)/mm，用相对运动图解法作分配位置的速度多边形和加速度多边形，确定当前位置点速度vc和加速度ac及根据速度和加速度影像求各构件重心的速度vs和加速度as。4、确定阻力。根据切削阻力曲线，将所分析位置相应的切削阻力。5、计算导杆的惯性力和惯性力偶矩以及滑块的惯性力，并将导杆的惯性力和惯性力偶矩合成为一个总惯性力，同时求出该力至重心的距离。6、动态静力分析。将机构拆分为若干基本杆组，以杆组为分离体，画出作用在其上的所有外力，然后取力比例尺N=N/mm，用力多边形或力矩平衡方程求各运动副反力和曲柄上的平衡力矩Mb。7、凸轮机构设计 绘制从动杆的运动线图，画出凸轮实际轮廓曲线。以上作图部分画在图纸上，同时整理说明书。2）设计要求1、绘图问题A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。2、绘图要求作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应符合国家标准。3、计算说明书要求计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。任务分配位置2468101214161818学号12345678910位置2022学号1112二、 机构简介与设计数据1、插床机构简介插床是一种用于工件内表面切削加工的机床。主要有齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如下图1-1a所示。电动机经过减速器装置（图中只画出齿轮z1、z2）使曲柄1转动，再经过导杆机构1-2-3-4-5-6，使装有刀具的滑块沿导路y-y作往复运动，以实现刀具的切削运动，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O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了缩短空行程时间，提高效率，要求刀具有急回运动。图1-1b所示为阻力线图。ABCDHO2xdbO1O3ca123456n2n1z1z2yyQS5S1图3-30 插床机插床机构运动方案构运动方案示意图a）图1-1b)图1-12、设计数据设计数据见表1-1。表1-1 设计数据分组1234插刀往复次数n（次/min）306090120插刀往复行程H（mm）1001209060插削机构行程速比系数K2222中心距Lo2o3(mm)160150140130杆长之比L(BC)/L(o3B)1111凸轮摆杆长度Lo4d(mm)125125125125凸轮摆杆行程角()15151515推程许用压力角()45454545推程运动角0()60906090回程运动角0()90609060远程休止角01()10151015速度不均匀系数0.030.030.030.03最大切削阻力Q(N)2300220021001000阻力力臂d(mm)150140130120滑块5重力G5(N)320340330320构件3重力G3(N)160140130120构件3转动惯量J3(kg*m2)0.140.110.10.1三、插床机构的设计及尺寸计算1、曲柄导杆机构的设计及尺寸计算图1-2 机构运动结构简图已知=150mm，行程H=100mm，行程比系数K=2，根据以上信息确定曲柄 长度，以及到YY轴的距离。（1）、长度的确定图1-2 a） 曲柄长度的确定具体计算过程如下：由，得极位夹角：，首先做出曲柄的运动轨迹，以为圆心，为半径作圆，由图知，随着曲柄的转动，当转到时，与圆相切于上面，刀具处于下极限位置；当转到，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得，与得夹角即为极为夹角。由几何关系知， ，于是可得， ，由几何关系可得： 代入数据，=150mm，得即曲柄长度为75。（2）、杆的长度的确定 图1-2 b） 杆长度的确定由图1-2 b）得知，刀具处于上极限位置和下极限位置时，长度即为最大行程H=100 ，即有=100mm。在确定曲柄长度过程中，可知，那么可得，故可知，为等边三角形。又由几何关系可知，为平行四边形，又由上知，为等边三角形，于是，那么可得，,即 已知，于是可知， 即杆的长度为。（3）、到YY轴的距离的确定B1图1-2 c）到YY轴的距离的确定 由图1-2 c）我们可以看出，YY轴由过程中，同一点的压力角先减小，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。那么我们考虑以下两个位置：、当YY轴与圆弧刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧相切与B1点时，当B点转到，将会出现最大压力角。、当YY轴与重合时，即图中右边的那条点划线时，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）。又根据几何关系可知，由上易知，代入相关数据得，即到YY轴的距离为93.3mm。 综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成。选取1:2的比例尺，画出图形如附图A1纸上机构简图所示。2、用图解法进行机构的运动分析 已知，逆时针旋转，由作图法求解位移，速度，加速度。规定位移、速度、加速度，插刀处于上极限位置时位移为0。（1）、速度分析由已知从图中可知，与垂直，与平行，与垂直，由理论力学中不同构件重合点的方法可得，其中，是滑块 上与A点重合的点的速度，是杆AOB上与A点重合的点相对于滑块的速度，是杆AOB上与A点重合的速度。又由图知，与垂直，与BC垂直，与YY轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：其中，是C点，即插刀速度，是C点相对于B点转动速度，为B点速度。 又B点是杆件3 上的一点，杆件3围绕转动，且B点和杆件与A点重合的点在的两侧，于是可得：由图量得 ,则可到得， 由已知可得，规定选取比例尺=0.0047mmm，则可得矢量图如下：图1-4 a）速度多边形（=0.0047mmm）最后量出代表的矢量长度为43mm,于是可得,=0.202m/s,即曲柄转过108时，插刀的速度为0.202m/s。（2）、加速度分析由理论力学知识可得矢量方程：其中，是滑块上与A点重合点的加速度，=，方向由指向；是科氏加速度，（其中大小均从速度多边形中量得），q方向垂直向下；是相对于滑块 的加速度，大小位置，方向与平行；是C点相对于B点转动的向心加速度，=,方向过由C指向B；是C点相对于B点转动的切向加速度，大小位置，方向垂直BC。次矢量方程可解，从而得到。 B时杆AOB 上的一点，构AOB 围绕转动，又与B点在的两侧，由（是 角加速度）可得量出则可得到的大小和方向。又由理论力学,结合图可得到，其中，在上一步中大小方向都能求得；是C相对于B点转动的向心加速度，方向由C点指向B点；是C相对于B点转动的切向加速度，大小未知，方向与BC垂直。矢量方程可解，从而可得到C点，即插刀的加速度。取比例尺=0.0296,可得加速度矢量图如下：图1-4 (b)加速度多边形（UA=0.0296）由图(1-4b)直尺量的a3长度为30mm，于是可得a30.888。即当曲柄转过108时，插刀的加速度为0.888。3、用图解法进行机构的动态静力分析根据运动分析的结果，按照下列步骤用图解法对插床主执行机构的一个位置进行动态静力分析。1）、计算惯性力和惯性力矩导杆3的惯性力和惯性力矩为：=5.98N，=1.22kgm。惯性力作用在质心 上。2、动态静力分析1）由杆组4的受力图和力的平衡条件可得： 其中为构件4与竖直方向的夹角。解方程可以求得和, 取合适的力比例尺=10 N/mm，作出力多变形。2)由杆组3的受力图和平衡条件可得： 解方程式可得。在对O3点取距：其中，l1为R43到O3点的垂直距离，l2为G3到O3点的垂直距离，l3为Fi3到O3点的垂直距离，l4为FAO2到O3点的垂直距离。求得：FAO2=387.98N取合适的力比例尺=10N/mm，作出力多变形。3）由曲柄1的受力图和平衡条件得： 式中，是力对点力臂的图示长度。根据方程式可求得平衡力矩四、凸轮机构的设计及尺寸计算利用作图法按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线，具体设计步骤：绘制从动件的运动线图，由已知、=60 、 、=60 、 ，可画出其运动规律，如下图所示： 图1-2 d）从动件的运动线图画出凸轮实际轮廓曲线，根据图1-2 d）运动规律，由已知数据，利用反转法画出凸轮实际轮廓曲线。详见A1附图（凸轮实际轮廓）。心得体会作为一名机械设计制造及其自动化大二的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。时光飞逝，一转眼，课程设计也接近的尾声.说起课程设计，在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西,领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化. 在社会这样一个大群体里面,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会.在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大,有些人很有责任感,把这样一种事情当成是自己的重要任务,并为之付出了很大的努力,不断的思考自己所遇到的问题.而有些人则不以为然,总觉得自己的弱势.其实在生活中这样的事情也是很多的,当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们过去的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题.我认为最重要的就是做好设计的预习，认真的研究老师给的题目，其次，老师对题目的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。在这两周来，也暴露了自己很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意把最基本的东西遗忘了，由于对实物不熟悉导致设计起来很费力。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次课程设计所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。参考文献机械设计手册 成大先 主编 化学工业出版社机械原理（第七版）郑文纬 吴克坚 主编 高等教育出版社机械原理课程设计第二版 陆凤仪 主编 机械工业出版社机械原理课程设计手册 邹慧君 主编 高等教育出版社机械设计学 黄靖远 主编 机械工业出版社