机械原理课程设计-插床设计

长江学院机械原理课程设计说明书设计题目：插床机构设计学院：机械与电子工程学院专业：班级：设计者：学号：指导老师：2016年7月1日目录题目及设计要求 (3)1机构简介 (3)2设计数据 (4)二、插床机构的设计内容与步骤 (6)1、导杆机构的设计与运动分析 (6)⑴、设计导杆机构。

(6)⑵、作机构运动简图。

(6)⑶、作滑块的运动线图。

(6)⑷、用相对运动图解法作速度、加速度多边形。

(7)2、导杆机构的动态静力分析 (8)⑴、绘制机构的力分析图（图1-4）。

(8)⑵、选取力矩比例尺μM(N.mm/mm)，绘制等效阻力矩Mr的曲线图 (9)⑶、作动能增量△Ｅ―φ线。

(10)3、用解析法较好机构运动分析的动态静力分析结果 (11)⑴、图解微分法 (11)⑵、图解积分法 (14)4、飞轮设计 (14)5、凸轮机构设计 (16)6、齿轮机构设计 (19)三、感想与体会 (21)四、参考文献 (22)题目及设计要求1机构简介插床是一种用于工件内表面切削加工的机床，也是常用的机械加工设备，用于齿轮、花键和槽形零件等的加工。

图1为某插床机构运动方案示意图。

该插床主要由带转动、齿轮传动、连杆机构和凸轮机构等组成。

电动机经过带传动、齿轮传动减速后带动曲柄1回转，再通过导杆机构1－2－3－4－5－6，使装有刀具的滑块沿道路y－y作往复运动，以实现刀具切削运动。

为了缩短空程时间，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O4D和其他有关机构（图中未画出）来实现的。

为了减小机器的速度波动，在曲柄轴O2上安装一调速飞轮。

为了缩短空回行程时间，提高生产效率，要求刀具具有急回运动，图2为阻力线图。

图2图12设计数据 符号n ₁K H LBC/LO2B L O203a b c J S3 G 3G 5F t d 【δ】单位r/min mm kg·m³mm 数据602100116050601400.1416032010001200.04内容导杆机构设计及运动分析导杆机构的动态静力分析及飞轮转动惯量确定N mm二、插床机构的设计内容与步骤1、导杆机构的设计与运动分析⑴、设计导杆机构。

按已知数据确定导杆机构的各未知参数，其中滑块5导路y-y的位置可根据连杆4传力给滑块5的最有利条件来确定，即y-y应位于B点所画圆弧高的平分线上（见参考图例1）。

⑵、作机构运动简图。

选取长度比例尺μl(m/mm)，按表1-2所分配的加速度位置用粗线画出机构运动简图。

曲柄位置的作法如图1-2；取滑块5 在下极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得12个曲柄位置，位置5对应于滑块5处于上极限位置。

再作出开始切削和终止切削所对应的5ˊ和12ˊ两位置。

图1-2 曲柄位置图⑶、作滑块的运动线图。

为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移，取位移比例尺μs=μl，根据机构及滑块5上C点的各对应位置，作出滑块的运动线图s c (t)、然后根据s c (t)线图用图解微分法（弦线法）作滑块的速度v c (t)线图（图1-2），并将其结果与4）相对运动图解法的结果比较。

图1-2 用图解微分法求滑块的位移与速度线图⑷、用相对运动图解法作速度、加速度多边形。

选取速度比例尺μv [(m ·s -1)/mm]和加速度比例尺 μa [(m ·s -2)/mm]，作该位置的速度和加速度多边形（见图1-3）。

① 求A v1ωr v A =其 中 60/211n πω= (rad/s)② 列 出 向 量 方 程 ,求 33A A a v 和2323A A A A v v v ρρρ+=r A A k A A A t A n A a a a a a 2323233ρρρρρ++=+用速度影像法求B B a v 和③ 列 出 向 量 方 程 ,求 C C a v 和CB B C v v v ρρρ+= t CB n CB B C a a a a ρρϖϖ++=a ）速度图b ）加速度图图1-3 位置7的速度与加速度图2、导杆机构的动态静力分析已知 各构件重力G 及其对重心轴的转动惯量J s 、阻力线图（图1－1）及已得出的机构尺寸、速度和加速度。

⑴、绘制机构的力分析图（图1-4）。

力分析的方法请参考《机械原理》教材已知各构件重力G及其对重心轴的转动惯量J s、阻力线图（图1－1）及已得出的机构尺寸、速度和加速度，求出等效构件1的等效阻力矩Mr。

（注意：在切削始点与切削终点等效阻力矩应有双值）⑵、选取力矩比例尺μM(N.mm/mm)，绘制等效阻力矩Mr 的曲线图（图1-4）图1-4 等效阻力矩Mr和阻力功Ar的曲线图利用图解积分法对Mr进行积分求出Ar-φ曲线图，假设驱动力矩M d为恒定，由于插床机构在一个运动循环周期内做功相等，所以驱动力矩在一个周期内的做功曲线为一斜直线并且与Ar曲线的终点相交如图1-4中Ad所示，根据导数关系可以求出M d曲线（为一水平直线）。

⑶、作动能增量△Ｅ―φ线。

取比例尺μＥ＝μＡ＝ＫμφμＭ（Ｊ／mm），动能变化△Ｅ＝Ａd －Ａr，其值可直接由图1-4上Ａd（φ）与Ａr（φ）曲线对应纵坐标线段相减得到，由此可作出动能变化曲线A d与Ar相减的曲线图（如图1-5）。

图1-5 作动能增量△Ｅ―φ线图3、用解析法较好机构运动分析的动态静力分析结果 ⑴、图解微分法下面以图1-6为例来说明图解微分法的作图步骤,图1-6为某一位移线图, 曲线上任一点的速度可表示为:αμμμμtan tSt S dx dy dt ds v ===图1-6 位移线图其中dy 和dx 为s=s(t)线图中代表微小位移ds 和微小时间dt 的线段, α为曲线s=s(t) 在所研究位置处切线的倾角。

上式表明,曲线在每一位置处的速度v 与曲线在该点处的斜率成正比,即v ∝tg α,为了用线段来表示速度,引入极距K(mm),则αμαμμαμμμμtan tan tan K K Kdx dy dt ds v v t S t S t S =⋅====式中μv 为速度比例尺,μv = μs /μt K ( m/s/mm )。

该式说明当K 为直角三角形中α角的相邻直角边时,(Ktg α)为角α的对边。

由此可知,在曲线的各个位置, 其速度v 与以K 为底边,斜边平行于s=s(t)曲线在所研究点处的切线的直角三角形的对边高度(Ktg α)成正比。

该式正是图解微分法的理论依据,按此便可由位移线图作得速度线图(v-v(t)曲线),作图过程如下:先建立速度线图的坐标系v=v(t)(图1-7a),其中分别以μv 和μt 作为v 轴和t 轴的比例尺, 然后沿轴向左延长至o 点,o0=K(mm),距离K 称为极距,点o 为极点。

过o 点作s=s( t)曲线(图1-6)上各位置切线的平行线o1"、o2"、o3"...等,在纵坐标轴上截得线段01"、02"、03"...等。

由前面分析可知,这些线段分别表示曲线在2'、3'、4'... 等位置时的速度,从而很容易画出位移曲线的速度曲线(图1-7a)。

图1-7.速度线图a) 切线作图 b) 弦线作图上述图解微分法称为切线法。

该法要求在曲线的任意位置处很准确地作出曲线的切线，这常常是非常困难的，因此实际上常用“弦线”代替“切线”，即采用所谓弦线法,作图方便且能满足要求,现叙述如下: 依次连接图1-6中s =s(t)曲线上相邻两点,可得弦线1'2'、2'3'、3'4'...等,它们与相应区间位移曲线上某点的切线平行。

当区间足够小时,该点可近似认为在该区间(例2,3)中点的垂直线上。

因此我们可以这样来作速度曲线:如图1-7b所示,按上述切线法建立坐标系v=v(t)并取定极距K 及极点o,从o 点作辐射线o1'、o2'、o3'、o4'...等,使分别平行于弦线01'、1'2'、2'3'、3'4'...并交纵坐标轴于1"、2"、3"...等点。

然后将对应坐标点投影相交,得到一个个小矩形(例图1-7b 中矩形22"33"),则过各矩形上底中点(例图1-7b 中e,f 点等)的光滑曲线,即为所求位移曲线的速度线图(v=v(t)曲线)。

⑵、图解积分法图解积分法为图解微分法的逆过程。

取极距Ｋ（mm ），用图解积分法由力矩Ｍr ―φ曲线求得力矩所做的功Ａr ―φ曲线（图1-4）。

由于αμαμμμμϕϕϕtan tan //K K Kdx dy d dA M M AA =⋅===其中KA M ϕμμμ=故取Ａr ―φ曲线纵坐标比例尺MA K μμμϕ=求Ａr 的理论依据如下：∑∑∑⎰⎰⎰===∆=∆=∆≈===ni ii A n i i i M ni ii M M M r r x x K x K yK dx K y K dx y d M A 111202020tan tan αμαμμμμμμμμφϕϕπϕπϕπ4、飞轮设计计算飞轮的转动惯量J F已知 机器运转的速度不均匀系数δ，机器在曲柄轴1上转速n 1，在图1-5中，ΔE 的最大和最小值，即ωmax 和ωmin 位置，对应纵坐标ΔE max 和ΔE min 之间的距离gf ，则E gf E E A μ)(][min max max=∆-∆='所以J F 为：212max][900n A J F δπ'=所求飞轮转动惯量为：5、凸轮机构设计1、等加速等减速22021022102/4/4/j f d d w f w d d a f w d ìï=ïïï=íïïï=ïî2、余弦010*******[1cos(/)]/2sin(/)/(2)cos(/)/(2)j e pd d w pf w pd d d a p f w pd d d ìï=-ïïï=íïïï=ïî3、正弦0010022100[(/)sin(2/)/(2)][1cos(2/)]/2sin(2/)/j f d d pd d p w f w pd d d a pf w pd d d ìï=-ïïï=-íïïï=ïî4、五次多项式23450123452341121314151222223213141512345261220C C C C C C C C C C C C C C C j d d d d d w w w d w d w d w d a w w d w d w d ìï=+++++ïïï=++++íïïï=+++ïî回程运动规律：010(1/)/0j f d d w f w d a ì=-ïïïï=-íïïï=ïî修正后的等速回程取0110100115/(22)d f d f d d ì=ïïíï=-ïî正弦加速度加速阶段（10d £）：1010111010122110101(/sin(/)/)(cos(/)1)/sin(/)/j f f d d pd d p w f w pd d d a pf w pd d d ìï=+-+ïïï=-íïïï=-ïî等速阶段110100111001()(1()/(2))()/(2)0j f f f d d d d w f f w d d a ì=+----ïïïï=---íïïï=ïî正弦加速度减速阶段（010d d -?）：10010011100101221100101(()/sin(()/)/)(cos(()/)1)/sin(()/)/j f d d d p d d d p w f w p d d d d a pf w p d d d d ìï=---ïïï=--íïïï=-ïî-80-60-40-200204060-80-60-40-20204060x/mmy /m m凸轮理论实际轮廓曲线（A ）6、齿轮机构设计已知z 1=14，z 2=41，m=8, α=20º 所以三、感想与体会通过这段时间的设计，我受益匪浅，不仅在学问方面有所提高，而且在为人处事方面有了更多的认识。