插床机构综合设计说明书

机械原理课程设计

插床机构综合

学生姓名：卢佛俊

专业班级： 08机电二班

学号： 20087668

目录

一、设计题目简介

二、设计数据与要求

三、设计任务

四、插床主体机构尺寸综合设计

五、插床切削主体结构运动分析

六、重要数据及函数曲线分析

七、工作台设计方案

八、总结

九、参考文献

设计题目：插床机构综合

一、设计题目简介

插床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。图示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，是由固结于轴上的凸轮驱动摆动从动件和其他有关机构（图中未画出）来实现的。

针对图所示的插床机构运动方

案，进行执行机构的综合与分析。

二、设计数据与要求

依据插床工况条件的限制，预先确定了有关几何尺寸和力学参数，如表6－4所示。要求所设计的插床结构紧凑，机械效率高。

插床机构设计数据

插刀往复次数

（次/min

） 60 插刀往复行程

（mm ）

100 插削机构行程速比系数

2

插床机构运动方案示意图

插刀所受阻力曲线

三、设计任务

1. 针对图所示的插床的执行机构（插削机构和送料机构）方案，依据设计要求和已知参数，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图；

2. 假设曲柄1等速转动，画出滑块C 的位移和速度的变化规律曲线；

3. 在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图所示，在不考虑

各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩； 4. 取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量； 5. 用软件（VB 、MATLAB 、ADAMS 或SOLIDWORKS 等均可）对执行机构并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

6. 图纸上绘出最终方案的机构运动简图（可以是计算机图）并编写说明书。

四、插床主体机构尺寸综合设计

方案选择：

方案一：结构简图如下

杆长之比

1 质心坐标（mm ） 50 质心坐标（mm ） 50 质心坐标

（mm ）

120

凸轮摆杆长度（mm ） 120 凸轮摆杆行程角（0

）

15 推程许用压力角（0

）

45 推程运动角（0

） 90 回程运动角（0

）

60 远程休止角

（0

）

15 推程运动规律 3-4-5次多项式 回程运动规律 等速 速度不均匀系数

0.05 最大切削阻力（N ）

1000 阻力力臂（mm ） 120 滑块5重力（N ） 320 构件3重力

（N ）

160

构件3转动惯量

（kgm 2

）

0.14

方案二：机构简图如下：

经过对方案一和方案二的比较，我们发现方案一的优点是结构简单，易于实现。方案二的优点是可承受的力要大。考虑到插床需要较大的进给里用已加工零

件，所以我们选择方案二，下面我们就相对于方案二进行进一步的计算和设计。

已知21O O =150mm ，1/2 BO BC ，行程H=100mm ，行程比系数K=2，

根据以上信息确定曲柄,1A O 2,BO BC 长度，以及2O 到YY 轴的距离 1.A O 1长度的确定

图 1 极限位置

由)180/()180(00θθ-+=K ，得极为夹角：

060=θ，

首先做出曲柄的运动轨迹，以1O 为圆心，A O 1为半径做圆，随着曲柄的转动，有图知道，当A O 2转到12A O ，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当A O 2转到22A O ，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到12A O 与22A O 得夹角即为极为夹角060=θ。由几何关系知，212211O O A O O A ∠=∠，于是可得，

021221160=∠=∠O O A O O A 。由几何关系可得：

2111cos O O A O ?=θ

代入数据，21O O =150mm ，060=θ，得

mm A O 751=

即曲柄长度为75mm 2. 杆2BO BC 、的长度的确定

图 2 杆BC ，BO 2长度确定

由图2 知道，刀具处于上极限位置2C 和下极限位置1C 时，21C C 长度即

为最大行程H=100mm ，即有21C C =100mm 。

在确定曲柄长度过程中，我们得到021221160=∠=∠O O A O O A ，那么可得到022160=∠B O B ，那么可知道三角形221O B B ?等边三角形。

又有几何关系知道四边形1221C C B B 是平行四边形，那么1212C C B B =，又上面讨论知221O B B ?为等边三角形，于是有1221B B O B =，那么可得到

mm O B 10022=,即mm BO 1002=

又已知1/2=BO BC ，于是可得到

mm BO BC 1002==

即杆2,BO BC 的100mm 。 3.2O 到YY 轴的距离的确定

图 3 2O 到YY 轴的距离

有图我们看到，YY 轴由3311y y y y 移动到过程中，同一点的压力角先减小，后

B 1

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。 考虑两个位置：

1当YY 轴与圆弧12B B 刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧1

2B B 相切与B1点时，当B 点转到12,B B ，将会出现最大压力角。

2.当YY 轴与12B B 重合时，即图中右边的那条点化线时，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12B O 与12B B 得交点）。又几何关系知道：

2/)cos (cos 22222222C O B B O B O C O B B O l ∠?-+∠?=

由上面的讨论容易知道02230=∠C O B ，再代入其他数据，得：

mm l 3.93=

即2O 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已知21O O =150mm ，

1/2=BO BC ，行程H=100mm ，行程比系数K=2，

根据以上信息确定曲柄,1A O 2,BO BC 长度，以及2O 到YY 轴的距离 1.A O 1长度的确定

图 4 极限位置

由)180/()180(00θθ-+=K ，得极为夹角：

060=θ，

首先做出曲柄的运动轨迹，以1O 为圆心，A O 1为半径做圆，随着曲柄的转动，有图知道，当A O 2转到12A O ，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当A O 2转到22A O ，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到12A O 与22A O 得夹角即为极为夹角060=θ。由几何关系知，212211O O A O O A ∠=∠，于是可得，

021221160=∠=∠O O A O O A 。由几何关系可得：

2111cos O O A O ?=θ

代入数据，21O O =150mm ，060=θ，得

mm A O 751=

即曲柄长度为75mm 2. 杆2BO BC 、的长度的确定

图 5 杆BC ，BO 2长度确定

由图2 知道，刀具处于上极限位置2C 和下极限位置1C 时，21C C 长度即为最大行程H=100mm ，即有21C C =100mm 。

在确定曲柄长度过程中，我们得到021221160=∠=∠O O A O O A ，那么可得到022160=∠B O B ，那么可知道三角形221O B B ?等边三角形。

又有几何关系知道四边形1221C C B B 是平行四边形，那么1212C C B B =，又上面讨论知221O B B ?为等边三角形，于是有1221B B O B =，那么可得到

mm O B 10022=,即mm BO 1002=

又已知1/2=BO BC ，于是可得到

mm BO BC 1002==

即杆2,BO BC 的100mm 。 3.2O 到YY 轴的距离的确定

图 6 2O 到YY 轴的距离

有图我们看到，YY 轴由3311y y y y 移动到过程中，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。 考虑两个位置：

1当YY 轴与圆弧12B B 刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧1

2B B 相切与B1点时，当B 点转到12,B B ，将会出现最大压力角。

2.当YY 轴与12B B 重合时，即图中右边的那条点化线时，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12B O 与12B B 得交点）。又几何关系知道：

2/)cos (cos 22222222C O B B O B O C O B B O l ∠?-+∠?=

由上面的讨论容易知道02230=∠C O B ，再代入其他数据，得：

mm l 3.93=

B 1

即2O 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。

五、插床切削主体结构运动分析

用图解法作机构的运动分析和动态静力分析

已知m r w /60=，逆时针旋转，由作图法求解位移，速度，加速度。规定位移，速度，加速度向下为正，插刀处于上极限位置时位移为0.

当O 175=? （1）位移 在1：1 的基础上，量的位移为79.5mm 。，即 曲柄转过175°时位移为79.5mm 。

（2）速度

由已知从图中可知，2A V 与A O 1垂直，23A A V 与A O 2平行，3A V 与A O 2垂直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得

∨

∨

∨

∨+=

→

→

→

方向

大小??22

33

A A A A v v v

其中，2A V 是滑块 上与A 点重合的点的速度，23A A V 是杆AOB 上与A 点重合的点相对于滑块的速度，3A V 是杆AOB 上与A 点重合的速度。

又由图知，B v 与B O 2垂直，CB v 与BC 垂直，C v 与YY 轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：

∨

∨

∨

∨+=

→

→

→

??CB B

C

v v v 方向

大小 其中，C v 是C 点，即插刀速度，BC v 是C 点相对于B 点转动速度，B v 是B 点速度。

又B 点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕2O 转动，且B 点和杆件与A 点重合

的点在2O 的两侧，于是可得：

33

22A A O B

O B v v →

→-=

由图量的mm A O 22032=,则可到

3220

100

A B v v =

由已知可得s mm A O w v A /47175212≈?=?=π，规定选取比例尺

mm s mm u /151-?=，则可的矢量图如下：

最后量出代表C v 的矢量长度为12mm, 于是，可得 C v =0.174m/s

即曲柄转过175°时，插刀的速度为0.174m/s 。

（3）加速度

由理论力学知识可得矢量方程：

∨

∨

∨

∨∨+

+

=

→

→

→

→

？

方向

？大小?23232

A3

r A A k A A A αααα

其中，2A α是滑块上与

A 点重合点的加速度，

2A α=212/88.29577544s mm A O ≈?=?πω，方向由4A 指向1O ；k A A 2

3α→

是科氏

加速度，22332

3/10802s mm v A A k

A A ≈??=ωα（其中233

,A A A v v

大小均

从速度多边形中量得），q 方向垂直42A O 向下；r

A A 23α是4A 相对于滑块 的加速

度，大小位置，方向与42A O 平行；n A3A2

α是C 点相对于B 点转动的向心加速

度，n A3O2α=22

/43.993/s mm BC v CB ≈,方向过由C 指向B ；t O A 2

3α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3A α。

B 时杆AOB 上的一点，构AOB 围绕2O 转动，又4A 与B 点在2O 的两侧，由

R R n t 2,ωαβα==（β是 角加速度）可得

33

22A A O B

O B αα→

→

-=

量出42A O 则可得到B α的大小和方向

又由理论力学,结合图可得到；

∨

∨

∨

∨

∨∨+

+

=

→

→

→

→

方向

大小??CB t n CB B

c

αααα

其中，

B α在上一步中大小方向都能求得；n CB

α

是C 相对于B 点转动的向心加速

度22/36/s mm BC v BC n CB ≈=α，方向由C 点指向B 点；t

CB α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。次矢量方程可解，从而可得到C 点，即插刀的加速度。取比例尺mm s mm u /362-?=，可得加速度矢量图如下：

最后由直尺量的c a 长度为12mm ，于是，可得c a 2/432.0s m ≈ 当O 355=? （1）位移

在1：1 的基础上，滑块的位移为1.5mm 。，即 曲柄转过355°时位移为1.5mm 。

（2）速度

由已知从图中可知，2A V 与A O 1垂直，23A A V 与A O 2平行，3A V 与A O 2垂直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得

∨

∨

∨

∨+=

→

→

→

方向

大小??2

2

33

A A A A v v v

其中，2A V 是滑块 上与A 点重合的点的速度，23A A V 是杆AOB 上与A 点重合的点相对于滑块的速度，3A V 是杆AOB 上与A 点重合的速度。

又由图知，B v 与B O 2垂直，CB v 与BC 垂直，C v 与YY 轴平行，有理论力学同

一构件不同点的方法可得：

∨

∨

∨

∨+=

→

→

→

??CB B

C

v v v 方向

大小 其中，C v 是C 点，即插刀速度，BC v 是C 点相对于B 点转动速度，B v 是B 点速度。

又B 点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕2O 转动，且B 点和杆件与A 点重合

的点在2O 的两侧，于是可得：

33

22A

A O B

O B v v →

→-=

由图量的mm A O 5.12352=,则可到

35

.123100A B

v v = 由已知可得s mm A O w v A /47175212≈?=?=π，规定选取比例尺

mm s m u /101-?=，则可的矢量图如下：

最后量出代表C v 的矢量长度为2.16mm,于是，可得：