插床机构说明书样本.doc

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机械原理课程设计
插床机构说明书

负 责 人: 廖昭洋
学 院: 机电工程学院
班 级: 机械1102班
学 号:
日 期: 7月11日

设 计 目 录
1. 设计任务及原始参数 ...........................................................................................2
1.1插床简介 ...................................................................................................................................2
1.2设计任务 ...................................................................................................................................2
1.3原始参数 ..................................................................................................................................3
2. 运动方案设计 ..........................................................................................................................4
2.1主机构方案 ...............................................................................................................................4
2.2齿轮传动机构方案 ...................................................................................................................5
3. 电动机的选择 ........................................................................................................6
3.1电动机的型号 ...........................................................................................................................6
3.2电动机的功率 ...........................................................................................................................6
4.传动比分配 ...........................................................................................................8
5.齿轮机构设计 .........................................................................................................................8
6.主机构设计 ..........................................................................................................10
7.主机构的运动分析 ..............................................................................................13
7.1插床基本参数 ..........................................................................................................................13
7.2matlab运动分析 ......................................................................................................................14
8. 主机构的受力分析 ...............................................................................................21
9. 主机构的速度波动调节 .......................................................................................30
10. 小结 .....................................................................................................................33
参考文献

1. 设计任务及原始参数
1.1插床简介
工作原理
插床实际是一种立式刨床, 在结构原理上与牛头刨床同属一类。插刀随滑枕在垂直方向上的直线往复运动是主运动, 工件沿纵向横向及圆周三个方向分别所作的间歇运动是进给运动。插床的生产效率较低, 加工表面粗糙度Ra为6.3-1.6微米, 加工面的垂直度为0.025/300毫米。插床的主参数是最大插削长度。
特点
插床用于插削平面、 成型面及键槽等, 并能插倾斜度在10°范围内的模具等工作物, 适用于单个或小批量生产的企业。插床的工作台具有三种不同方向的进给( 纵向、 横向和回转) , 故工作物经过一次装夹后, 在本机床加工几个表面。

1.2设计任务
1. 针对图所示的插床的执行机构方案, 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、 其它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) 对执行机构进行运动仿真, 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并编写说明书。
1.3原始参数

参数项目 数据
曲柄转速n( r/min) 65
行程速比系数K 1.8
插程H( mm) 150
连杆与导杆之比LO3B/LBC 0.8
工作阻力Fr(N) 3500
空程阻力Ff( N) 175
Lo2o3( mm) 150
滑块质量m2, m5(kg) 50
杆件线密度( kg/m) 200
不均匀系数 0.05

2.运动方案设计
2.1主机构方案

( 1) 运动是否具有确定的运动
该机构中构件n=5。在各个构件构成的的运动副中Pl=7,Ph=0。由以上条件可知: 机构的自由度F=3n-2Pl-Ph=1。机构的原动件是曲柄, 原动件的个数等于机构的自由度, 因此机构具有确定的运动。
( 2) 机构传动功能的实现
在原动件曲柄1带滑块2的作用下, 摇杆3在一定的角度范围内摆动。经过摇杆杆3带动连杆4运动, 从而实现刨刀的往复运动。
( 3) 主传动机构的工作性能
曲柄1 的角速度恒定, 经过滑块2带动摇杆3摆动, 连杆4也随着杆3的摆动不断的改变角度, 使刨刀的速度变化减缓, 速度趋于匀速; 在机构的回程时, 只有惯性力和摩擦力, 两者的作用都比较小, 因此, 机构在传动时能够实现刨头的工作行程速度较低, 而返程的速度较高的急回运动。
( 4) 机构的传力性能
该机构在设计上不存在影响机构运转的死点, 机构在运转过程中不会因为机构本身的问题而突然停下。
( 5) 机构的动力性能分析。
由于原动件曲柄具有运动稳定平衡性, 在运转过程中, 不会引起整个机构的震动, 保证整个机构的寿命。
( 6) 机构的合理性
此机构使用六连杆机构, 设计简单, 维修, 检测都很方便。
( 7) 机构的经济性
该机构使用的连杆都不是精密的结构, 不需要特别的加工工艺, 也不需要特别的材料来制作, 也不需要满足特别的工作环境, 因此该机构具有好的经济效益, 制作方便, 实用。

2.2齿轮传动机构方案
根据本设计传动特点, 本设计采用皮带轮, 齿轮两级传动

传动特点:
普通V带传动允许的传动比较大, 结构紧凑, , 而且大多数V带已经标准化, 便于设计。
齿轮减速器的特点是效率及可靠性高, 工作寿命长, 维护简便, 因而应用范围很广泛。齿轮减速器按其减速齿轮的级数可分为单级、 两级、 三级和多级的; 按其轴在空间分布可分为立式和卧式; 按其轴运动简图的特点展开式、 同轴式和分流式等。

3电动机的选择
3.1电动机的型号
根据本机构设计的特点, 参考机构运动简图以及传动特征, 参照原动机选择的要求, 根据题目所给插床的数据分析, 驱动电动机暂时采用:
Y90L—4, 额定功率N=1.5KW, 额定转速n=1400r/min, 设计参数如表所示。
Y系列三相异步电动机
型号规格 Y90L-4    
额定功率 ( kw) 1.5
电压 ( V) 380
额定电流 ( A) 3.7
转速 ( r/min) 1400
定矩( 倍) 2.3
效率( %) 79.0
功率因数 ( cosφ)  0.79

3.2电动机的功率
( 1) 首先确定执行机构的运功循环时间T, 在此选取曲柄导杆机构作为插床的执行机构。曲柄旋转一周插头就往复运动一次即一个运动循环。因为插床机械的曲柄轴每分钟转速为n=65r/min, 其运动时间
( 3—1)
得
（2） 根据插刀受力分析得, 计算一个循环插刀需做功的大小
( 3—2)

（3） 计算所需有效功率
( 3—3)
（4） 计算传动效率

从电机输出, 经2,4联轴器的效率η1, 传动系统中用了两个联轴器, 联轴器的传动效率为η12, 在经过轴承传动, 轴承都是成对使用的, 此传动系统中有两对轴承, 轴承的效率η2, 四个轴,则为
η24, 在经过齿轮的传动效率η3, 然后经过运输带( 一般为V带传动) 传动, 带的效率为η4
则总的传动系统的传动效率为:
η=η12·η24·η3·η4 ( 3—4)
查机械设计课程设计指导书表9.1得: 普通V带传动效率, 角接触球轴承效率( 两对) , 圆柱齿轮传动( 8级精度、 油润滑) 效率, 联轴器的传动效率为η1=0.99
( 5) 计算电机效率, 取安全系数为n=1.5
( 3—5)
（6） 检验电动机功率是否合适

因此所选电动机合适!

4. 传动比分配
传动类型( 单级) 传动比i
圆柱齿轮机构( 开式) 4－6
圆柱齿轮机构( 闭式) 3－5
直齿圆锥齿轮机构 2－3
蜗轮蜗杆机构 10－40
V带传动 2－4
链传动 2－5
传动比计算: ( 4—1)
由 ( 4—2)

因此皮带轮传动比为3.6, 齿轮传动比为6
5.齿轮机构设计

齿轮基本参数:
本设计采用标准直齿轮传动, 分度圆上压力角取标准值
不跟切条件 ( 5—1)
Z1=20, Z2=120, 根据齿轮受力选取模数m=4mm
( 注: 下列尺寸单位为mm)
齿顶高系数:
齿根高系数:
分度圆直径; ( 5—2)

基圆直径; ( 5—3)

齿顶高: ( 5—4)

齿根高: ( 5—5)

齿顶圆直径: ( 5—6)

齿根圆直径; ( 5—7)

齿距: ( 5—8)
基圆齿距: ( 5—9)

6. 主机构设计
根据草图确定各构件的运动该尺寸, 绘制机构简图
已知条件有:
K=1.8, 则计算的极位夹角,
插程H=150mm , 连杆与导杆之比LO3B/LBC =0.8
L0203=150mm

（1） 确定曲柄O2A长度, 如图为两极位, 则有
( 6—1)

(2)确定BO3与BC长度

因为BB^与CC^平行, CB=C^B^,因此BB^=150mm

因此有 ( 6—2)
又已知LO3B/LBC =0.8, BC=216.07mm

( 3) 确定Y轴到O3点的距离
为保证最大压力角最小, 经检验, Y轴设置在B点最远与最近点的中点为最佳

如图,
( 6—3)

（4） 主机构尺寸汇总及机构简图绘制

插程H=150mm , L0203=150mm

3杆最大长度为BO3+Lo2o3+O2A=387.95mm
因此令L3=400mm
简图绘制

7. 主机构的运动分析
7.1插床基本参数
插床刨床运动分析软件输入设计参数

参数 数值
行程速比系数 K 1.8
插 刀 行 程 H(mm) 150
曲柄长度 65.1
连杆长度 172.85
导路距离 164.3
138.28
曲柄角速度ω(rad/s) 6.8
曲柄角加速度ε(rad/s2) 0

7.2matlab运动分析
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;
计算图如下:

由矢量闭合得出如下方程:

( 下面L3=LBO3, S3=SO3A)
分别投影得出如下方程:

矩阵的方式表示:
速度矩阵

加速度矩阵

根据矩阵,
编写matlab程序如下:
clear all;clc;
w1=6.8;l1=0.065;l3=0.1729;l6=0.15;l61=0.1643;l4=0.138;
for m=1:3601
o1(m)=pi*(m-1)/1800;
o3(m)=atan((l1*sin(o1(m)))/(l6+l1*cos(o1(m))));
s3(m)=(l1*cos(o1(m))+l6)/cos(o3(m));
o4(m)=acos((-l61+l3*cos(o3(m)))/l4);
se(m)=-l3*sin(o3(m))+l4*sin(o4(m));
if o1(m)==0
o3(m)=0; s3(m)=l1+l6;
end
if o1(m)==pi
o3(m)=0; s3(m)=l6-l1;
end
A1=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0;
sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3(m)),l4*sin(o4(m)),0;0,-l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),-1];
B1=w1*[-l1*sin(o1(m));l1*cos(o1(m));0;0];D1=A1\B1;E1(:,m)=D1;ds(m)=D1(1);w3(m)=D1(2);w4(m)=D1(3);ve(m)=D1(4);
A2=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0;
sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3(m)),l4*sin(o4(m)),0;0,-l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),-1];
B2=-[-w3(m)*sin(o3(m)),(-ds(m)*sin(o3(m))-s3(m)*w3(m)*cos(o3(m))),0,0;
w3(m)*cos(o3(m)),(ds(m)*cos(o3(m))-s3(m)*w3(m)*sin(o3(m))),0,0;0,-l3*w3(m)*cos(o3(m)),l4*w4(m)*cos(o4(m)),0;
0,l3*w3(m)*sin(o3(m)),-l4*w4(m)*sin(o4(m)),-1]*[ds(m);w3(m);w4(m);ve(m)];
C2=w1*[-l1*w1*cos(o1(m));-l1*w1*sin(o1(m));0;0];B=B2+C2;D2=A2\B;E2(:,m)=D2;dds(m)=D2(1);
a3(m)=D2(2);a4(m)=D2(3);ae(m)=D2(4);
end;
o11=o1*180/pi;y=[o3*180/pi;o4*180/pi];w=[w3;w4];a=[a3;a4];figure;
subplot(221);h1=plotyy(o11,y,o11, se); axis equal;
title('位置线图');xlabel('\it\theta1');ylabel('\it\theta3,\theta4,Se');
subplot(222);h2=plotyy(o11,w,o11,ve);
title('速度线图');
xlabel('\it\theta1');ylabel('\it\omega3,\omega4,Ve');
subplot(212);h3=plotyy(o11,a,o11,ae);
title('加速度线图');
xlabel('\it\theta1');ylabel('\it\alpha3,\alpha4,\alphaE');
F=[o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae]';G=F(1:100:3601,:)

运行得到图像如下
下图中红线( 中间) 表示插刀运动, 绿线( 最上) 表示4杆BC的运动, 蓝线( 最下) 表示3杆BO3运动

得出数据如下

0 0 86.4271 0.1377 2.0558 0 -0.3555
10.0000 3.0190 86.5269 0.1286 2.0471 0.1353 -0.3523
20.0000 6.0123 86.8226 0.1197 2.0207 0.2656 -0.3454
30.0000 8.9530 87.3030 0.1109 1.9753 0.3856 -0.3349
40.0000 11.8116 87.9490 0.1025 1.9086 0.4898 -0.3206
50.0000 14.5546 88.7330 0.0945 1.8173 0.5723 -0.3024
60.0000 17.1422 89.6184 0.0870 1.6965 0.6265 -0.2797
70.0000 19.5265 90.5580 0.0802 1.5394 0.6447 -0.2517
80.0000 21.6474 91.4925 0.0742 1.3365 0.6179 -0.2170
90.0000 23.4287 92.3484 0.0691 1.0750 0.5360 -0.1736
100.0000 24.7721 93.0364 0.0654 0.7377 0.3878 -0.1186
110.0000 25.5502 93.4516 0.0632 0.3019 0.1634 -0.0484
120.0000 25.5981 93.4775 0.0630 -0.2604 -0.1412 0.0418
130.0000 24.7078 93.0027 0.0655 -0.9786 -0.5132 0.1574
140.0000 22.6336 91.9584 0.0714 -1.8714 -0.9029 0.3029
150.0000 19.1276 90.3926 0.0813 -2.9161 -1.1972 0.4775
160.0000 14.0370 88.5728 0.0960 -3.9961 -1.2148 0.6661
170.0000 7.4782 87.0386 0.1153 -4.8613 -0.7938 0.8277
180.0000 0 86.4271 0.1377 -5. 0 0.8991
190.0000 -7.4782 87.0386 0.1603 -4.8613 0.7938 0.8390
200.0000 -14.0370 88.5728 0.1799 -3.9961 1.2148 0.6745
210.0000 -19.1276 90.3926 0.1947 -2.9161 1.1972 0.4752
220.0000 -22.6336 91.9584 0.2045 -1.8714 0.9029 0.2944
230.0000 -24.7078 93.0027 0.2101 -0.9786 0.5132 0.1500
240.0000 -25.5981 93.4775 0.2124 -0.2604 0.1412 0.0394
250.0000 -25.5502 93.4516 0.2123 0.3019 -0.1634 -0.0457
260.0000 -24.7721 93.0364 0.2103 0.7377 -0.3878 -0.1130
270.0000 -23.4287 92.3484 0.2066 1.0750 -0.5360 -0.1675
280.0000 -21.6474 91.4925 0. 1.3365 -0.6179 -0.2126
290.0000 -19.5265 90.5580 0.1958 1.5394 -0.6447 -0.2500
300.0000 -17.1422 89.6184 0.1890 1.6965 -0.6265 -0.2809
310.0000 -14.5546 88.7330 0.1814 1.8173 -0.5723 -0.3059
320.0000 -11.8116 87.9490 0.1733 1.9086 -0.4898 -0.3254
330.0000 -8.9530 87.3030 0.1648 1.9753 -0.3856 -0.3399
340.0000 -6.0123 86.8226 0.1559 2.0207 -0.2656 -0.3495
350.0000 -3.0190 86.5269 0.1469 2.0471 -0.1353 -0.3546
360.0000 -0.0000 86.4271 0.1377 2.0558 -0.0000 -0.3555

( 续上表)

0 5.3055 0.4011
-0.6782 5.2071 0.5486
-1.3885 4.9093 0.6860
-2.1658 4.4046 0.8179
-3.0510 3.6788 0.9510
-4.0949 2.7092 1.0943
-5.3631 1.4627 1.2597
-6.9425 -0.1052 1.4628
-8.9490 -2.0468 1.7238
-11.5357 -4.4100 2.0684
-14.8961 -7.2032 2.5285
-19.2484 -10.3155 3.1399
-24.7623 -13.3511 3.9335
-31.3422 -15.3312 4.9093
-38.1181 -14.3096 5.9682
-42.5677 -7.3999 6.7671
-39.9273 7.2423 6.5222
-25.2912 25.2336 4.1328
-0.0000 33.9444 -0.6072
25.2912 25.2336 -5.6134
39.9273 7.2423 -8.2201
42.5677 -7.3999 -8.1014
38.1181 -14.3096 -6.6554
31.3422 -15.3312 -5.0676
24.7623 -13.3511 -3.7966
19.2484 -10.3155 -2.8816
14.8961 -7.2032 -2.2331
11.5357 -4.4100 -1.7567
8.9490 -2.0468 -1.3848
6.9425 -0.1052 -1.0755
5.3631 1.4627 -0.8047
4.0949 2.7092 -0.5598
3.0510 3.6788 -0.3348
2.1658 4.4046 -0.1269
1.3885 4.9093 0.0646
0.6782 5.2071 0.2403
0.0000 5.3055 0.4011

8. 主机构的受力分析
基本数据:

参数 数值 参数 数值

插 刀 行 程 H(mm) 150 m1(kg) 13.2
曲柄长度 65.1 m2 (kg) 50
连杆长度 172.85 m3(kg) 80
导路距离 164.3 m4(kg) 27.7
138.28 m5(kg) 50
L3 (mm) 400

取滑块5与插刀受力点距离为40mm,
设质量集中在距插刀20mm处。

选取曲柄在7, 9, 12三点时作受力分析
9点受力分析如下:

0 0 86.4271 0 5.3055 0.4011

8-2图, 对B点取矩
(8-1)
(8-2)
(8-3)
(8-4)
(8-5)

8-3图, 对O3点取矩
d=27.15mm
(8-6)
(8-7)

8-4图, 对O2 取矩

(8-8)

曲柄在12点时受力分析如下:

90.0000 23.4287 92.3484 -11.5357 -4.4100 2.0684

8-6图, 对B点取矩
(8-9)
(8-10)
(8-11)
(8-12)
(8-13)

8-7图, 对O3点取矩
d=27.15mm
(8-