机械原理课程设计-插床设计.doc

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
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2016年7月1日
目录
题目及设计要求 2
1机构简介 2
2设计数据 3
二、插床机构的设计内容与步骤 4
1、导杆机构的设计与运动分析 4
⑴、设计导杆机构。 4
⑵、作机构运动简图。 4
⑶、作滑块的运动线图。 4
⑷、用相对运动图解法作速度、加速度多边形。 5
2、导杆机构的动态静力分析 6
⑴、绘制机构的力分析图（图1-4）。 6
⑵、选取力矩比例尺μM(N.mm/mm)，绘制等效阻力矩Mr的曲线图 7
⑶、作动能增量△Ｅ―φ线。 8
3、用解析法较好机构运动分析的动态静力分析结果 9
⑴、图解微分法 9
⑵、图解积分法 12
4、飞轮设计 12
5、凸轮机构设计 14
6、齿轮机构设计 17
三、感想与体会 19
四、参考文献 20

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1

2设计数据

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sc(t)、然后根据sc(t)线图用图解微分法（弦线法）作滑块的速度vc(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

其 中 (rad/s)
② 列 出 向 量 方 程 ,求

用速度影像法求
③ 列 出 向 量 方 程 ,求

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Js、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Js、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Md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Md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Ad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:

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∝tgα,为了用线段来表示速度,引入极距K(mm),则

式中μv 为速度比例尺,μv = μs/μtK ( 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,(Ktgα)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(Ktgα)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
其中
故取Ａr―φ曲线纵坐标比例尺
求Ａr的理论依据如下：

4、飞轮设计

计算飞轮的转动惯量JF
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n1，
在图1-5中，ΔE的最大和最小值，即ωmax和ωmin位置，对应纵坐标ΔEmax和ΔEmin之间的距离gf，则

所以JF为：

所求飞轮转动惯量为：
/N*m
109.3035
91.61491
75.14855
59.8341
JF/kg*m2
875.7771
187.1141
75.3877
38.18862

5、凸轮机构设计
1、等加速等减速

2、余弦

3、正弦

4、五次多项式

回程运动规律：

修正后的等速回程
取
正弦加速度加速阶段（）：

等速阶段

正弦加速度减速阶段（）：

6、齿轮机构设计
已知z1=14，z2=41，m=8, α=20º
所以
D1
112
D2
328
Db1
105.28
Db2
308.32
Ha1
8
Ha2
8
Hf1
10
Hf2
10
Da1
128
Da2
344
Df1
92
Df2
308
p
25.12
p
25.12
s
12.56
s
12.56
Pb1
23.61
Pb2
23.61
a
220
a
220

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。
当我们遇到一个问题时，首先不能畏惧，而是要对自己有信心，相信通过自己的努力一定能解决的。就象人们常说的在战略上藐视它。但是在战术上的重视它。通过慎重的考虑认真的分析，脚踏实地去完成它，克服重重困难，当你成功实现目标时，那种成就感一定会成为你成长的动力。
这次设计的题目是插床。主要是确定机械传动的方案，通过导杆机构到飞轮设计，再到凸轮机构和齿轮机构设计，带动棘轮传动，再传到工作台，从而使工作台进行间歇进给运动，使刀具能安全的进行切削。
这次设计课程不仅让我加深了对机械原理理论课程的理解和认识，更培养了我用理论知识去解决实际问题的能力。也许我的这种方案不是很好的方案，但它解决了工作台间隙进给运动的问题。作为初次接触设计的我，对未来的设计充满了信心。
我希望学校多开设这类的设计课程，不仅帮助我们理解理论知识，更重要的是让我们学会用理论知识解决实际问题，帮助我们把理论知识转化成一种能力，让我们更容易解决问题。
1.巩固理论知识，并应用于解决实际工程问题；
2.建立机械传动系统方案设计、机构设计与分析概念；
3.进行计算、绘图、正确应用设计资料、手册、标准和规范以及使用经验数据的能力训练。
四、参考文献
1、《理论力学》第三版 机械工业出版社
2、《机械原理》 西北工业大学出版社
3、《机械原理课程设计》