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插床机构综合与传动系统设计
目录
题目及设计要求 2
一、 设计题目 2
二、 设计数据与要求 3
三、 设计任务 3
设计: 4
一、 确定各构件的运动尺寸, 绘制机构简图 4
1、 插削机构的设计: 4
2、 送料机构( 凸轮机构) 的设计: 5
二、 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( 插削机构的运动学分析) 9
1) 位置分析 9
2) 角速度分析 9
3) 角加速度分析 10
三、 在插床工作过程中, 插刀所受的阻力变化曲线如图2所示, 在不考虑各处摩擦、 其它构件重力和惯性力的条件, 分析曲柄所需的驱动力矩 13
四、 确定电动机的功率和转速。 15
五、 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。 16
六、 感想与建议。 16
七、 参考文献。 16

题目及设计要求
一、 设计题目
A
B
C
D
H
O2
x
d
b
O1
O3
c
a
1
2
3
4
5
6
n2
n1
z1
z2
y
y
Q
S5
S1
图3-30 插床机构运动方案示意图
插床是常见的机械加工设备, 用于齿轮、 花键和槽形零件等的加工。图6－15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, 再经过导杆机构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它有关机构( 图中未画出) 来实现的。画出) 来实现的。
针对图3-30所示的插床机构运动方案, 进行执行机构的综合与分析, 并进行传动系统结构设计。
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。
表6－4插床机构设计数据
分组
1
2
3
4
插刀往复次数n( 次/min)
30
60
90
120
插刀往复行程H( mm)
150
120
90
60
插削机构行程速比系数K
2
2
2
2
中心距Lo2o3(mm)
160
150
140
130
杆长之比L(BC)/L(o3B)
1
1
1
1
质心坐标a(mm)
60
55
50
45
质心坐标b(mm)
60
55
50
45
质心坐标c(mm)
130
125
120
115
凸轮摆杆长度Lo4d(mm)
125
125
125
125
凸轮摆杆行程角ψ(°)
15
15
15
15
推程许用压力角[α](°)
45
45
45
45
推程运动角δ0(°)
60
90
60
90
回程运动角δ0'(°)
90
60
90
60
远程休止角δ01(°)
10
15
10
15
推程运动规律
等加等减
余弦
正弦
5次多项式
回程运动规律
等速
等速
等速
等速
速度不均匀系数δ
0.03
0.03
0.03
0.03
最大切削阻力Q(N)
2300
2200
2100

阻力力臂d(mm)
150
140
130
120
滑块5重力G5(N)
350
340
330
320
构件3重力G3(N)
150
140
130
120
构件3转动惯量J3(kg*m2)
0.12
0.11
0.1
0.1
三、 设计任务
1.针对图1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;
H
0.05H
G
0.05H
O
S5
图3-31 插刀所受阻力曲线
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6－16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.确定电动机的功率与转速;
5.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;
6.编写课程设计说明书;
7.感想与建议。
设计:
一、 确定各构件的运动尺寸, 绘制机构简图
1、 插削机构的设计:

由题知: 杆1的极位夹角为
θ=180*( K-1) /( K+1) ; 故有

为了使构件4对构件5的平均传动角比较大, 故应有:

则可得:

所得数据如下:
设计数据
x(mm)
140
112
84
56
y(mm)
75
60
45
30
L3(mm)
150
120
90
60
L4(mm)
150
120
90
60
L1(mm)
80
75
70
65

2、 送料机构( 凸轮机构) 的设计:
四种方案的推程运动规律:
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( ) :

所得数据如下:
设计数据
中心距Lo2o4(mm)
100
85
105
85
滚子半径rt(mm)
15
15
15
15
基圆半径R0(mm)
48
54
48
55

四种方案下的凸轮轮廓曲线如下:

第一组:

第二组:

第三组:

第四组:

设计简图:

二、 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( 插削机构的运动学分析)
1) 位置分析
建立封闭矢量多边形
( 式1)
将机构的封闭矢量方程式( 1) 写成在两坐标上的投影式, 并化简整理成方程左边仅含未知量项的形式, 即得:
( 式2)
解上述方程组得:
………………( 式3)
2) 角速度分析
分别将( 式2) 对时间取一次导数, 可得
……………………………………………………………………………( 式4)
解之可得s3,ω3,ω4,s5。
3) 角加速度分析
分别将( 式2) 对时间取二次导数, 可得加速度关系

………………………………………………………( 式5)
采用高斯消去法可求解( 式5) 可解得角加速度dds3,α3,α4,dds5;
各方案滑块C的位移和速度变化规律曲线, 即S5、 S5’的变化规律如下图:
A组

B组:

C组

D组

三、 在插床工作过程中, 插刀所受的阻力变化曲线如图2所示, 在不考虑各处摩擦、 其它构件重力和惯性力的条件, 分析曲柄所需的驱动力矩

A组:
0
10
20
30
40
50
259.3098
255.3141
245.8876
231.1217
211.3963
187.164
60
70
80
90
100
110
158.9173
127.1466
92.28602
54.6429
-1.10027
6.906381
120
130
140
150
160
170
16.07548
26.96908
40.31501
56.32318
72.22192
78.63992
180
190
200
210
220
230
66.56669
40.57024
27.78005
23.05485
20.07949
16.46778
240
250
260
270
280
290
12.00689
6.906211
1.385723
56.15551
95.39985
131.6296
300
310
320
330
340
350
164.36
193.027
217.0809
236.0431
249.542
257.3333

B组:
0
10
20
30
40
50
219.3244
214.5626
205.6179
192.1321
174.4833
153.1127
60
70
80
90
100
110
128.4994
101.1335
71.48516
39.9689
-0.68041
8.226628
120
130
140
150
160
170
19.28784
33.77307
53.36326
78.50911
102.322
102.3131
180
190
200
210
220
230
61.53863
-5.21395
-20.8057
-11.9901
-1.15985
4.789761
240
250
260
270
280
290
6.452221
5.39733
2.725749
45.40389
79.88536
111.5567
300
310
320
330
340
350
140.0074
164.749
185.3081
201.282
212.3726
218.403

C组:
0
10
20
30
40
50
182.1557
176.4258
167.8636
155.5312
139.815
121.1506
60
70
80
90
100
110
100.0058
76.867
52.22956
26.59453
0.062861
9.92342
120
130
140
150
160
170
22.79085
40.51553
65.53523
98.36419
128.3934
122.3259
180
190
200
210
220
230
58.46421
-46.5937
-64.3631
-44.1741
-21.313
-6.71407
240
250
260
270
280
290
0.67612
3.518877
3.664321
35.32776
65.49856
93.02972
300
310
320
330
340
350
117.573
138.7052
156.0211
169.1897
177.9851
182.3018
D组:
0
10
20
30
40
50
147.7851
141.2404
133.1889
122.0764
108.2949
92.271
60
70
80
90
100
110
74.45434
55.31369
35.34378
15.08588
1.276596
11.48795
120
130
140
150
160
170
25.05672
44.0959
71.38969
107.3844
139.3778
129.0814
180
190
200
210
220
230
55.4567
-74.3289
-91.7908
-65.0962
-35.1491
-15.1063
240
250
260
270
280
290
-3.86511
1.774533
4.077446
25.38515
51.42832
75.08479
300
310
320
330
340
350
96.03819
113.9072
128.3351
139.0449
145.8685
148.7582
四、 确定电动机的功率和转速。
等效构件( 曲柄1) 上所需平均功率:
平均功率P(w)
343.3871
575.6334
708.2583
751.8974

设减速机构中齿轮传动效率η1=0.95; 带传动效率η2=0.9; 查《机械设计手册》, 选择的电动机性能如下:
型号
Y801-4
Y90L-6
Y90L-6
Y90L-6
额定功率/kw
0.55
1.1
1.1
1.1
额定转速/(r/min)
1390
910
910
910
额定转矩/(N*m)
3.78
6
6
6
电机效率
0.705
0.735
0.735
0.735

设计减速机构: 传动比=额定转速/曲柄转速
设计各传动比如下:
传动比
46.3
15.2
10.1
7.6
齿轮传动比
5.8
3
2
2
带传动比
8
5
5
3.8

齿轮参数设计如下:
模数m(mm)
1.5
2
2.5
2.5
Z1
20
20
20
20
Z2
116
60
40
40
Lo1o2(mm)
102
80
75
75

带轮设计参数如下:
D1/mm
160
125
125
114
D2/mm
20
25
25
30
五、 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。

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

六、 感想与建议。
感想: 在设计过程中采用分块设计方法能够使问题得到简化, 如: １、 将整个插床机构分为插削机构和送料机构, 而插削机构又以六杆机构为主, 依据插床工况条件的限制, 题中预先确定了有关几何尺寸和力学参数, 因此在满足所设计的插床结构紧凑, 机械效率高的前提下设计了其它相应参数。设计送料机构凸轮时, 由于回程角比较小, 若为简单的等速回程过程, 则会出现尖点失真现象, 故设计时将将回程规律做了一定修正。2、 电机选择时在满足高效率的前提下找到合适的传动比并经过查《机械设计手册》找到合适的电机。在此假设了机构的效率, 电机等速特性等, 以便简化问题, 且同时其对设计目的影响较小。　　在整个设计过程中我们在分析清楚题目要求后讨论最佳解法并经过编程来解决。先做好分析后着手做设计具体细节达到了事半功倍的效果。
另外由于知识的有限, 将许多模型简化了也必将对设计造成一定负面影响。
建议: 希望老师能在以后的课程设计过程中, 能给大家讲解一些在设计时理应注意的相关问题, 并给大家推荐一些设计书籍供学生参考学习, 以保证我们的课程设计能达到预期的目的和要求。
七、 参考文献。
《机械原理》第七版西北工业大学教研室编高等教育出版社
《机械原理课程设计》王淑仁主编北京-科学出版社
《C程序设计教程》谭浩强著清华大学出版社
《MATLAB　5.x程序设计语言》楼顺天陈生潭雷虎民编著西安电子科技大学出版社
《机械设计手册》成大先主编化学工业出版社