机械原理课程设计—插床机构说明书.doc

机械原理课程设计
目录
第一章 绪论
第二章 插床主体机构尺寸综合设计
第三章 插床切削主体结构运动分析
第四章 重要数据及函数曲线分析
第五章 工作台设计方案
第六章 总结

机 械 原 理 课 程 设 计 任 务 书

一、设计题目 插床传动系统方案设计及其运动分析
二、主要内容
1） 对指定的机械进行传动系统方案设计；
2） 对执行机构进行运动简图设计（含必要的机构创意实验）；
3） 飞轮设计；
4）编写设计说明书。
三、具体要求
插床是用于加工各种内外平面、成形表面，特别是键槽和带有棱角的内孔等的机床（如图1所示），已知数据如下表（参考图2）。
参数
nr
H
LO1O2
C1
C2
C3
C4
G3
G5
JS3
Q
K
δ
单位
rpm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
N
N
Kgm2
N

数据
60
100
150
120
50
50
120
160
320
0.14
1000
2
0.05
另：lBC/lBO2=1,工作台每次进给量0.5mm，刀具受力情况参考图2。机床外形尺寸及各部份联系尺寸如图1所示（其中：l1 =1600，l2 =1200, l3 =740, l4 =640, l5 =580, l6 =560, l7 =200, l8 =320, l9 =150, l10 =360, l11 =1200,单位均为mm，其余尺寸自定。
四、完成后应上交的材料
1) 机械原理课程设计说明书；
2) 一号图一张，内容包括：插床机构运动简图、速度及加速度多边形图、S（φ）- φ曲线、V（φ）- φ曲线和a（φ）- φ曲线；
3) 三号坐标纸一张：Med（φ）、Me r（φ）- φ曲线；
4) 一号图一张，内容包括：插床工作循环图、工作台传动方案图。
五、推荐参考资料
1) 《机械原理课程设计指导书》（西华大学机械学院基础教学部编）
2) 《机械原理》（孙桓主编，高等教育出版社）
3) 《机械原理较程》（孙桓主编，西北工业大学出版社） 啊1111

指导教师 签名日期 年 月 日

系 主 任 审核日期 年 月 日

第二章 插床主体机构尺寸综合设计
机构简图如下：

已知=150mm，，行程H=100mm，行程比系数K=2，
根据以上信息确定曲柄 长度，以及到YY轴的距离
1.长度的确定

图 1 极限位置

由，得极为夹角：
，
首先做出曲柄的运动轨迹，以为圆心，为半径做圆，随着曲柄的转动，有图知道，当转到，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当转到，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到与得夹角即为极为夹角。由几何关系知，，于是可得，。由几何关系可得：

代入数据，=150mm，，得

即曲柄长度为75
2. 杆的长度的确定

图 2 杆BC，BO长度确定
由图2 知道，刀具处于上极限位置和下极限位置时，长度即为最大行程H=100 ，即有=100mm。
在确定曲柄长度过程中，我们得到，那么可得到，那么可知道三角形等边三角形。
又有几何关系知道四边形是平行四边形，那么，又上面讨论知为等边三角形，于是有，那么可得到,即
又已知，于是可得到

即杆的100mm。
3.到YY轴的距离的确定
B1

图 3 到YY轴的距离
有图我们看到，YY轴由过程中，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轴与圆弧刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧相切与B1点时，当B点转到，将会出现最大压力角。
2.当YY轴与重合时，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点为与得交点）。又几何关系知道：

由上面的讨论容易知道 ，再代入其他数据，得：

即到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。选取1:1 的是比例尺，画出图形如图纸一上机构简图所示。

第三章 插床切削主体机构及函数曲线分析

主体机构图见第一张图。
已知，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
（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，与垂直，与平行，与垂直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得

其中，是滑块 上与A点重合的点的速度，是杆AOB上与A点重合的点相对于滑块的速度，是杆AOB上与A点重合的速度。
又由图知，与垂直，与BC垂直，与YY轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：

其中，是C点，即插刀速度，是C点相对于B点转动速度，是B点速度。
又B点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕转动，且B点和杆件与A点重合的点在的两侧，于是可得：

由图量的,则可到

由已知可得，规定选取比例尺，则可的矢量图如下：

最后量出代表的矢量长度为12mm,
于是，可得 =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：

其中，是滑块上与A点重合点的加速度，=，方向由指向；是科氏加速度，（其中大小均从速度多边形中量得），q方向垂直向下；是相对于滑块 的加速度，大小位置，方向与平行；是C点相对于B点转动的向心加速度，=,方向过由C指向B；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。
B时杆AOB 上的一点，构AOB 围绕转动，又与B点在的两侧，由（是 角加速度）可得

量出则可得到的大小和方向
又由理论力学,结合图可得到；

其中，在上一步中大小方向都能求得；是C相对于B点转动的向心加速度，方向由C点指向B点；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，可得加速度矢量图如下：

最后由直尺量的长度为12mm，于是，可得
当
（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，与垂直，与平行，与垂直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得

其中，是滑块 上与A点重合的点的速度，是杆AOB上与A点重合的点相对于滑块的速度，是杆AOB上与A点重合的速度。
又由图知，与垂直，与BC垂直，与YY轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：

其中，是C点，即插刀速度，是C点相对于B点转动速度，是B点速度。
又B点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕转动，且B点和杆件与A点重合的点在的两侧，于是可得：

由图量的,则可到

由已知可得，规定选取比例尺，则可的矢量图如下：

最后量出代表的矢量长度为2.16mm,于是，可得：

即曲柄转过355°时，插刀的速度为方向沿YY轴向上。
（3）加速度
由理论力学知识可得矢量方程：

其中，为滑块上与A点重合点的加速度，=，方向由指向；是哥氏加速度，（其中大小均从速度多边形中量得），方向垂直向下；是相对于滑块 的加速度，大小位置，方向与平行。 B是杆AOB上的一点，杆AOB 围绕转动，又与B5点在的两侧，由（是 角加速度）可得

量出则可得到的大小和方向
又由理论力学,结合图可得到；

其中，在上一步中大小方向都能求得；是C相对于B点转动的向心加速度，方向由C点指向B点；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，可得加速度矢量图如下

代入数据可得：
所有数据详见第四章表格
第四章 重要数据及函数曲线分析

角度
位移S（mm)
速度V(m/s)
加速度α(m/s2)
7
1.5
0.003
2.05
14
3
0.055
2
21
4
0.0825
1.96
28
5.9
0.115
1.95
35
8
0.125
1.8
42
9.9
0.136
1.65
49
10.5
0.14
1.5
56
15.5
0.15
1.1
63
19.5
0.155
1.0
70
23.5
0.16
0.85
77
25
0.18
0.77
84
30
0.192
0.63
91
31
0.201
0.55
98
37.5
0.207
0.15
105
41
0.210
0.09
112
45
0.212
-0.02
119
48.1
0.22
-0.024
126
55
0.212
-0.065
133
57
0.205
-0.12
140
60.2
0.201
-0.23
147
66.1
0.2
-0.32
154
68.9
0.196
-0.36
161
73
0.19
-0.39
168
76
0.18
-0.4
175
79.5
0.174
-0.432
180
83
0.172
-0.45
187
85
0.17
-0.59
194
90
0.140
-0.7
201
92
0.13
-0.79
208
92.5
0.126
-0.9
215
95
0.093
-1.04
222
98
0.073
-1.5
229
98.5
0.05
-1.9
236
99
0.03
-2.125
243
99
-0.03
-2.6
250
98
-0.07
-3.14
257
97
-0.16
-3.3
264
92.5
-0.25
-4.1
271
90
-0.274
-5.12
278
83.5
-0.383
-5.1
285
73
-0.52
-4.9
292
66
-0.574
-1.74
299
54.2
-0.62
-0.44
306
41.5
-0.61
3.6
313
28.2
-0.44
4.7
320
17.9
-0.43
5.2
327
12.5
-0.3
5.47
334
8.1
-0.23
5.5
341
3
-0.13
3.95
348
2.6
-0.029
3.73
355
1.5
-0.0216
3.04
360
0
0
2.25

1、图的分析：

随着曲柄逆时针转动角度的增大，滑块C位移由0开始增大，大约在240度时达到最大，然后开始减少，易知滑块C进程与回程时，曲柄转动的角度并不相等，这说明了曲柄转动时存在急回运动。
2、图的分析：

随着曲柄逆时针转动角度的增大，即的增加，速度V正向增大，大约在120度时达到最大，然后呈现下降趋势，在240度时下降为0，表明位移以增大到最大，即滑块C达到最下端，由曲线看出，滑块C的正向平均速度比负向平均速度小，进一步表明了急回运动的存在。进程时，速度比较小，更有利于进刀；回程时，速度较快，有利于提高工作效率，充分证明了此机构设计的合理性。
下面对特殊点作一下分析：转角为0度时，V=0;曲柄转动至120度，正向速度到达最大值0.22m/s，此时滑块C具有最大速度，当曲柄继续转动至240度时正向速度减少至0，此时由速度是位移的变化率可知，其位移达到最大值。当曲柄继续转动时，滑块C速度反向，变为负向速度，随着转角增大而增大，曲柄转至240度，速度达到负向最大值0.63m/s之后，当滑块继续由摇杆带动时，却曲柄由300度转至360度时，其速度由负向最大值变为0.
3、图的分析：

随着曲柄逆时针转动角度的增大，滑块C先向下作加速运动，但加速度越来越小，但是加速度越来越小，然后反向增大知道位移达到最大，接着滑块进入空回程，由于存在急回运动，加速度迅速正向增大，达到最大后又开始减小，直到滑块C进入工作行程。
下面对一些特殊点进行分析：进程时，滑块C具有正向加速度，由2.2开始减少，在102度时达到0，当角度继续增大时，加速度反向增大，大约在240度时滑块位移达到最大值，但是加速度还是在反向增大，而且增长率明显比前段更大，当角度达到270度时加速度增大到5.2m/s2时到达峰值，开始减少，在300度左右是达到0，然后正向增长，表明了滑块将要向上减速运动，最后回到0位移，然后往复运动。我们可以看出，在0至240度区间内，加速度都很平缓，而在240至360度内，加速度变化很快，都说明了急回运动的存在。

第五章 工作台传动方案设计

此章的主要问题有三个：
①运动怎样从电动机引下来；
②工作台的运动情况及相对位置；
③怎样确定凸轮的安装角，怎样让整个机构协调工作。

第一个问题：由于插床机身高度较高，所选择的机构传动方案必须能够实现长距离传动，且保证定传动比，长距离传动方案多种多样，如：齿轮系传动；带传动；链传动；平行四边形机构传动等。
齿轮系传动会使整个机器结构变得复杂；带传动本身具有个缺点：会产生弹性滑动，且其精度不高；链传动则会产生冲击，并伴随着很大的噪声；平行四边形机构传动效率高，结构简单，完全复制了原动件的运动，且其刚度较高，故选取平行四边形机构这个方案来进行长距离传动。

第二个问题：工作台最终可实现前后、左右作间歇直线送进运动和作间歇回转送进运动。送进运动必须与主切削运动协调配合，即进给运动必须在刀具非切削期时间即上超阶段以内完成，以防止刀具的切削运动与工作台的送进运动发生干涉。
要实现工作台的三个间歇运动，即将原动件的连续往复摆动转化为从动件的单向间歇运动，根据机构的这个运动特性，知可选取棘轮机构，实现预期运动。同时，机构中添加复合锥齿轮，可实现改变锥齿轮的旋转方向，从而改变工作台的运动方向；同时加上离合器机构，以实现动力的传递或断开。这样，当机械运动传递到棘轮时，棘轮作有规律的单向间歇运动，同时将摆动转化为沿轴的自转运动，再通过复合锥齿轮传递给工作台。除了靠各机械构件带动工作台运动外，还可用手柄操作，此时与棘轮连接的离合器处于断开状态，棘轮的运动及动力不继续传递，不影响手柄对工作台的操纵。
要保证送进运动与主切削运动协调配合，即进入上超工作台开始运动，结束上超工作台停止运动，直到下一个上超阶段才重新运动，则必须保证推程运动角小于等于上超区间的角度。

第三个问题：由于工作台的进给运动只能发生在上超阶段，故我们所选择的机构传动方案中机构的运动只有在上超阶段才能传递给工作台，其它时间工作台都是处于静止状态，故选择凸轮式间歇运动机构，同时为了保证机构协调工作，凸轮的安装角必须在上超区间的角度范围内。

图 工作台传动方案

工作循环图：
1.工作台的循环：工作台在刀具上下来回一周期间内只有上超阶段有进给运动，其它时间都处于静止。
2.刀具在一个周期内的工作方式：刀具首先从上极限位置进入工作行程上超阶段，通过上超后刀具对工件进行切削，在刀具通过切削后进入工作行程下超，然后又经过回程下超、空回行程及回程上超，经过一周。
3.工作循环图：

工作循环图

第六章 总结

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，通过凸轮机构到回杆机构，回杆平行机构带动棘轮传动，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。

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