机械原理课程设计插床机构设计.doc

《机械原理课程设计插床机构设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械原理课程设计插床机构设计.doc（19页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、目目 录录 一、插床机械设计任务书.1 1、工作原理 .1 2、设计要求 .1 3、设计数据 .2 4、设计内容及工作量 .2 二、设计计算过程.4 (一). 方案比较与选择.4 1.方案 I.4 2.方案 II.4 3.方案 III.5 (二). 导杆机构分析与设计.6 1.机构的运动尺寸 .6 2.导杆机构的运动分析 .7 (三). 导杆机构的动态静力分析.9 (四). 凸轮机构设计.13 1.确定凸轮机构的基本尺寸 .13 2.凸轮廓线的绘制: .16 3.1：1 绘制所设计的机构运动简图.17 一、插床机械设计任务书一、插床机械设计任务书 1 1、工作原理、工作原理 插床机械系统的执行

2、机构主要是由导杆机构和凸轮机构组成。下图为其参考示 意图，电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动曲柄 2 转动，再通过 导杆机构使装有刀具的滑块 6 沿导路 yy 作往复运动，以实现刀具的切削运动。 刀具向下运动时切削，在切削行程 H 中，前后各有一段 0.05H 的空刀距离，工 作阻力 F 为常数；刀具向上运动时为空回行程，无阻力。为了缩短回程时间， 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和其它有关机构（图中未画出）来完成 DO l 8 的。 2 2、设计要求、设计要求 电动机轴与曲柄轴 2 平行，使用寿命 10 年，

3、每日一班制工作，载荷有轻微冲击。 允许曲柄 2 转速偏差为5。要求导杆机构的最小传动角不得小于 60；凸 轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件 8 的升、回程运动规律 均为等加速、等减速运动。执行构件的传动效率按 0.95 计算，系统有过载保护。 按小批量生产规模设计。 3 3、设计数据、设计数据 导杆机构运动分析 转速 n2（r/min） 力臂 d(mm)曲柄 lo2A(mm) 插刀行程 H(mm) 行程速比系数 K 46120761361.8 导杆机构运动动态静力分析 工作阻力 Fmax(N) 导杆质量 m4(kg)滑块 6 质量 m6(kg) 导杆 4 质心转动惯量 Js4 98

4、0028551.1 凸轮机构设计 从动件最大 摆角max 从动件杆长 LO8D（mm） 许用压力角 推程运动角 o 远休止角 s 回程运动 角o 2012840601060 4 4、设计内容及工作量、设计内容及工作量 1、根据插床机械的工作原理，拟定 23 个其他形式的执行机构（连杆机构）， 并对这些机构进行分析对比。 2、根据给定的数据确定机构的运动尺寸, 。要求用图解 4 6 . 05 . 0 BOBC ll 法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。 3、导杆机构的运动分析。分析导杆摆到两个极限位置时，滑块 6 的速度和加速 度。 4、导杆机构的动态静力分析。用力多边形求极限位置时各运

5、动副反力及应加于 曲柄上的平衡力矩。 5、凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮机构的基本尺寸（基圆半 径 ro、机架和滚子半径 rb），并将运算结果写在说明书中。画出凸轮机构 82O O l 的实际廓线。 6、编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。 7、用 Autocad 软件按 1：1 绘制所设计的机构运动简图。 设计计算及说明结果 一一. . 设计计算过程设计计算过程 (一一). 方案比较与选择方案比较与选择 1.方案方案 I 该方案如图 11 由两个四杆机构组成。使 ba, 构件 1、2、3、6 便构成摆动导杆机构，基本参数为 b/a=。构 件 3、4、5

6、、6 构成摇杆滑块机构。 图 11 方案特点如下： 1).是一种平面连杆机构，结构简单，加工方便，能承 受较大载荷。 2).具有急回作用，其行程速比系数 ,而。只要正确选择， 00 (180)/(180)karcsin(1/) 即可满足行程速比系数 k 的要求。 3).滑块的行程，已经确定，因此只 2sin( / 2) CD HL 需选择摇杆 CD 的长度，即可满足行程 H 的要求。 4). 曲柄主动，构件 2 与 3 之间的传动角始终为。 0 90 摇杆滑块机构中，当 E 点的轨迹位于 D 点所作圆弧高度的平 均线上时，构件 4 与 5 之间有较大的传动角。此方案加工简 单，占用面积比较小，

7、传动性能好。 设计计算及说明结果 5).工作行程中，能使插刀的速度比较慢，而且变化平 缓，符合切削要求。 2.方案方案 II 该方案如图 12 将方案 I 中的连杆 4 与滑块 5 的转动 副变为移动副，并将连杆 4 变为滑块 4。即得方案 II，故该 方案具备第一方案的特点以外，因构件 4 与 5 间的传动角也 始终为，所以受力更好，结构也更加紧凑。 0 90 图 12 3. 方案方案 III 此方案如图 13 为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸 为 a、b、e。 图 13 方案特点如下： (1).是四杆机构，结构较前述方案简单。 (2). 因极位夹角， arccos/()arccos/()

8、eabeba 设计计算及说明结果 故具有急回作用，但急回作用不明显。增大 a 和 e 或减小 b。均能使 k 增大到所需值，但增大 e 或减小 b 会使滑块速 度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加，且使最小传 动角减小，传动性能变坏。 min 从以上 3 个方案的比较中可知，为了实现给定的插床运 动要求，以采用方案 II 较宜。 (二二). 导杆机构分析与设计导杆机构分析与设计 1.机构的运动尺寸机构的运动尺寸 因为、 00 (180)/(180)k 2arcsin( / )a b 而 K=1.8 由上面方程可得：=51.4 又因为 a=lo2A=76mm，可得: b=0204=175.2

9、5mm, AO4=AO2 tan mm92.157)2/90( 根据几何关系: 136mm 4 0 2sin( / 2)110 B Hlmm 可得 156.8mm 4 0 145.78 B Lmm =78.4mm94.08mm 4 6 . 05 . 0 BOBC ll 取 =86mm BC L O4 到 YY 轴的距离的确定 采用方案 II 设计计算及说明结果 图 1 O4 到 YY 轴的距离 有图我们看到，YY 轴由过程中，同一点 3311 yyyy移动到 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

10、，即图 3 中左边的那条 12B B 点化线，与圆弧相切与 B1 点时，当 B 点转到，将 12B B 12,B B 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， 12B B 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： 1 2B O 12B B =141.29+（ 2/ )cos(cos 44444 CBOBOBOCBOBOl 56.8-141.29）/2=149.045mm 由上面的讨论容易知道，再代入其 7 . 252/42COB 他数据，得： mml49.

11、0451 即 O4 到 YY 轴的距离为 149.045mm。 2.导杆机构的运动分析导杆机构的运动分析 51.4 0 41.5 76mm 2 60 o A almm 175.25mm 24 0 0169.2bmm 156.8mm 4 0 145.78 B Lmm =86mm BC L mml149.045 AO4=157.92mm B1 设计计算及说明结果 （a） （1 1）. .当在所示位置时，此时构件当在所示位置时，此时构件 4 4 处在上极位处在上极位 速度分析: 曲柄的长度为，转速 n=46r/min 曲柄的角速度 mml AO 76 2 为 2 22 3.14 46 4.815/

12、6060 n wrad s 4343 AAA A vvv 方向 4 AO 2 AO 4 AO 大小 ？ ？ 2 2 O A w l 其中， 是滑块上与 A 点重合的点的速度，是杆 4 3A V 23AA V 上与 A 点重合的点相对于滑块的速度,是杆 4 上与 A 点重 4A V 合的速度。 因为=0 所以竿 4 没有转动,即，又因为构件 3，是 43 A A v 4 0w 一个滑块，竿 4 又有铰链定位。 所以实际上：=0 4 A v 设计计算及说明结果 求 B 点的速度： 由于构件 4 上点是 B 和 A 的绝对 4 O 瞬心点， 点的速度已知，利用构件 4 上的 4 0 AO v 4 A

13、 4 A v 速度影像有: 得 44 4 A B v AO vBO 0/ B vm s 求： B、C 是同一构件上的点，根据同一构件上点间 C v 的速度关系: CBCB vvv 方向 导杆 4 BO BC 大小 ？ 0 ？ 可得： 0 C v 加速度分析： 因为 为 sml n lwa AOAOA /76 . 1 1076815 . 4 ) 60 2 ( 32 2 2 2 2 22 根据速度合成原理有： 444 34343 ntrk AAA AA AA A aaaaaa 大小 ？ ？ 1.76 m/s ? AO l 4 2 4 434 2 AA v 方向 ? AO4/ AO4 4 O A A

14、O4/ 4 O A 因为：,知科式加速度为 0, 0 4 4 4 AlO v 04A n a 可得： = =1.76m/s 方向： 4 A a 3 A a 4 O A 又根据速度合成原理求 6 滑块 C 的速度： nt cCBCBB aaaa 大小 ？ =0 ？ 2.26 BCCl 2 2 /m s 方向 /导杆 / BC l BC l AB l 设计计算及说明结果 又图解法作图解： 的值通过在 AB 杆上由杠杆定理求得:, B a 3 A a B a BOAO 44 76 . 1 ,因为，所以 2 4 4 /748 . 1 92.157 8 . 156 76 . 1 sm AO BO aB

15、0 n BC v 0 n BC a 又速度比例=0.01828 61.95 748 . 1 bp B l a 所以=1.643方向垂直向上 c a 01828 . 0 906.89 2 /m s ( (二二).). 滑块滑块 A A 在下极位的时候在下极位的时候 对机构分析,同理可得： ，=2.158方向垂直向下。 0 C v c a 07208 . 0 94.29 2 /m s (三三). 导杆机构的动态静力分析导杆机构的动态静力分析 滑块质量为 55kg，导杆的质量为 28kg，其质心转动惯量为 1.1 kg，质心在杆长适宜处，其余构件的质量和转动 2 m 惯量忽略不计。 滑块滑块 A A

16、 在上极位的时：在上极位的时： 对滑块 6 和连杆 5 进行分析： 上极限位置： 0 C v =1.643 c a 2 /m s 下极限位置 ，=1.6430 C v c a 2 /m s 设计计算及说明结果 由，可知，在竖直方向上： 0 C M0 t RBC F NaFGFF CRCICy 365.104409800105555 以 100：1 力的多变形画图，可得：， NFRC 3 . 437 。 NFR 5 . 10449 56 对于连杆 5，因为连杆 5 为二力秆，连杆 5 的运动副反力为 10449.5N。 对滑块 3 和导杆 4 进行分析：取导杆 4 的中心点为质点，可 得在距离

17、4 O 右边的 0.56 处，可得导杆 4 的惯性力为： =，方向与的相 444sI amF N1748 . 0 748. 1 8 . 156 56 . 0 28 4S a 反，垂直于导杆向上。 惯性力偶矩： ，=/=11.148m/ 444 SI JM 4 4 / BOB la 748 . 1 3 10 8 . 156 2 s , 方向与相反，为逆时 ,263.12148.111 . 1 444 SI JM 4 针方向。 对 A 点取矩，可得： 设计计算及说明结果 3 4 3 54 10)56 . 0 ( 3 . 64sin1047.69sin GlFl AORAB ,可得 010)56 .

18、 0 (10 4 3 44 3 44 IAOIAO t RO MlFlF =-19675.85N,下图为导杆 4 的受力情况，其中，忽 t RO F 4 4I F 略不记。 由 100:1 力的多变形可得： 点的运动副反力为 19826.5N，A 点的运动副反力为 4 O 9637.4N。 对曲柄 2 进行分析： 曲柄上的平衡力矩，对取矩，可得=0，由二力秆 2 M 2 O 2 M 可知的运动副反力为 9637.4N。 2 O 滑块滑块 A A 在下极位的时在下极位的时： 有向上的阻力，与加速度方向相反的惯性力，重力，滑块的 运动副反力，连杆 5 对滑块 6 的反力，如图： 上极限位置： NF

19、RC 3 . 437 NFR 5 . 10449 56 点的运动副反力为 4 O 19826.5N，A 点的运 动副反力为 9637.4N，的运动 2 O 副反力为 9637.4N 设计计算及说明结果 ， NaGFFF CCICRy 365.93401055559800 ，。 NFRC 0 . 848NFR8 .9378 56 对滑块 3 和导杆 4 进行分析：取导杆 4 的中心点为质点，可 得在距离 4 O 右边的 0.56 处，可得导杆 4 的惯性力为： =，方向与的相 444sI amF N1748 . 0 748. 1 8 . 156 56 . 0 28 4S a 反，垂直于导杆向上。

20、 惯性力偶矩： ，=/=11.148m/ 444 SI JM 4 4 / BOB la 748 . 1 3 10 8 . 156 2 s , 方向与相反，为逆时 ,263.12148.111 . 1 444 SI JM 4 针方向。 以 A 点取矩： 3 4 3 54 10)56. 0( 3 . 64sin1047.69sin GlFl AORAB =0，可得 444 3 44 )56 . 0 (10 IAOIAO t RO MlFlF =17258.68N，受力图如下图所示，其中忽略。 t RO F 4 4I F 如图： 设计计算及说明结果 所以，点的运动副反力为 17464.2N，A 点的

21、运动副反力为 4 O 8777.1N。 对曲柄 2 进行分析： 曲柄上的平衡力矩，对取矩，可得=0，的运动 2 M 2 O 2 M 2 O 副反力为 8777.1N。 (四四). 凸轮机构设计凸轮机构设计 1.确定凸轮机构的基本尺寸确定凸轮机构的基本尺寸 选定推杆的运动规律: 选推杆的运动规律为二次多项式运动规律,即等加速等减速 运动规律。其运动规律表达式为: 等加速段: () 22 max0 2/ 0 0/ 2 等减速段: () 22 maxmax00 2() / 00 / 2 由以上两个表达式求得: () max 2 0 4d d 0 0/ 2 () max 0 2 0 4 () d d

22、00 / 2 最大摆角时有: mmL d d L MAX 33.8530 60 204 128 4 22 0 下极限位置： NFRC 0 . 848 NFR 8 . 9378 56 点的运动副反力为 4 O 17464.2N，A 点的运 动副反力为 8777.1N， 的运动副反力为 2 O 8777.1N 设计计算及说明结果 如图 3-1 所示为摆杆盘形凸轮机构同向转动的尖底摆杆 盘形凸轮机构,当推程尖底与凸轮轮廓上任一点接触时,摆 1 B 杆摆角为为摆杆的初始摆角,P 点为摆杆和凸轮的相对 0 , 瞬心,此时机构的压力角和传动角如图所示.由于摆杆和 凸轮在瞬心点 P 的速度相等得: (a+O

23、P) =OP, (1) d dt d dt 则 OP/(OP+a)= . (2) d d 将(1)式分子分母同乘整理得: d OP(1-)=a (3) d d d d 由式(3)求出 OP 代入式(1)右边得: a+OP=A/(1-) (4) d d 在三角形 AP 中由正统定理有: 1 B (5) 00 0 sin(90)sin(90) aOPL 将式(4)代入式(5)中得: (6) 0 (1/) coscos() aLdd 用代入式(6)中得: 0 90 (7) 0 (1/) sinsin() aLdd 过点 O 作 O/P,则,再由式(2)得 1 C 1 B 1 OAC 1 PAB ,等

24、式(7)正是的正弦定理.将 11 OPd BCLL aOPd 1 OAC 等式(6)中的展开得: 0 cos()a 设计计算及说明结果 tan= (8) a 0 0 (1) cot() sin() d L d a 由等式(8)求得 (9) 0 (1)cos cos( ) d La d a 将代入式(9)得: (10) 0 90 0 (1) sin( )sin( ) d L a d 如果在图 3-1 所示位置的接触点处的压力角正好满足 1 B ,比较式(10)和式(7)可知,直线便是在此位置时 a 1 OC 满足式(10)以等到式成立的边界.可以证明直线左边的阴 1 OC 影所示区域为保证摆杆运

25、动规律和摆杆长度不变的 a 和 的解域.在推程的各个位置都有这样的解域,这些解 00 ( ,)a r 域的交集便是推程时 a 和的解域. 00 ( ,)a r 图 3-1 图 3-2 回程时, 0,压力角 a0,传力条件变成-tan ds da ,由此可导出满足传力条件性能的条件: tan a (11) 0 (1)cos( cos( ) ds La d a 将代入式(11)得: 0 90 =85.33 11 (/)BCL dd mm a=170mm, 90mm 0 r =20mm. r r 设计计算及说明结果 (12) 0 (1) sin( )cos( ) ds L a d 同理出可以求出回程

26、时的 a 和的解域.推程和 00 ( ,)a r 回程的解域的交集便是该凸轮机构保证传力性能好的 a 和 的解域.如图 3-2 所示的是一个用作图法求出的同 00 ( ,)a r 向型凸轮机构的 a 和的解域.由图可知, 00 ( ,)a r 的线图是在摆杆的各个以 A 为圆心的以 L= (/)L dd 为半径的圆弧线上取点如图中,推程时沿着此位置时的 1 AB 1 B 摆杆直线内侧量取线段=85.33mm,得, 1 AB 11 (/)BCL dd 1 C 过作直线使之与直线倾斜角;同理,回程时也 1 C 1 C 1 C 1 AB 可沿着摆杆直线外侧量取回程时的线段, 1 AB 11 (/)B

27、CL dd 得,作直线使之与直线反向倾斜角.一般地, 1 C 1 C 1 C 1 AB 阴影区由多个位置时的边界线围成,显然,选取的点数多, 1 B a 和的解域就精确.这要,凸轮的转动中心 O 可以在阴 00 ( ,)a r 影区域内选择,连接 OA 便得到待求的基本尺寸 a=OA, . 00 rOB 如图 3-2 所示求得的机架长度 a=170mm, 82mm . 0 r 选取凸轮机构为滚子从动件凸轮机构。滚子半径 =(0.10.5) ,取=20mm. r r 0 r r r 2.凸轮廓线的绘制凸轮廓线的绘制: 选定角度比例尺,作出摆杆的角位移曲线,如图 3-3(b) 所示,将其中的推程和

28、回程角位移曲线横坐标分成若干等分. 选定长度比例尺,作以 O 为圆心以 OB=为半径的基圆; 0 r 以 O 为圆心,以 OA=a 为半径作反转后机架上摆杆转动中心的 圆. 自 A 点开始沿-方向把机架圆分成与图 3-3(b)中横 坐标相应的区间和等分,得点,再以为圆 123 ,.A A A 123 ,.A A A 心,以 AB=L 为半径作弧与基圆交于点,得线段 123 ,.B BB 设计计算及说明结果 . 112233 ,.ABA BA B 自线段开始,分别作,使它 112233 ,.ABA BA B 123 ,. 们分别等于图 3-3(b)中对应的角位移,得线段 . 112233 ,.AB A BA B 将点连成光滑曲线,它就是所求理论 112233 ,.AB A BA B 轮廓线. 实际轮廓线可用前述滚子圆包络线的方法作出.如图 3-3(a)所示. 3-3(a) 3-3(b) 3.1：1 绘制所设计的机构运动简图绘制所设计的机构运动简图 设计计算及说明结果