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1、机械原理课程设计插床机构综合学生姓名： 专业班级： 08机电二班 学号： 目录一、设计题目简介二、设计数据与要求三、设计任务四、插床主体机构尺寸综合设计五、插床切削主体结构运动分析六、重要数据及函数曲线分析七、工作台设计方案八、 总结九、参考文献设计题目： 插床机构综合一、设计题目简介插床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。图示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123456，使装有刀具的滑块沿道路yy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
2、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他有关机构（图中未画出）来实现的。插刀所受阻力曲线 插床机构运动方案示意图 针对图所示的插床机构运动方案，进行执行机构的综合与分析。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64所示。要求所设计的插床结构紧凑，机械效率高。插床机构设计数据插刀往复次数（次/min）60插刀往复行程（mm）100插削机构行程速比系数2中心距（mm）150杆长之比1质心坐标（mm）50质心坐标（mm）50质心坐标（mm）120凸轮摆杆长度（mm）120凸轮摆杆行程角（0）15推程许用压力角（0
3、）45推程运动角（0）90回程运动角（0）60远程休止角（0）15推程运动规律3-4-5次多项式回程运动规律等速速度不均匀系数0.05最大切削阻力（N）1000阻力力臂（mm）120滑块5重力（N）320构件3重力（N）160构件3转动惯量（kgm2）0.14三、设计任务1.针对图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；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、其他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
4、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（可以是计算机图）并编写说明书。 四、插床主体机构尺寸综合设计方案选择：方案一：结构简图如下方案二：机构简图如下：经过对方案一和方案二的比较，我们发现方案一的优点是结构简单，易于实现。方案二的优点是可承受的力要大。考虑到插床需要较大的进给里用已加工零件，所以我们选择方案二，下面我们就相对于方案二进行进一步的计算和设计。已知=150mm，行程H=100mm，行程比系数K=2，根据以上
5、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752. 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
6、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
7、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 4 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752. 杆的长度的确定图 5 杆BC，BO长度确定由图2 知道，刀具处于上极限位置
8、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 6 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
9、，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。五、插床切削主体结构运动分析用图解法作机构的运动分析和动态静力分析已知，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
10、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
11、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。
12、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：
13、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
14、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：六、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(m/s2)71.50.0032.051430.05522140.08251.96285.90.1151.953580.1251.8429.90.1361.654910.50.141.55615.50.151.16319.50.1551.07023.50.160.8577250.180.7784300.1920.6391310.2010.559837.50.2070.15105410.2100.0
15、9112450.212-0.0211948.10.22-0.024126550.212-0.065133570.205-0.1214060.20.201-0.2314766.10.2-0.3215468.90.196-0.36161730.19-0.39168760.18-0.417579.50.174-0.432180830.172-0.45187850.17-0.59194900.140-0.7201920.13-0.7920892.50.126-0.9215950.093-1.04222980.073-1.522998.50.05-1.9236990.03-2.12524399-0.03
16、-2.625098-0.07-3.1425797-0.16-3.326492.5-0.25-4.127190-0.274-5.1227883.5-0.383-5.128573-0.52-4.929266-0.574-1.7429954.2-0.62-0.4430641.5-0.613.631328.2-0.444.732017.9-0.435.232712.5-0.35.473348.1-0.235.53413-0.133.953482.6-0.0293.733551.5-0.02163.04360002.251、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
17、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
18、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
19、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。七、工作台设计方案方案的选择：方案一：凸轮连杆机构（题目中给的方案）方案讨论：运动怎样从电动机引下来；工作台的运动情况及相对位置；怎样确定凸轮的安装角，怎样让整个机构协调工作。第一
20、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
21、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
22、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。方案简图方案二：不完全齿轮间歇旋转机构该机构中不完全齿轮的旋转运动由连杆机构和锥轮从主动齿轮引导下来，然后由不完全齿轮推动工作台运动，设计的不完全齿轮的主动轮旋转一周时从动轮旋转1/10周。方案简图方案比较：比较两个方案，可以发现方案一比方案二
23、要多设计凸轮，由于凸轮设计比较麻烦且精度不高，所以我们选择方案二，下面就方案二做进一步计算：齿轮传动计算：取，。按照要求取，压力角则中心距采用标准中心距则 mm不完全齿轮的计算：设计的不完全齿轮的主动轮旋转一周时从动轮旋转1/10周。齿轮部分取参数为z=120，m=8，法面压力角取 则中心距分度圆直径基圆直径齿顶圆直径齿根圆直径凸轮止弧和凹轮止弧则按照基圆的圆弧来配合八、 总结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。作为初次接触设计的我，对未来的设计充满了信心。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。还有就是经过这次的课程设计，我在绘图方面和三维仿真方面的知识也得到进一步的加强，让我受益匪浅。九、参考文献冯鉴、何俊、雷志翔.机械原理.西南交大出版社裘建新.机械原理课程设计指导书.北京：高等教育出版社
