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1、河南理工大学机械原理插床课设一、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。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
2、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）120插刀往复行程（mm）60插削机构行程速比系数2中心距（mm）130杆长之比1精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 15 页质心坐标（mm）45质心坐标（mm）45质心坐标（mm）115凸轮摆杆长度（mm）125凸轮摆杆行程角（0）15推程许用压力角（0）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0.03最大切削阻力（N）2000
3、阻力力臂（mm）120滑块 5 重力（N）320构件 3 重力（N）120构件 3 转动惯量（kgm2）0.1三、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
4、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 15 页设计过程一、工作原理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。插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，主要由带传动、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。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
5、摆动从动件和其他有关机构来实现的。插床机构可分为两部分：（1） 插削机构：主要由导杆构成。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。根据机构见图得自由度12735F，如图所示：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 15 页图 3 插削机构简图（2） 送料机构：由凸轮及其他有关机构构成。凸轮固定在o2上，凸轮转动带动从动件O4D（如图 1）和其他有关构件运动，使工作台进行前后、左右和圆周方向的间歇进给运动。二 、 根 据 草 图 确 定 各 构 件
6、的 运 动 该 尺 寸 ， 绘 制 机 构 简 图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 15 页1.插削机构的设计 ：由题目可知，齿轮传动减速后带动曲柄1 回转，当相切时滑块5 达到其极限位置。简记1l=Aol2，3l=Bol3，4l=BCl，6l=32ool，x=3ool,根据已知条件，可以分别确定其尺寸。（1）计算极位角和导杆 3 的摆角。由已知条件知：插削机构行程速比系数K 为 2 006011180KK（2）求1l由已知条件知：中心距6l=32ool=130 65211302sin61ll（3）求3l，4l两杆的杆长之
7、比为1，插刀的往复行程H 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 15 页43ll=60212602sin2H（4）求固定支座O3位置，即 X 为了使构件4 对构件 5 的平均传动角比较大，应有如下关系：xllx332cos，则可以得：3321) 12(cos21lylx由此得出3056yx所得数据如下表：x(mm)56 y(mm) 30 L1(mm) 65 L3(mm) 60 L4(mm) 60 2.凸轮机构的设计推程运动为3-4-5 次多项式，推程运动角090，回程运动为等速运动，回程运动角060，凸轮摆杆的行程角的行程角0
8、15，凸轮摆杆的长度1254DOl，推程许用压力角0045。需要求的是凸轮基圆半径R，滚子半径r 和42OOl根据以上条件列出运动方程推程：)(6)(15)(10543m19224080125544331精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 15 页9609602401254433213840288048012534231回程：m41241202根据本题条件可以使摆杆的初始摆角000，当0时，1可以取得最大值4815max1，由如下表达式)90sin()1 ()90sin(000max100442mDOOOll由此得出8542
9、OOl，4085125cos2424442442022OODODOOODOOOllllllR，取滚子半径15r，则基圆半径55RrR，至此凸轮机构的尺寸也完全确定。根据所有尺寸，设计出如下的机构见图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 15 页三、 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；计算图如下：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 15 页由矢量闭合得出如下方程：533223syxlllllBCBOAOAOOO分别投影得出如下方
10、程：544334433113311633sinsincoscossinsincoscossyllxlllslls用矩阵的方式表示：速度矩阵00cossin1coscos00sinsin000cossin00sincos11111543344334433333333llvsllllss加速度矩阵54334443334443333333333333333311111115433443344333333331sinsin00coscos000sincoscos00cossinsin00sincos1coscos00sinsin000cossin00sincosvsllllssssllasllllss
11、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 15 页根据以上方程在 MATLAB 中编写如下程序作出C 的位移、速度、加速度的变化规律曲线。syms q1 q3 q4 s3 s5 q1=0:pi/180:2*pi。q3=atan(65*sin(q1)./(130+65*cos(q1)。q3=0:pi/6。q4=acos(60*cos(atan(65*sin(q1)./(130+65*cos(q1)-56)/60)。s5=60*sin(q3)+60*sin(q4)。plot(q1,s5,r)。grid。title(滑块的位移曲线 )。
12、xlabel(曲柄 1 的转角 1)。ylabel(滑块的位移 s5) v5=diff(s5)。plot(v5)。grid。title(滑块的速度曲线 )。xlabel(曲柄 1 的转角 1)。ylabel(滑块的速度 v5)。a5=diff(v5)。plot(a5,c)。 grid。title(滑块的加速度曲线 )。xlabel(曲柄 1 的转角 1)。ylabel(滑块的加速度 a5)。由此程序得出相关图：012345670102030405060滑 块 的 位 移 曲 线曲 柄 1的 转 角 1滑块的位移s5精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - -
13、- - -第 10 页，共 15 页050100150200250300350400-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4滑 块 的 速 度 曲 线曲 柄 1的 转 角 1滑块的速度v5050100150200250300350400-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.025滑 块 的 加 速 度 曲 线曲 柄 1的 转 角 1滑块的加速度a5四、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、其他构件重力和惯性力的条件，分析曲柄所需的驱动精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总
14、结 - - - - - - -第 11 页，共 15 页力矩。1.根据理论力学以及理论力学相关知识.列出以下表达式212jJeeredddJTTe133155)(sserVGVGQT212552123321233sseVmJVmJ315553333331222sssstJtjtJjJaVmJaVmddddddddeee1555333333212ssssjJaVmJaVmdde1555333333133155)(ssssssedaVmJaVmVGVGQT当曲柄旋转时可以由上公式可以得出以下数据：（度）edT（mN.）0 10 20 30 40 50 edT147.7851 141.2404 13
15、3.1889 122.0764 108.2949 92.271 60 70 80 90 100 110 edT74.45434 55.31369 35.34378 15.08588 1.276596 11.48795 120 130 140 150 160 170 edT25.05672 44.0959 71.38969 107.3844 139.3778 129.0814 180 190 200 210 220 230 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 15 页edT55.4567 -74.3289 -91.7908
16、-65.0962 -35.1491 -15.1063 240 250 260 270 280 290 edT-3.86511 1.774533 4.077446 25.38515 51.42832 75.08479 300 310 320 330 340 350 edT96.03819 113.9072 128.3351 139.0449 145.8685 148.7582 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。361361iediedTT,由此可以求出加于曲柄轴上的平均驱动力矩mNTed.8341.59emfJWJ2)M-(M=Wmin-Wmax=WcbrddW把平均力矩
17、带入后求得2.18862.38mKgJf六、用 Solidworks对执行机构仿真后，画出输出机构的位移、速度、加速度图如下：仿真机构简图位移图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 15 页速度图加速度图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 15 页七、感想与建议。感想： 在设计过程中采用分块设计方法可以使问题得到简化，如：、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
18、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他相应参数。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。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通过相关软件（例如MATLAB ）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。八、参考文献。机械原理冯鉴 何俊 雷智翔编西南交大出版社 2008 机械原理课程设计王淑仁 主编北京 -科学出版社2006MATLAB 7.0 程序设计语言同时还参考了中国知网上面关于插床机构的相关论文精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 15 页