插床机构说明书

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文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

机械原理课程设计

插床机构说明书

负 责学 班 学 日 人： 廖昭洋 院： 机电工程学院 级： 机械1102班 号：

期： 2013年 7月11日

设 计 目 录 1.设计任务及原始参数 ...........................................................................................2 插床简介 ...................................................................................................................................2 设计任务 ...................................................................................................................................2 原始参数 ..................................................................................................................................3 2.运动方案设计 ..........................................................................................................................4 主机构方案 ...............................................................................................................................4 齿轮传动机构方案 ...................................................................................................................5 3.电动机的选择 ........................................................................................................6 电动机的型号 ...........................................................................................................................6 电动机的功率 ...........................................................................................................................6 4.传动比分配 ...........................................................................................................8 5.齿轮机构设计 .........................................................................................................................8 6.主机构设计 ..........................................................................................................10 7.主机构的运动分析 ..............................................................................................13 插床基本参数 ..........................................................................................................................13 运动分析 ......................................................................................................................14 8.主机构的受力分析 ...............................................................................................21 9.主机构的速度波动调节 .......................................................................................30 10.小结 .....................................................................................................................33 参考文献

1.设计任务及原始参数 插床简介 工作原理 插床实际是一种立式刨床，在结构原理上与牛头刨床同属一类。插刀随滑枕在垂直方向上的直线往复运动是主运动，工件沿纵向横向及圆周三个方向分别所作的间歇运动是进给运动。插床的生产效率较低，加工表面粗糙度Ra为微米，加工面的垂直度为300毫米。插床的主参数是最大插削长度。 特点 插床用于插削平面、成型面及键槽等，并能插倾斜度在10°范围内的模具等工作物，适用于单个或小批量生产的企业。插床的工作台具有三种不同方向的进给（纵向、横向和回转），故工作物经过一次装夹后，在本机床加工几个表面。 设计任务 1.针对图所示的插床的执行机构方案，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并编写说明书。 原始参数 参数项目 数据 曲柄转速n（r/min） 65 行程速比系数K 插程H（mm） 150 连杆与导杆之比LO3B/LBC 工作阻力Fr(N) 3500 空程阻力Ff（N) 175 Lo2o3（mm） 150 滑块质量m2，m5(kg) 50 杆件线密度（kg/m） 200 不均匀系数 2.运动方案设计 主机构方案 （1）运动是否具有确定的运动

该机构中构件n=5。在各个构件构成的的运动副中Pl=7,Ph=0。由以上条件可知：机构的自由度F=3n-2Pl-Ph=1。机构的原动件是曲柄，原动件的个数等于机构的自由度，所以机构具有确定的运动。 （2）机构传动功能的实现 在原动件曲柄1带滑块2的作用下，摇杆3在一定的角度范围内摆动。通过摇杆杆3带动连杆4运动，从而实现刨刀的往复运动。 （3）主传动机构的工作性能 曲柄1 的角速度恒定，通过滑块2带动摇杆3摆动，连杆4也随着杆3的摆动不断的改变角度，使刨刀的速度变化减缓，速度趋于匀速；在机构的回程时，只有惯性力和摩擦力，两者的作用都比较小，因此，机构在传动时可以实现刨头的工作行程速度较低，而返程的速度较高的急回运动。 （4）机构的传力性能 该机构在设计上不存在影响机构运转的死点，机构在运转过程中不会因为机构本身的问题而突然停下。 （5）机构的动力性能分析。 由于原动件曲柄具有运动稳定平衡性，在运转过程中，不会引起整个机构的震动，保证整个机构的寿命。 （6）机构的合理性 此机构使用六连杆机构，设计简单，维修，检测都很方便。 （7）机构的经济性 该机构使用的连杆都不是精密的结构，不需要特别的加工工艺，也不需要特别的材料来制作，也不需要满足特别的工作环境，所以该机构具有好的经济效益，制作方便，实用。 齿轮传动机构方案 根据本设计传动特点，本设计采用皮带轮，齿轮两级传动 传动特点： 普通V带传动允许的传动比较大，结构紧凑，，并且大多数V带已经标准化，便于设计。 齿轮减速器的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，因而应用范围很广泛。齿轮减速器按其减速齿轮的级数可分为单级、两级、三级和多级的；按其轴在空间分布可分为立式和卧式；按其轴运动简图的特点展开式、同轴式和分流式等。 3电动机的选择 电动机的型号 根据本机构设计的特点，参运动简图以及传动特征，参照原动机选择的要求，根据题目所给插床的数据分析，驱动电动机暂时采用： Y90L—4，额定功率N=，额定转速n=1400r/min，设计参数如表所示。 Y系列三相异步电动机 型号规格 Y90L-4 额定功率 （kw） 电压 （V） 380

额定电流 （A） 转速 （r/min） 1400 定矩（倍） 效率（%） 功率因数 （cosφ） 电动机的功率 （1）首先确定执行机构的运功循环时间T，在此选取曲柄导杆机构作为插床的执行机构。曲柄旋转一周插头就往复运动一次即一个运动循环。因为插床机械的曲柄轴每分钟转速为n=65r/min，其运动时间 T60 （3—1） n曲柄T12s得T13 1213（2）根据插刀受力分析得，计算一个循环插刀需做功的大小 （3）计算所需有效功率 WFr•0.9HFf•1.1H （3—2） W501.375JWPT （3—3） （4）计算传动效率 从电机输出，经2,4联轴器的效率η1，传动系统中用了两个联轴器，联轴器的传动效率为η12，在经过轴承传动，轴承都是成对使用的，此传动系统中有两对轴承，轴承的效率η2，四个轴,则为 η24，在经过齿轮的传动效率η3，然后通过运输带（一般为V带传动）传动，带的效率为η4 则总的传动系统的传动效率为： η=η12·η24·η3·η4 （3—4） 查机械设计课程设计指导书表得：普通V带传动效率40.96，角接触球轴承效率（两对）20.99，圆柱齿轮传动（8级精度、油润滑）效率30.97，联轴器的传动效率为η1= （5）计算电机效率，取安全系数为n= P计算n•P543.16W0.877P （3—5） P计算929.0W（6）检验电动机功率是否合适 所以所选电动机合适！ 4.传动比分配 传动类型（单级） 传动比i 圆柱齿轮机构（开式） 4－6 圆柱齿轮机构（闭式） 3－5

直齿圆锥齿轮机构 2－3 蜗轮蜗杆机构 10－40 V带传动 2－4 链传动 2－5 传动比计算： 由 iin电动机n曲柄 （4—1） i21.6i皮带3.6i齿轮6i皮带•i齿轮 （4—2） 所以皮带轮传动比为，齿轮传动比为6 5.齿轮机构设计 齿轮基本参数： 本设计采用标准直齿轮传动，分度圆上压力角取标准值20 不跟切条件 zmin2ha （5—1） sin2Zmin17Z1=20，Z2=120，根据齿轮受力选取模数m=4mm （注：下列尺寸单位为mm） h齿顶高系数： a1.0 齿根高系数： c0.25 分度圆直径； d1mz1 （5—2） 基圆直径； db1mz1cos （5—3） d180齿顶高： ha1mha （5—4） 齿根高： hf1m(hac) （5—5） 齿顶圆直径： da1d12ha1 （5—6） dd12hf1齿根圆直径； f1 （5—7） 齿距： pm （5—8） 基圆齿距： pbmcos （5—9） db175.2ha14hf15da188hf2570ddf1488a2p12.57pb11.816.主机构设计 根据草图确定各构件的运动该尺寸，绘制机构简图 已知条件有： K=，则计算的极位夹角51.43， 插程H=150mm ，连杆与导杆之比LO3B/LBC = L0203=150mm （1）确定曲柄O2A长度，如图为两极位，则有 O2A

O2O3•sin2 （6—1） O2A65.1mm

(2)确定BO3与BC长度 因为BB^与CC^平行，CB=C^B^,所以BB^=150mm 所以有 BO3BB2sin （6—2） 2BO3172.85mm又已知LO3B/LBC =，BC= （3）确定Y轴到O3点的距离 为保证最大压力角最小，经检验，Y轴设置在B点最远与最近点的中点为最佳 如图， Lyo3BC216.07mm1BO3•cos(BO3BO3•cos) 222Lyo31.3mm （6—3） （4）主机构尺寸汇总及机构简图绘制 插程H=150mm ， L0203=150mm 3杆最大长度为BO3+Lo2o3+O2A= 所以令L3=400mm 简图绘制 7.主机构的运动分析 插床基本参数 插床刨床运动分析软件输入设计参数 参数 数值 行程速比系数 K 插 刀 行 程 H(mm) 150 曲柄长度O2A(mm) 连杆长度BO3(mm) 导路距离Lyo3(mm) 导杆长度BC(mm) 曲柄角速度ω(rad/s) 曲柄角加速度ε(rad/s2) 0 运动分析 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： 由矢量闭合得出如下方程： （下面L3=LBO3，S3=SO3A） 分别投影得出如下方程： 矩阵的方式表示： 速度矩阵

加速度矩阵

根据矩阵，

编写matlab程序如下：

clear all;clc;

w1=;l1=;l3=;l6=;l61=;l4=; for m=1:3601

o1(m)=pi*(m-1)/1800;

o3(m)=atan((l1*sin(o1(m)))/(l6+l1*cos(o1(m)))); s3(m)=(l1*cos(o1(m))+l6)/cos(o3(m)); o4(m)=acos((-l61+l3*cos(o3(m)))/l4); se(m)=-l3*sin(o3(m))+l4*sin(o4(m)); if o1(m)==0

o3(m)=0; s3(m)=l1+l6; end

if o1(m)==pi

o3(m)=0; s3(m)=l6-l1; end

A1=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0; sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3(m)),l4*sin(o4(m)),0;0,-l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),-1]; B1=w1*[-l1*sin(o1(m));l1*cos(o1(m));0;0];D1=A1\\B1;E1(:,m)=D1;ds(m)=D1(1);w3(m)=D1(2);w4(m)=D1(3);ve(m)=D1(4); A2=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0; sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3(m)),l4*sin(o4(m)),0;0,-l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),-1]; B2=-[-w3(m)*sin(o3(m)),(-ds(m)*sin(o3(m))-s3(m)*w3(m)*cos(o3(m))),0,0;

w3(m)*cos(o3(m)),(ds(m)*cos(o3(m))-s3(m)*w3(m)*sin(o3(m))),0,0;0,-l3*w3(m)*cos(o3(m)),l4*w4(m)*cos(o4(m)),0; 0,l3*w3(m)*sin(o3(m)),-l4*w4(m)*sin(o4(m)),-1]*[ds(m);w3(m);w4(m);ve(m)]; C2=w1*[-l1*w1*cos(o1(m));-l1*w1*sin(o1(m));0;0];B=B2+C2;D2=A2\\B;E2(:,m)=D2;dds(m)=D2(1);

a3(m)=D2(2);a4(m)=D2(3);ae(m)=D2(4); end;

o11=o1*180/pi;y=[o3*180/pi;o4*180/pi];w=[w3;w4];a=[a3;a4];figure;

subplot(221);h1=plotyy(o11,y,o11, se); axis equal;

title('位置线图');xlabel('\\it\heta1');ylabel('\\it\heta3,\heta4,Se'); subplot(222);h2=plotyy(o11,w,o11,ve); title('速度线图'); xlabel('\\it\heta1');ylabel('\\it\\omega3,\\omega4,Ve'); subplot(212);h3=plotyy(o11,a,o11,ae); title('加速度线图'); xlabel('\\it\heta1');ylabel('\\it\\alpha3,\\alpha4,\\alphaE'); F=[o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae]';G=F(1:100:3601,:) 运行得到图像如下 下图中红线（中间）表示插刀运动，绿线（最上）表示4杆BC的运动，蓝线（最下）表示3杆BO3运动 得出数据如下 0 0 0 0 0

（续上表） 0 8.主机构的受力分析 基本数据： 参数 数值 参数 数值 插 刀 行 程 H(mm) 150 m1(kg) 曲柄长度O2A(mm) m2 (kg) 50 连杆长度BO3(mm) m3(kg) 80 导路距离Lyo3(mm) m4(kg)

导杆长度BC(mm) m5(kg) 50 L3 (mm) 400 取滑块5与插刀受力点距离为40mm， 设质量集中在距插刀20mm处。 选取曲柄在7，9，12三点时作受力分析 9点受力分析如下： 0 0 0 8-2图，对B点取矩 12Jm4l4 4 (8-1) 3M65Fr0.04(m55G5)0.02 (8-2) J40.265kgm2l4sin(904)J44G4Nl4cos(904)2 (8-3) (Frm55G5)l4sin(904) R34X R34YM65129.6NN167.23NR34X167.23NR342702.95NYN (8-4) Frm55G5G4 (8-5) 1m3l32m3d2 (8-6) 2 8-3图，对O3点取矩 d= J3 R23(Lo2o3J31.13kgm2O2A)R34YBO3G3dJ33 (8-7) 8-4图，对O2 取矩 R231838.6NTed156.54Nm1 Ted(R32G2G1)O2A (8-8) 2曲柄在12点时受力分析如下：

8-6图，对B点取矩 12Jml 444 (8-9) 3 M65J40.265kgm2M65127.93N0.04Fr0.02(G5m55) (8-10) J44(Frm55G5)l4sin(490)l4sin(490) (8-11) G4Nl4cos(490)2 R34XN (8-12) R34YN104.65NR34X104.65NR34Y2619.58NFrm55G5G4 (8-13)

8-7图，对O3点取矩 d= 122Jmlmd 3 (8-14) 3332J31.13kgm2R23 Lo2o3cos3R34YBO3cos3 (8-15) R232627.57NR34XBO3sin3G3dcos3J338-8图，对O2 取矩 TedR32 7点受力分析如下 sin3O2A (8-16) Ted680.13Nm

8-10图，对B点取矩 12Jml 444 (8-17) 3 M650.04Fr0.02(G5m55) (8-18) J44(Frm55G5)l4sin(904)l4sin(904) (8-19) G4Nl4cos(904)2 R34XN (8-20) R34YFrm55G5G4 (8-21)

8-11图，对O3点取矩 d= 122Jmlmd 3 (8-22) 3332Lo2o3O2Acos60O3A (8-23) cos3R23O3AR34YBO3cos(3) R34XBO3sin(3)G3dcos3J332 (8-24) 8-12图，对O2 取矩 O2A2O3A2O2O3 cos(O2AO3) (8-25) 2O2AO3Acos(O2AO3)0.73TedR32cos(O2AO3)O2A (G1G)OAcos601222Ted47.99Nm (8-26) 9.主机构的速度波动调节 （1）取曲柄AB为等效构件，根据机构位置和切削阻力Fr确定一个运动循环中的等效阻力矩Mr（φ）。 MrF阻(5) (9-1) 1（2）列出Mr（φ）值表格，并画出梯形图 (250,110)时F阻=Fr，(110,250)时F阻=Fr () v5 (m/s) Mr(Nm) M(Nm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150



160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 根据M（φ）数值画出梯形图如下：

（3）计算曲柄处于各个位置时Mr（φ）的功。驱动力矩可视为常数，确定等效驱动力矩Md。 W1=，W2=，W3=  Mr()dWr() (9-2) 01 Md22M0r()d (9-3) （4）根据力矩图求动能的增量 E1= E2= E3= 最大盈亏功 WmaxEmaxEmin (9-4) (5)设飞轮安装在等效构件同一轴上，计算飞轮转动惯量JF。 900Wmax JF2n2 （9-5）

10.小结 机械设计是机电类专业的主要课程之一，它要求我们能结合课本的学习，综合运用所学的基础和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，去设计合用的零部件及简单的机械，起到从基础课程到专业课程承先启后的桥梁作用，有对机械设计工作者进行基础素质培养的启蒙作用。 机械设计课程设计的过程是艰辛的，在这短暂的二个星期里，我们不仅对机械的设计的基本过程有了一个初步的认识和了解，接触到了一个真机器的计算和结构的设计，也通过查阅大量的书籍，对有关于机械设计的各种标准有了一定的认识，也加强了对课本的学习和认识。 课程设计与上课内容不一样，课程设计涉及的知识与实际工作联系更为紧密。增强了我们理论知识外实际设计工作的能力。 参考文献

[1]孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]王三民主编.机械原理与设计课程设计.北京：机械工业出版社,2005. [3]刘毅主编.机械原理课程设计.武汉:华中科技大学出版社, 2008.

[4]李滨城.徐超主编.机械原理MATLAB辅助分析.北京：化学工业出版社，2010.