插床运动系统方案设计及其运动分析设计方案

1 插床运动系统方案设计及其运动分析设计方案 第一章 绪论 一，设计的题目：插床运动系统方案设计及其运动分析。 二，此设计是工科专业在学习机械原理后进行的一次较全面的综合设计训练，其目的： 应用于解决实际工程问题； 构设计与分析概念； 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。 三，主要内容： 后按 1： 1 的比例画出图形。对插刀进行运动分析，选取适当比例尺画出不同点速度，加速度矢量图得到不同 点的速度，加速度，并对两处位移，作出位移，速度，加速度同转角的图像 运动分析的基础上作出运动循环图，在运动循环图的指导下，根据设计要求确定工作台进给运动机构传动方案设计（包括上下滑板 1 和 2 进给运动的机构传动方案设计；回转台 3 分度运动的机构传动方案设计；刀具与工作台在运动中的协调性分析；） 图纸进行详细说明 时间安排 （ 1） 明确任务，准备作图工具，并打扫教室。 （ 2） . 第二、三天 在老师的指导下确定构建尺寸，作出机构简图，并进行运动分析，并作出一个周期 的位移、速度、加速度随转角变化的图像 （ 3） . 第四、五天 在老师的指导下，完成工作台的机构传动方案设计，并画出传动示意图。 （ 4） . 第六、七、八天 自己总结，整理并编写说明书一份 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 。 2 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 1 3 3 K 单位 mm mm mm mm mm N 数据 60 100 150 120 50 50 120 160 320 000 2 ： ,工作台每次进给量 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： 1600， 1200, 740, 640, 580, 560, 200, 320, 150, 360, 1200,单位均为 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（ ） - 曲线、V（ ） - 曲线和 a（ ） - 曲线； 3) 三号坐标纸一张： ） 、 Me r（ ） - 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） 3 啊 1111 指导教师 签名日期 年 月 日 系 主 任 审核日期 年 月 日 4 第二章 插床主体机构尺寸综合设计 机构简图如下： 已知 211501/ 2 行程 H=100程比系数 K=2， 根据以上信息确定曲柄 ,1 2, 度，以及 2O 到 的距离 1. 度的确定 5 图 1 极限位置 由 )1 8 0/()1 8 0( 00 K ，得极为夹角： 060 ， 首先做出曲柄的运动轨迹，以 1O 为圆心， 半径做圆，随着曲柄的转动，有图知道，当 到 12于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当 到 22与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到 12 22夹角即为极为夹角060 。由几何关系知， 212211 ，于是可得， 0212211 60 由几何关系可得： 2111 代入数据， 21150060 ，得 51 即 曲柄长度为 752. 杆 2的长度的确定 图 2 杆 度确定 由图 2 知道，刀具处于上极限位置 2C 和下极限位置 1C 时， 21度即为最大行程 6 H=100，即有 21100 在确定曲柄长度过程中，我们得到 0212211 60 那么可得到0221 60 那么可知道三角形 221 等边三角形。 又有几何关系知道四边形 1221 平行四边形，那么 1212 ，又上面讨论知221 为等边三角形，于是有 1221 ，那 么可得到 0022 ,即 002 又已知 1/ 2 于是可得到 002 即杆 2, 100 3. 2O 到 的距离的确定 图 3 2O 到 的距离 有图我们看到， 由3311 动到过程中，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 与圆弧 12相接触时，即图 3 中左边的那条点化线，与圆弧 12切与7 时，当 B 点转到 12,将会出现最大压力角。 Y 轴与 12合时，即图中右边的那条点化线时， B 点转到 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 通过 点（ C 点为 12 12又几何关系知道： 2/)c o s(c o s 22222222 由上面的讨论容易知道 022 30 ，再代入其他数据，得： 即 2O 到 的距离为 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。 8 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 60 ，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 即 曲柄转过 175时位移为 （ 2）速度 由已知从图中可知， 2 直，23行，3直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得 方向大小 ?2233 其中， 2滑块 上与 A 点重合的点的速度，23与 A 点重合的点相对于滑块的速度，3与 A 点重合的速度。 又由图知， 直，C 垂直，Y 轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得： ?其中， 点，即插刀速度， 点相对于 B 点转动速度， B 点速度。 又 B 点是杆件 3 上的一点，杆件 3 围绕 2O 转动，且 B 点和杆件与 A 点重合的点在 2是可得： 3322 OB 由图量的 2032 ,则可到 3220100 AB 由 已知可得 /47175212 ，规定选取比例尺 15 1 ，则可 9 的矢量图如下： 最后量出代表2于是，可得 s 即曲柄转过 175时，插刀的速度为 s。 （ 3）加速度 由理论力学知识可得矢量方程： ？方向？大小 ?23232 其中， 2A 是滑块上与 A 点重合点的加速度， 2A = 212 / 5 77544 ，方向由 4A 指向 1O ； 3 是科氏加速度， 223323 /10802 A （其中233, q 方向垂直 42下； 3是 4A 相对于滑块 的加速度，大小位置，方向与 42行； C 点相对于 B 点转动的向心加速度， 22 / 3/ ,方向过由 C 指向 B； 3是 C 点相对于 B 点转动 10 的切向加速度，大小位置，方向垂直 矢量方程可解，从而得到3A。 B 时杆 的一点，构 绕 2O 转动，又 4A 与 B 点在 2O 的两侧，由RR , （ 是 角加速度）可得 3322 量出 42可得到 B 的大小和方向 又由理论力学 ,结合图可得到； 方向大小 ? 其中， B 在上一步中大小方向都能求得； C 相对于 B 点转动的向心加速度22 /36/ ，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 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 36 2 ，可得加速度矢量 图如下： 11 最后由直尺量的2是，可得当 （ 1）位移 在 1： 1 的基础上，滑块的位移为 即 曲柄转过 355时位移为 （ 2）速度 由已知从图中可知， 2 直，23行，3直，由理论力学中不同构件重合点地方法可得 方向大小 ?2233 其中， 2滑块 上与 A 点重合的点的速度，23与 A 点重合的点相对于滑块的速度，3与 A 点重合的速 度。 又由图知， 直，C 垂直，Y 轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得： ?其中， 点，即插刀速度， 点相对于 B 点转动速度， B 点速度。 又 B 点是杆件 3 上的一点，杆件 3 围绕 2O 转动，且 B 点和杆件与 A 点重合的点在 2是可得： 3322 OB 由图量的 ,则可到 31 0 0AB 由已知可得 /47175212 ，规定选取比例尺 10 1 ，则可的矢量图如下： 12 最 后量出代表是，可得： Cv s/曲柄转过 355时，插刀的速度为 s/向沿 向上。 （ 3）加速度 由理论力学知识可得矢量方程： ？方向？大小 ?23232 其中， 2A 为滑块上与 A 点重合点的加速度， 2A = 2212 / 5 7754 ，方向由 5A 指向 1O ； 3 是 哥 氏 加 速 度 ，5/22 223323323 A （其中 233, 小均从速度多边形中量得），方向垂直 52下； 3是3的加速度 ，大小位置，方向与 52 B 是杆 的一点，杆 绕 2O 转动，又 5A 与 在 2O 的两侧，由RR , （ 是 角加速度）可得 13 35522 量出 52可得到 B 的大小和方向 又由理论力学 ,结合图可得到； 方向大小 ? 其中， B 在上一步中大小方向都能求得； C 相对于 B 点转动的向心加速度22 / ，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 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 50 2 ，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 14 第四章 重要数据及函数曲线分析 ,S V a 数 据 表 角度 位移 S（ 速度V(m/s) 加速度(m/ 7 4 3 21 4 8 5 8 2 9 6 3 0 7 25 4 30 1 31 8 05 41 12 45 19 26 55 33 57 40 47 54 61 73 68 76 75 80 83 87 85 94 90 01 92 08 15 95 22 98 29 36 99 43 99 50 98 57 97 64 71 90 15 278 85 73 92 66 99 06 13 20 27 34 41 3 48 55 60 0 0 、 ()S 图的分析： 随着曲柄 ,1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 ,1动的角度并不相等，这说明了曲柄 ,1动时存在急回运动。 2、 ()V 图的分析 ： 16 随着曲柄 ,1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 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 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 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、 ()a 图的分析： 17 随着曲柄 ,1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 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 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 ： 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 18 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