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插床设计计算说明书

4孩氏李

机械原理课程设计

设计计算说明书

设计题目插床机构机械设计

-机械工程学院学院车辆工程专业

-2008级2班班

学生姓名晋磊

完成日期2010年6月23日

指导教师（签字）

重庆大学国家工科机械基础教学基地

第_2_页

10-7,10-11,10-4,11-23,11-6,11-12,11-14,11-17,11-21,11-22,26,12-14,1计目录

1.设计任务书..3

1.1设计题目.….3

1.2插床简介3

1.3设计要求及设计参数4

1.4设计任务4

2.插床工作原理及功能分解5

2.1插床工作原理5

2.2工作分解6

3.机构的选择6

3.1机构的选择参考6

3.2主执行机构的选择7

4.原动机的选择7

5.拟定传动系统方案7

6.绘制工作循环图8

7.凸轮机构的设计9

8.插床导杆机构的综合及运动分析13

8.1插床导杆机构的综合..13

8.2运动分析..15

9.插床导杆机构的动态静力分析18

10.插床创新设计方案..22

设计任务书

1.1设计题目

插床机构设计

1.2插床简介

金属切削机床，用来加工键槽。

加工时工作台上的工件做纵向、横向或旋转运动，插刀切削工件。

利用插刀的竖直往复运动插削键槽和型孔的直线运动机床。

插床与刨床一样，也是使来切削工件，但刨床是卧式布局，插床是立式布局。

插床的生产率和精度都较低，多用于中加工内孔键槽或花键孔，也可以加工平面、方孔或多边形孔等，在批量生产中常被铣床插床的滑枕带着刀架沿立柱的导轨作上下往复运动，装有工件的工作台可利用上下滑座作进给运动。

键槽插床的工作台与床身联成一体，从床身穿过工件孔向上伸出的刀杆带着插动，边做断续的进给运动，工件安装不像普通插床那样受到立柱的限制，故多用于加工大等）孔中的键槽。

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

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。

插床的主

度。

插床是用于加工中小尺寸垂直方向的平面或直槽的金属切削机床，多用于单件或小批

图1插床示意图

1.3设计要求及设计参数

要求主执行机构工作行程切削平稳、压力角较小。

进给机构压力角不超过许用值。

设计

插床机构设计7号题目参数

题号

7

主

执

行

机

构

曲柄转速ni

47

曲柄Lab

72

插刀行程H

140

行程速比系数K

1.7

连杆与导杆之比

Lde/Lcd

0.60

力臂d（mm）

120

工作阻力F（N）

7500

导杆质量m3（kg）

26

导杆转动惯量Js3（kgm2）

1.3

滑块质量m5（kg）

45

进

给机构

从动件最大摆角

10

凸轮从动件杆长（mm）

125

推程许用压力角［］推程

40

回程许用压力角［］回程

50

滚子半径rr（mm）

15

刀具半径rc（mm）

0.08

插刀阻力曲线如图4所示。

插刀在切入、退出工件时均有0.05H的空载行程

F,

Fmax

S

0.05H

005H-

—

H

图2刨刀阻力曲线

1.4设计任务

1）完成各执行机构的选型与设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确定各级运动简图及机械系统传动方案设计图；

2）按工艺要求进行执行系统协调设计，画出执行机构的工作循环图；

3）对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以机计算结果画出插刀位移线图，速度线图和加速度线图；

4）用图解法对主执行机构的一个位置进行动态静力分析；

5）用解析法对控制工作台横向进给的凸轮机构进行运动分析；

6）用图解法绘制控制工作台横向进给的凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线；

7）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一传统设计不同的创新设计方案。

2插床工作原理及功能分解

2.1插床工作原理

插床是一种用于加工键槽、花键槽、异形槽和各种异性表面的金属切削机床。

如图滑枕沿铅垂方向（也可调有一定倾角）作往复直线主切削运动。

工件装夹在工作台上，工作和圆周方向的间歇进给运动。

进给运动可手动，也可机动但彼此独立。

进给运动必须与主插刀插削时严禁进给，插刀返回时进给运动开始进行，并于插刀重新切人工件之前完成复运动的行程长度、拄复运动速度以及进给量大小等均应手动可调。

图3运动示意图

2.2功能分解

1）夹紧工件动作；

2）工作台进行前后、左右和圆周方向的间歇进给运动；

3）装有插刀的滑枕沿铅垂方向（也可调有一定倾角）作具有急回特性的往复直线主切形成各种槽等自己需要的形状。

3机构的选择3.1机构的选择参考

根据上诉的设计要求和工作台需要直线往复间歇性运动和间歇性转动，还有插刀执行

该尽可能的减少时间提高效率，因而采用具有急回特性的曲柄滑块机构。

设计内容如表2

3.2主执行机构的选择

插床机械设计的机构选型

功能

执行构件

工艺动作

插削成形

插刀

直线往复运动（具有急回特性）

工作换位

工作台

前后，左右方向的进给运动和间歇性转动

图4主执行机构参考方案

根据题目要求及所提供的参数分析，综合插床机构自身特点，以及机构方案选择的相选择的主执行机构是方案1。

因为方案1机构运动规律较为简易，受力简单，运动易于控的压力角较小，有利于提高机构受力情况，并且经过分析计算得到该机构的传动效率较其选择方案1。

4.原动机的选择

根据上述的设计参数数据以及插床自身工作特点，选择合适的原动机使得在通过它来

动形式、参数。

原动机的机械特性以及各项性能与机械执行系统的负载特征和工作要求的上决定了整个机械系统的工作性能和机构特征。

根据本机构设计的特点，参考机构运动简图以及传动特征，参照原动机选择的要求，的数据分析，驱动电动机暂时采用：

Y180L-6,额定功率N=22K，额定转速n=970r/min，设计参数如表3所示。

丫系列三相异步电动机

型号规格

Y180L-6

极数

6

额定功率（kw）

15

转速（r/min）

970

电压（V）

r380

额定电流（A）

6.5

效率（%）

89.5

功率因数（cos©）

0.81

重量（kg）

200

最大长、宽、高（mm）

710x465x430

5.拟定传动系统方案

根据上述电动机选择丫180L-6,额定转速960r/min

由题意得，假设插床每分钟的往复次数为15—75次，6档，即转速级数Z=6

由于本传动系统的最大传动比

.n电动机

i==

n执行15

64

所以带传动的速比为8，齿轮传动的速比为也为8。

公比

则插床插刀各档的速度为:

75、54、39、29、21、15。

由假设得：

电动机的转速采用970转/分。

根据机构的选择，按已选定的两个执行机构形式和机械的传动系统画出机械运动方案削机构和皮带传动机构，工作台的不完全齿轮间歇旋转机构。

1）确定变速组数目和变速组排列方式

由于转速级数Z=6,故取两个变速组，根据各变速组，根据各变速组中传动副数目应则，选择：

Z=6=32

即前面用一个三联齿轮，后面用一个双联齿轮

2）确定基本组和扩大组

根据前紧后松的原则，选择6=3i・23方案，即第一变速组为基本组，其三档传动比在转速二变速组为扩大组，两档传动比在转速图上相差三格。

3）确定是否增加定传动比降速级

970

由于本传动系统的最大传动比i=64.6

15

为减小二级变速组的传动比，考虑到主执行机构中的主动件必须与大齿轮固联，且驱做成滑动齿轮，故这一对齿轮的传动比固定。

通过类比，选定为4。

设增加一级V带传动,则二级变速组的最大传动比为：

i=-64^=3.841.40=1.44

44.2

4）分配速比

由上述计算知，变速组的最大传动比为3.81〜1.44,设取第一变速组、第二变速组

1.4X1.4=1.96，则第一变速组的三个传动比分别为：

1.96、1.4和1;第二变速组的二0.714。

6•绘制系统工作循环图

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头就往复运动一次即一个运动循环。

因为插床机械的生产效率是Q=30次/min，为了满

钟转速为n=30r/min，其运动时间T

60

n

60

30

2s。

2）确定组成运动循环的各个区段，插床机械的运动循环由两段组成，即插刀进给的

的空回行程。

为了提高工作效率，插刀回程时间应尽可能的短，所以它必须有急回特性。

K=1.7

3）确定执行机构各个区段的运动时间及相应的分配轴转角。

插床的运动循环时间为

Tt工作t空回1.80.22s

与此相对应的曲柄轴转角（即分配轴转角）为：

工作空回324°36°360°

（4）根据以上数据绘制机构的运动循环图

分配轴0°18°30°60°90°120°150°180°210°240°270°300°330°348°360°

进给机构

从动件最大摆角

10

凸轮从动件杆长（mm）1

125

推程许用压力角［］推程

40

回程许用压力角［］回程

50

滚子半径rr（mm）

15

刀具半径rc（mm）

0.08

转角

324o

324°

插刀执行机构

插刀进给运动

插刀空回运动

工作台

旋转

静止

旋转

7.凸轮机构的设计

凸轮机构设计要求：

按许用压力角确定凸轮机构的基本尺寸，求出理论廓线外凸

径min，选取滚子半径rr，绘制凸轮实际廓线。

以上内容作在3号图纸上（参考图例5）。

根据已知值，以及给定的基圆建议值，在A3图纸上确定圆心02位置。

做出基圆，再理论曲线。

取一点为B点，由O2B=95mm从动件杆长O1B=120mm通过几何做法找到01得长度为157mm为圆心距。

由主执行机构的最大运动摆角确定得到凸轮机构的运动推程角由于由于插刀在切入、退出工件时均有0.05H的空载行程，所以实际凸轮推程角应为除去空为41.6。

。

在此之后为了方便设计与分析，将回程角设为与推程角相等的度数，远停角大

将以上的数据全部带入摆动从动件凸轮机构设计软件，计算得结果：

摆动从动件盘形凸轮机构设计基本参数见下表4:

第_11_页

根据计算结果得到数值，求得各个坐标点距圆心的距离。

以O2B为基线顺时针每转5分别以这些点为圆心做出滚子的圆，用光滑的曲线连接各个点，得到实际凸轮轮廓线，再点，得到理论轮廓线。

接着，根据软件中的要求，即每5°一个单位，做出1~16各个轨迹点与01的旋转运结果中的转角①。

和角位移书°两项在A3图纸右边做出从动件位移线图。

连接个点做

最后要做出插刀工作行程图，由给定数据的K值算出极位夹角大小为47°。

由于插

件时均有0.05H的空载行程。

所以做出4条虚线分别为41.6°和46.6。

的夹角。

至此为止，凸轮机构运动分析图基本完成了。

如图5、图6、图7所示。

图5从动件运动规律线图

基圆一理论廉线-实际廊线一刀具中心---

图7凸轮理论廓线与滚子包络线

第_14_页

设计计算与说明

8.插床导杆机构的综合及运动分析

曲柄转速n147rad/s

曲柄长度Lab72mm

插刀行程H140mm

行程速度比系数K1.7

连杆与导杆之比Lde/Lcd0.60

力臂d120mm

工作阻力F7500N

导杆3的质量m326kg

导杆3的转动惯量JS31.3kgm2

滑块5的质量m545kg

8.1

插床导杆机构的综合

1、

计算极位夹角$，曲柄角速度1，曲柄角加速度1

180匕」46.667°

K1

2n14.922rad/s

60

2

O.OOrad/s

2、

求导杆长度LCD，连杆长度Lde，中心距LAC

根据插床机构结构示意图，由几何条件可得

176.732mm

2sin—

2

因为Lde/LCD0.60，Lde0.6LCD106.039mm

181.782mm

sin—

2

3、

求弓形高b，导路距离Le

H

LCD14.454mm

2tan—

2

Le

b

LACLCD—351.287mm

8.2运动分析

对主执行机构用解析法进行运动分析，由分析结果绘制插刀运动线图，见一号图右上侧。

其中最大压力角max3.908°。

用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证。

1）选取合适的比例长度］0.00133m，按照指定的位置作出机构运动简图，见附件

mm

二（1号图）。

2）确定构件质心：

S3，Ss

易得滑块上转动副与构件5的质心重合，即S5与E重合。

作出机构运动简图后，取Lcd与Lbc的最大值之和的一半，作为构件3的质心，从图上测得Lcs338.525mm

3）按照下面的顺序进行速度分析

（1）求导杆3上与滑块中心B重合的点B3的速度vB3和滑块速度vE

根据点的运动合成，有

VB3

VB2

VB3B2

方向

:

BC

AB

//BC

大小

:

？

已知

?

式中，Vb21Lab

4.9218

0.072

0.35437m/s

取合适的速度比例尺

v

1

0.008mS

mm

，作出速度多边形（见1号图），在速度图上标注

出PS3，其中Vq

LcS3

Lbc

Pd

v0.05321m/s

根据刚体运动合成，

有

VE

VD

VED

方向：

沿导轨与VB3相反//BC

大小：

？

已知？

式中，VdLcdpb3v0.244m/s

Lbc

速度多边形

完成速度多边形后，测量b2b3，可以得到导杆3的角速度大小

3

VB3vPb31.38124rad/s,进而可以求出以下各个值：

LbcLbc

n

aB2

；LaB1.7442m/s2

aB3B223VB3B20.1838m/s

n

aB3

22

3Lbc0.4808m/s

（2）求导杆3上B点的加速度aB3和滑块的加速度aE

由点的运动合成，有

n

aB3

aB3

n

aB2

k

aB3B2

r

aB3B2

方向：

BC

BC

BA

BC向下

//BC

大小：

已知

?

已知

已知

?

2

取合适的加速度比例尺

0.020巴二，作出加速度多边形（见1号图左下角），在加

mm

速度图上标注出pm，其中

LCS3.

.pb3a

lbc

2

0.0898m/s，

另外可得

aD

lcd.

Pbsa

lbc

2

0.3519m/s

n

aED

2

VED

Led

（edv）2

Led

0.0031m/s2

由刚体运动合成，有

aE

aED

万向：

竖直向下与aB3相反EDED大小：

？

已知已知？

完成加速度多边形后，测量Pe，n3d并求出以下值:

2

aEpea0.1078m/s

aB3

2

0.5702rad/s

n3b3a

LBC

加速度多边形

9.插床导杆机构的动态静力分析

根据运动分析的结果，按照下列步骤用图解法对插床主执行机构的一个位置进行动态静力分析。

1）、计算惯性力和惯性力矩

导杆3的惯性力和惯性力矩为：

F13m3as2.33N

M|3Js30.7413Nm

惯性力Fi3作用在质心-上

滑块5的惯性力F|5为：

F15m5aE4.85N，惯性力F|5作用在质心巳上。

2、动态静力分析

1）以杆组4-5为示力体，根据平衡条件可得:

Fx0：

R34sinR650

Fy0:

Fi5Fm5gR34cos

Me0：

M65Fd0

其中为构件4与竖直方向的夹角

解方程可以求得R347078.15N和R65449.74N，

M65900Nm。

取合适的力比例尺

F50N，作出力多变形。

mm

2）以杆组2-3为示力体，根据平衡条件可得:

Fn0:

R43COS1R63m^gcos2FI3cos30

F0:

R43sin1R63m3gsin2F^sin3R2

R2LBS

MS30：

R43Sin丄DS3R63LCS3MI3

其中

2和3分别是力R43，m3g，F|3与导杆3的夹角

。

解方程式可得R6355.65N，

R6311828.59N，R125005.61N。

3）以曲柄1为示力体，由平衡条件得:

M

0:

TR21h0

式中，

h是力R21对点A力臂的图示长度。

根据方程式可求得平衡力矩T339.24Nm

10•插床创新设计方案----基于ADAM对插床机构进行优化设计

10.1工作原理

插床机械系统的执行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，

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

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

动。

刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴。

2上的凸轮驱动摆动从动件OgD和其

未画出）来完成的。

10.2优化设计要求：

电动机轴与曲柄轴2平行，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。

允为±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，

按小批量生产规模设计。

行程速比系数K:

1.7;插刀行程H（mm）140;

10.3试验原始数据

转速n（r/min）:

47；曲柄2（mm）:

72;

10.4设计内容

1）根据插床机械的工作原理,

拟定2〜3个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机

2）根据给定的数据确定机构的运动尺寸,Lbc=（0.5〜0.6）Lbo4。

要求用图解法设计，并写在设计说明书中。

3）导杆机构的运动分析。

将导杆机构放在直角坐标系下，建立参数化的数学模型。

利用滑块6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度运动曲线，并打印上述各曲线建模过程详细地写在说明书中。

4）导杆机构的动态静力分析。

通过参数化的建模，细化机构仿真模型，并给系统加力，打并求出最大平衡力矩和功率。

5）凸轮机构设计。

根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸，将凸轮机构放在直角坐软件中建模，画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。

10.5建模过程

通过点：

point1（0,0）,point2（30,0）,point18-2（-17,0）point5（-23.26,11.63）,point18（-

（zhangwei.Loc_X-POINT_5.Loc_X）*（zhangwei.Loc_X-POINT_5.Loc_X））+POINT长度15建立模型如下：

10.6优化过程及结果

将pointzhangwei横坐标设为DV11,纵坐标为横坐标的变量，y=（SQRT（225-（

POINT_5.Loc_X）*（zhangwei.Loc_X-POINT_5.Loc_X））+POINT_5.Loc_y），

>PART_7_MEA_1!

■1.5

n笊创b.ooo

I:

-2.040-2.622

-1.4I9

■2.225

'So.o^3.'o_e.'o

Trial

01

DV_11

Sensitivity

1

-3.8542

-29.700

0.00011830

2

-3.8539

-27.200

0.00011011

3

-3.8536

-24.700

9.9270e-005

4

-3.8534

-22.200

9.8237e-005

5

-3.8531

-19.700

9.9841e-005

:

NOUNITS

V1）DV_11

Units

DesignVariables

V1）DV_11

Units:

NOUNITS

Trial

01

DV_11

Sensitivity

1

-3.8536

-24.800

9.7946e-005

2

-3.8536

-24.750

9.7894e-005

3

-3.8536

-24.700

9.7790e-005

4

-3.8536

-24.650

9.7690e-005

5

-3.8536

-24.600

9.7641e-005

心得与体会

在短短两周的机械原理课程设计中，我们摆正态度，努力钻研，虚心学习，让我们在悟到了很多。

在分配到课程设计任务后，小组三名成员晋磊、朱振亚、张卫进行了大量前书馆、电子阅览室查阅相关资料，事先对插床机构的设计有了充分的认识，并能联系机械知识。

在整个设计中，我们受益匪浅。

我们不仅学习到了书本上学不到的知识，而且还培践能力。

一、梳理知识脉络，理论联系实际。

机械原理课程的特殊性，以及为达到培

养以学生具有一定的机械系统方案创新设计能力为目标，就要求我们能够独立地思考并解

了“以设计为主线，分析为设计服务，落脚点是机械系统方案设计”的新体系。

我们在结程后，知识相对局限，只是掌握大部分的理论核心知识，知识独立且关联性不强。

通过为期我们能把学到的知识运用到实际问题中去，通过对简单插床的受力分析、速度分析、加速练的掌握并运用图解法、解析法，能够按照设计要求设计凸轮尺寸，并对其运动分析。

我不仅对课本上的知识有了更深层次的理解，还对工程设计有了初步的认识，为以后的工作的基础。

二、培养集体精神，增强团队意识。

此次设计活动培养了大家的团队意识、创新思维了成员间彼此的友谊。

我们从中体会到团队合作的必要性。

首先，我们从设计任务书入手据，在多个机构设计方案中确定最优方案。

在确定了设计参数及机构运动方案之后，小组结合作，即使制定了设计计划与日程表，并且迅速的组织实施。

在整个过程中，离不开大解和支持。

我们不仅锻炼了自己的动手能力，创新思维，更培养了大家与人沟通的能力，识