插床机械原理.docx
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插床机械原理
设计目录
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
11．心得与体会及参考文献…………………………………………………………….26
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，插刀做上下往复运动，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，也是使用单刃刀具（插刀）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，多用于单件或小批量生产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或拉床代替。
普通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纵向、横向和回转进给运动。
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刀边做上下往复运动，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，故多用于加工大型零件（如螺旋桨等）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。
插床的主参数是最大插削长度。
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，多用于单件或小批量生产。
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。
设计参数如表1所示。
插床机构设计7号题目参数
题号
3
主执行机构
曲柄转速n2
46
曲柄Lo2A（mm）
60
插刀行程H（mm）
110
行程速比系数K
1.6
连杆与导杆之比LBC/LBO4
0.40
力臂d（mm）
100
工作阻力F（N）
1350
导杆质量m4（kg）
22
导杆转动惯量JS4（kgm2）
1.2
滑块质量m6（kg）
44
进给机构
从动件最大摆角ψ
20︒
凸轮从动件杆长（mm）
130
推程许用压力角[α]推程
42︒
回程许用压力角[α]回程
42︒
滚子半径rr（mm）
5
刀具半径rc（mm）
—
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。
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
各级传动比，画出机构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验证，并根据计算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，大胆提出一种或一种以上与该机现有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。
如图所示，装有插刀的滑枕沿铅垂方向（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，工作台可作前后、左右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。
进给运动必须与主切削运动协调，即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位。
插床的主
切削运动的行程长度、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削运动，插削工件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，还有插刀执行机构在回程阶段应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所示。
插床机械设计的机构选型
功能
执行构件
工艺动作
执行机构
插削成形
插刀
直线往复运动（具有急回特性）
导杆机构
工作换位
工作台
前后，左右方向的进给运动和间歇性转动
凸轮机构
棘轮机构
槽轮机构
不完全齿轮
3.2主执行机构的选择
方案一
方案2
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
择的相关要求，我们最终选择的主执行机构是方案3。
因为方案3机构运动规律较为简易，受力简单，运动易于控制分析。
同时机构的压力角较小，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它方案高。
故最终选择方案4.
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。
曲柄旋转一周插头就往复运动一次即一个运动循环。
为了满足效率，曲柄轴每分钟转速为n=46r/min，其运动时间T=60/46=1.3。
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，即插刀进给的工作行程及退回时的空回行程。
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。
取行程系速比系数K=1.6。
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，与此相对应的曲柄轴转角（即分配轴转角）为：
ψ工作+ψ回程+ψ推程=221.54°+124.62°+13.84°=360°
（4）根据以上数据绘制机构的运动循环图
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，求出理论廓线外凸曲线的最小曲率半径
，选取滚子半径
，绘制凸轮实际廓线。
以上内容已用CAD作在3号图纸上。
根据已知值，以及给定的基圆建议值，在A3图纸上确定圆心
位置。
做出基圆，再根据滚子半径做出理论曲线。
取一点为B点，由
=95mm，从动件杆长
=120mm，通过几何做法找到
点。
连接
，测得长度为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为42°，但是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载行程后的摆角，为41.54°。
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，远停角大小为0°。
摆动从动件盘形凸轮机构设计基本参数见下表4：
进给机构
从动件最大摆角ψ
10︒
凸轮从动件杆长（mm）
130
推程许用压力角[α]推程
42︒
回程许用压力角[α]回程
42︒
滚子半径rr（mm）
5
刀具半径rc（mm）
—
表4
根据计算结果得到数值，求得各个坐标点距圆心的距离。
以O2O9基线顺时针每转4°确定一个坐标点。
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，再连接滚子圆的外切点，得到理论轮廓线。
接着，根据软件中的要求，即每4°一个单位，做出各个轨迹点与O1的旋转运动曲线。
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41.54°。
至此为止，凸轮机构运动分析图基本完成了。
如图5
图5凸轮理论廓线与滚子包络线
8．插床导杆机构的综合及运动分析
曲柄转速n2=46rad/s
曲柄长度LO2A=60mm
插刀行程H=110mm
行程速度比系数K=1.6
连杆与导杆之比连杆与导杆之比LBC/LBO4=0.4
力臂d（mm）=100
工作阻力F（N）=1350
导杆质量m4（kg）=22
导杆转动惯量JS4（kgm2）=1.2
滑块质量m6（kg）=44
8.1插床导杆机构的综合
1、计算极位夹角
，曲柄角速度w2，曲柄角加速度
θ=180°（K-1）/（K+1）=41.54°
w2=LBO42πn2/=4.815rad/s
2、求导杆长度LBO4，连杆长度LBC，中心距LO2O4
根据插床机构结构示意图，由几何条件可得
LBO4=H/（2sin20.77°）=155.10mm
因为LBC/LBO4=0.40，LBC=0.40LBO4=62.04mm
LO2O4=LO2A/（2sin20.77°）=169.20mm
3、求弓形高h，导路距离Y
因为LDO4=（H/2）/tan20.77°=145.02
h=（LBO4-LDO4）/2=5.08mm
Y=LO2O4+LDO4+h=319.3mm
8.2运动分析
对主执行机构用解析法进行运动分析：
1）选取合适的比例长度μL=3.1mm/1mm，按照指定的位置作出机构运动简图，如下：
2）确定导杆质心S4
以O4为圆心，BO4为半径画圆在导杆O4A方向上交点即为该导杆质心S4
LO4S4=155.10mm
3）按照下面的顺序进行速度分析
VA=w2LO2A=0.289m/s
取μv=6.72mm/s/1mm为比例尺作速度多边形如下图：
求导杆上与滑块中心A重合的点大的速度VA4和A点相对倒杆4的速度VA4A3
根据点的运动合成，有VA4=VA3+VA4A3
方向：
⊥O4A⊥O2A∥O4A
大小：
？
w2Lpa3μv？
根据速度多边形可得VA4=Lpa4μv=0.269m/s，VA4A3=La3a4μv=0.106m/s
w3=w4=VA4/LO4A=1.166rad/s
同理：
VC=VB+VCB
方向：
∥y⊥O4B⊥cB
大小：
？
√？
根据速度多边形可得VC=Lpcμv=0.182m/s，VCB=Lbcμv=0.028m/s
W5=VCB/LBC=0.45rad/s
4）下面进行加速度分析
求导杆上滑块与倒杆重影点的加速度
和滑块相对倒杆的加速度aA4A3
=W
LO4A=1.166×1.166×0.223=0.303m/s
=W
LO2A=4.815×4.815×0.06=1.391m/s
=2w3VA3A2=2×1.166×0.106=0.247m/s
取μa=0.303m/s
/10mm为比例尺作加速度多边形如下图
由点的运动合成，有
大小W
LO4A？
W
LO2A02w3VA3A2？
方向A→O4⊥O4AA→O20√∥O4A
根据加速度多边形可得a4=μaLp′a4=0.409m/s
=μaLa4′n′=0.248m/s
角加速度α4=
/LO4A=0.248/0.223=1.103rad/s
（逆）
=μaLa4′k′=0.939m/s
aC=aB+aCB
aC=aB+a
+a
方向：
∥y√C→B⊥cB
大小：
？
√W
LCB？
aB=W
LO4B=1.166×1.166×0.155=0.211m/s
a
=W
LCBμa=0.125m/s
a
=μaLc′n″=0.1545m/s
aC=μaLc′p′=0.171m/s
9.插床导杆机构的动态静力分析
1）、计算惯性力和惯性力矩
导杆的惯性力和惯性力矩为：
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