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1、一、设计题目： 插床机械设计二、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，电动机经过减速传动装置（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 yy 作往复运动，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 的空刀距离，工作阻力 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 O2 上的凸轮驱动摆动从动件 lO8D 和其它有关机构（图中未画出）来完成的。三、设计要求：电动机轴与曲柄轴 2
2、 平行，使用寿命 10 年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄 2 转速偏差为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之内，摆动从动件 9 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，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。四、设计内容及工作量：机械原理部分1.根据插床机械的工作原理，拟定 23 个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。2.根据给定的数据确定机构的运动尺寸, lBC=(0.50.6)l BO4。要求用图解法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。3.导杆机构的运动分析。将导杆机构放在直
3、角坐标系下，编制程序分析出滑块 6 的位移、速度、加速度及导杆 4 的角速度和角加速度，画出运动曲线，并打印上述各曲线图。要求将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。通过建立机构仿真模型，并给系统加力，编程求出外加力，并作出曲线，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（基圆半径ro、机架 lO2O9 和滚子半径 rr），并将运算结果写在说明书中。将凸轮机构放在直角坐标系下，编制程序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。6.编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。以上工作完成后准备机械
4、原理部分的答辩。五、设计数据：6设计计算过程（1）方案的选择与比较1.方案一该方案如图 11 由两个四杆机构组成。使 ba, 构件 1、2、3、6 便构成摆动导杆机构，基本参数为 b/a= 。构件 3、4、 5、6 构成摇杆滑块机构。图 11方案特点如下：1).是一种平面连杆机构，结构简单，加工方便，能承受较大载荷。2).具有急回作用，其行程速比系数 ,而00(18)/()k。只要正确选择 ，即可满足行程速比系数 k 的要求。arcsin(1/)3).滑块的行程 ， 已经确定，因此只需选择摇杆 CD 的2sin(/)CDHL长度，即可满足行程 H 的要求。4). 曲柄主动，构件 2 与 3 之
5、间的传动角始终为 。摇杆滑块机构中，当09E 点的轨迹位于 D 点所作圆弧高度的平均线上时，构件 4 与 5 之间有较大的传动角。此方案加工简单，占用面积比较小，传动性能好。5).工作行程中，能使插刀的速度比较慢，而且变化平缓，符合切削要求。2.方案二该方案如图 12 将方案 I 中的连杆 4 与滑块 5 的转动副变为移动副，并将连杆 4 变为滑块 4。即得方案 II，故该方案具备第一方案的特点以外，因构件 4 与 5 间的传动角也始终为 ，所以受力更好，结构也更加紧凑。09图 123.方案三此方案如图 13 为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸为 a、b、e。图 13方案特点如下：(1).是四
6、杆机构，结构较前述方案简单。(2). 因极位夹角 ，故具有急回作用，arcos/()arcos/()ebeba但急回作用不明显。增大 a 和 e 或减小 b。均能使 k 增大到所需值，但增大 e或减小 b 会使滑块速度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加，且使最小传动角 减小，传动性能变坏。min从以上 3 个方案的比较中可知，为了实现给定的插床运动要求，以采用方案II 较宜。（2）导杆机构分析与设计1.机构的尺寸综合因为 、00(18)/()k2arcsin/)b而 k=2.0 由上面方程可得 =60又因为 a=lO2A=80mm 可得 b=O2O4=160mm根据几何关系H=2lBO4s
7、in(/2)=140mm可得 lBO4=80.8mmlBC =（0.5-0.6）l BO4=40.4-48.48取 l BC=45mm2.导杆结构的运动分析1） .当在（a）所示位置时，此时构件 4 处在极位（a）速度分析: 曲柄的长度为 lO2A=80mm 转速 n2=45r/min曲柄的角速度为 w2=2n/80=3.53rad/s4343AAvv方向 O24大小 ？ 2Awl由图解法得：= = （错误）43Av2OAl0.95/ms因为 =0 所以竿 4 没有转动,即 ，又因为构件 3，是一个滑块，竿 4 又有铰链定43 40位。所以实际上： =04Av求 B 点的速度： 由于构件 4
8、上 点是 B 和 A 的绝对瞬心点 ， O40AOv4点的速度 已知，利用构件 4 上的速度影像有:4A得 4BvO0/Bvms 求 ： B、C 是同一构件上的点，根据同一构件上点间的速度关系:vBCBv方向 导杆 4O大小 ？ 0 ？可得： Cv加速度分析：因为 aA2=w22 lAO2=0.998m/m2根据速度合成原理有：44434343nt rkAAAAAaa大小 ？ 0.998 ？ 0方向 ？ 4O可得： = =0.998m/s2 方向：4Aa3又根据速度合成原理求 6 滑块 C 的速度：ntcBCBBa大小 ？ ？ ？ 0.998方向 PBCllPlCl又图解法作图解： 的值通过
9、在 AB 杆上由杠杆定理求得:AO 4/0.998=BO4/aBBa3Aa=0.99m/s2又速度比例 =a B/lbp=0.0068所以 =0.9996m/s2 方向垂直向上(二). 滑块 A 在下极位的时候 对机构分析,同理可得：Vc=0， =0.9996m/s2 方向垂直向下(三). 滑块 A 于机架 位于同一位置的右边时：24O速度分析：V A2=3.53*0.08=0.282m/sVA2=VA3又速度合成原理有：3434AAAvv大小 ？ 0.282 0方向 4Ol4l所以 =0.282m/s34Av又杠杆原理有 VB=0.28m/s 方向 4OAl又速度合成原理：cBCBvvv大小
10、 ？ 0.282 0方向 4OAl4OAl所以 =0.282m/scBv加速度分析：W4=0.282/0.147=1.918m/s244 43433nt rkAA AAaaa大小 ？ 0 0.997 0 042Owl方向 ？ 0 0P4A4l2OAl所以 = =0.54m/s24nAa42OAl同理 aB=0.54m/s2加速度合成原理有：tnCBCBBCBCBaa大小 ？ 0.54 0 0方向 0 04OAl 4OAl 所以 = 0.54m/s2 ， 方向 ，向下CBa4OAl(四). 滑块 A 于机架 位于同一位置的左边时：4速度分析：V A2=3.53*0.08=0.282m/s23Av
11、又速度合成原理有：3434AAAv大小 ？ 0.282 0方向 4Ol4l所以 =0.282m/s34Av又杠杆原理有 VB=0.514m/s方向 4OAl又速度合成原理：cBCBvvv大小 ？ 0.514 0方向 4OAl4OAl所以 =0.514m/scBv加速度分析：因为 aA2=（3.53） 2*0.08=0.997m/s2WA=0.282/0.08=3.525rad/s加速度合成原理有：444 43433nt rkAAAAAaaa大小 ？ 0 0.0997 0 042Owl方向 ？ 0 0P4A4AlP4Ol所以 aA2=（3.53） 2*0.08=0.997m/s2同理 aB=1.
12、82m/s2加速度合成原理有：tnCBCBBCBCBaaa大小 ？ 1.82 0 0方向 0 04OAl 4OAl所以 =1.82m/s2 方向 ，向上CBa43. 凸轮机构设计(1). 确定凸轮机构的基本尺寸选定推杆的运动规律:选推杆的运动规律为二次多项式运动规律,即等加速等减速运动规律。其运动规律表达式为:等加速段: ( )2max0/0/2等减速段: ( )20()/由以上两个表达式求得: ( )max204d0/2( )ax02()00/最大摆角时有:L*d/d =122*4*20*30/60 2=81.3mm如图 3-1 所示为摆杆盘形凸轮机构同向转动的尖底摆杆盘形凸轮机构,当推程尖
13、底与凸轮轮廓上任一点 接触时,摆杆摆角为 为摆杆的初始摆角,P 点1B0,为摆杆和凸轮的相对瞬心,此时机构的压力角 和传动角 如图所示.由于摆杆和凸轮在瞬心点 P 的速度相等得:(a+OP) =OP , (1)dtt则 OP/(OP+a)= . (2)将(1)式分子分母同乘 整理得:OP(1- )=a (3)d由式(3)求出 OP 代入式(1)右边得:a+OP=A/(1- ) (4)在三角形 A P 中由正统定理有:1B(5)000sin(9)sin(9)aOL将式(4)代入式(5)中得: (6)0(1/)cosd用 代入式(6)中得: 09(7)0(1/)siniaLd过点 O 作 O /P ,则 ,再由式(2)得 ,1CB1AC1PB1OPdBCLa等式(7)正是 的正弦定理.将等式(6)中的 展开得:0cos()tan = (8)a00(1)cot
