JY机械原理课程设计插床机械设计

1插床机构的设计插床机构的设计一．设计机构简介一．设计机构简介FFmaxH传动装置 电机 机图一图一 插床机械系统插床机械系统插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图一所示电动机 经过减速装置（带和齿轮传动）使曲柄 1 转动再通过导杆机构使装有刀具的 滑块 5 沿导路 y－y 作往复运动，以实现刀具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 是常数；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 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 动从动杆和其它有关机构（图中未画出）来完成的设计要求设计要求电动机轴与曲柄轴平行，使用寿命 10 年，每日一班制工作，载荷有轻2O 微冲击，允许曲柄 2 转速偏差为要求导杆机构的最小传动角不得小于%5 ，凸轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件的升、回程运动o60][ 规律均为等加速、等加速运动，执行机构的传动效率按 0.95 计算，系统有过载 保护，按小批量生产规模设计。

执行机构0.05H2主要数据主要数据表一表一 设计数据表设计数据表设计内容设计内容名称名称符号符号数据数据转速n 50r/m行程速比系数K1.8插刀行程 HH120mm力臂d108mm导杆机构的 设计及运动分析曲柄AOl 275mm运动规律等加速等减速许用压力角][42从动件最大摆角max30从动件杆长DOl 3130推程运动角165远休止角210凸轮机构设 计回程运动角365二．执行机构的选择与比较二．执行机构的选择与比较方案一：转动导杆和偏置式曲柄滑块机构方案一：转动导杆和偏置式曲柄滑块机构图二图二 方案一原理图方案一原理图 本方案是由曲柄滑块和导杆机 2 曲柄滑块机构组成的，当曲柄 1 做匀速转 动时带动滑块 2 运动则带动杆 3 摇动于 BD 杆就运动起来这样运动就由导杆机 构转动到曲柄滑块机构，在滑块 5 上安装刀头就可以了 分析曲柄滑块这个机构的两个极限位置，进而求出极位夹角分析图如下图3三图三图三 极位夹角示意图极位夹角示意图 由图可以看出 BD 杆长为 130mm、4 杆长为 631.5mm、极位夹角 θ 就是图中 两条黄色虚线所夹的角大小为 5°，则行程速比系数 K=（180+θ）/(180-θ)。

于是把 θ=5°带入上式就可以得到行程速比系数 K=1.057，这个行程速比系数 虽然比较小但是已经能够满足急回运动的要求只不过是说极位夹角 θ 越大， 急回的运动性质越显著 虽然这个行程速比系数可以通过改变机架长度的办法来进行调整，但是本 来这个机构的机架就比较的长，如果在加长就势必就会是整个机构所占的空间 太大，因此考虑不采用这个机构 另外根据公式 F=3n-2pl-ph 计算本机构的自由度，分析机构有 5 个活动构 件、7 个低副、没有高副并且转动副有 A、B、C、D、E 还有滑块 2 与导杆 3 组成的移动副以及滑块 5 与机架组成的移动副，因此计算自由度 F=3*5-2*7- 0=1,所以自由度方面也是符合要求的 但是本机构是完全是由四杆机构及其演变机构组成的，因此运动要经过中 间构件进行传递，并且传动路线比较长，会产生比较大的误差累计，使插刀加 工工件时出现误差，而且也使机械的效率降低 另外本机构的导杆机构为回转导杆机构，不能实现等速运动的目的，而且 高速运动时连杆及滑块的所产生的惯性力难以消除 综上所述本机构基本符合要求它有急回运动，但是急回系数太小满足不 了要求另外还有上述所列的误差和机械效率的问题等，因此不采用这个机构。

4方案二：五杆和滑块组合机构方案二：五杆和滑块组合机构图四图四 方案二原理图方案二原理图 该方案的机构雏形见图四，对于这个机构我们要分析比较才能进行选择 因为左边这个四杆机构各个杆的杆长不同就会导致不同的机构出现，进而影响 到右边的曲柄滑块机构，最后会导致插刀的运动不合要求 首先如果选择 1、2、3、AD 杆各为 20mm、40mm 、25mm、 32mm 时左边因不 合杆长条件形成双摇杆机构这时因为杆 1 和杆 3 都是摇杆所以只能在一定范 围内进行摆动，这就导致滑块的加工距离非常有限另外如果 3 杆是摇杆则图 中形成的是摇杆滑块机构，这个机构不存在极位夹角因此也就没有急回运动， 所以没有必要进行定量的计算就能够看出来这样设置时很不合理的 之后我们必须要寻求一个曲柄存在的机构，这样又会引出是选择双曲柄还 是选择曲柄摇杆机构的问题 把上述 1、2、3、AD 杆的杆长分别改为 20mm、30mm 、25mm、 32mm 此时如 果选择最短杆为 1 为连架杆时则形成的是曲柄摇杆机构，这时杆 3 变为摇杆又 会出现没有急回运动的问题 但是把 1、3 杆进行换位就会出现摇杆曲柄机构，这个虽然满足急回运动的 要求，但是这个机构会出现死点位置。

也就是在曲柄与连杆 2 共线的位置，因 此这个机构我们也是不能选用的 这样分析后我们看出只能把左边的机构选为双曲柄机构，也就是 1、2、3、AD 杆的杆长分别改为 30mm、35mm 、27mm、20mm，但是把最短杆 1 杆 设为机架这也就是我们方案二的最终方案，具体见下图五图五图五 方案二的最终机构图方案二的最终机构图 对图五机构进行分析具体的分析和作图见图六，给出了压力角和极位夹角5图六图六 极位夹角和压力角示意图极位夹角和压力角示意图 图六中所示的位置压力角为 16°为图上部分两条黄线之间的夹角，极位夹 角为图下部分两条黄线的夹角为 11°因为此位置的压力角为 16°满足动力要 求传动效率比较高极位夹角为 16°则行程速比系数 K=（180+θ）/(180-θ) 于是把 θ=16°带入上式就可以得到行程速比系数 K=1.195，这个行程速比系数 相对方案一来说是比较大了，但是仍然没有达到我们理想的行程速比系数 综上所述本方案由双曲柄机构和曲柄滑块机构构成当曲柄 1 匀速转动， 通过曲柄 3 和连杆 4 带动滑块 5 作往复直线运动于是把滑块 5 上装有插刀， 由于曲柄滑块机构的急回性质，因此这个机构也是可以作为执行机构的，而且 满足设计的初步要求。

但是也正是因为这个急回运动滑块 5 和连杆产生的惯性力较大，且难以消 除，同样存在方案一中的一些缺点，因而会使插刀在加工工件时不会达到预期 的目的因此这个方案我们也不采用，继续寻找更佳的方案方案三：导杆、曲柄滑块和凸轮机构方案三：导杆、曲柄滑块和凸轮机构6图七图七 方案三原理图方案三原理图 该机构是由曲柄滑块及导杆机构和凸轮机构构成，曲柄滑块和导杆机构决 定了行程速比系数 K 并且使本机构具有急回运动的性质满足设计要求而且关 键的是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 杆和其它有关机构来完成的 将方案三的机构沿铰链分开研究，对两部分机构分别进行压力角和行程2O 速比系数进行计算，其曲柄摇杆机构的分析如图八所示： 依据极位夹角的定义，我们可以得到：该机构极位夹角的大小等于摇杆两 极限位置的夹角，即233 2sinOOAO故我们可得：233arcsin2OOAO在此，我们取曲柄的长度和两铰链的距离分别为： O3A=75mm，O3O2=150mm将数据带入上式，我们计算可得o6021arcsin2233arcsin2OOAO由行程速比系数的计算公式可得：2180180oo K又因为 A 做圆周运动，其受力方向和其运动方向一致，依据压力角的定义， 我们可以得到此机构的压力角为 0。

7图八图八 导杆部分的分析示意图导杆部分的分析示意图 同理，对第二部分机构进行分析，其机构的分析如图九所示: 经分析可知，机构在运动过程中，当其到达图示的中间位置时，C 处的压 力角达到最大，即，故2, 1maxmaxBCOOBO22sinmax故BCOOBO22arcsinmax在此，我们取 O2O，O2B，BC 的长度分别为: O2O=100mm, O2B=125mm, BC=100mm,则，符合设计的标准oo405 .1441arcsin22arcsinmaxBCOOBO此部分机构，如果 O2B 杆是匀速转动的，则此部分没有急回运动；然而和 上面分析的第一部分联系起来，第一部分机构有急回运动，故此部分机构也具 有急回运动，能满足设计的要求图九图九 曲柄滑块机构的分析示意图曲柄滑块机构的分析示意图 该机构是由曲柄摇杆机构和凸轮机构构成，曲柄摇杆机构决定了行程速比 系数 K 并且使本机构具有急回运动的性质满足设计要求而且关键的是刀具与 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杆和其它有关 机构来完成的8方案比较方案比较方案一：方案一：计算得到行程速比系数 K=1.057，机构有急回运动，但是急回系 数太小。

本机构的导杆机构为回转导杆机构，不能实现等速运动的目的，而且 高速运动时连杆及滑块的所产生的惯性力难以消除 方案二：方案二：计算得到行程速比系数 K=1.195，压力角为 16°，仍然没有达到 我们理想的行程速比系数且本方案由双曲柄机构和曲柄滑块机构构成，也有 惯性力较大，难以消除的缺点 方案三：方案三：计算得到行程速比系数 K=2，且最大的压力角为 14.5°，方案中 使用了凸轮机构，具有容易达到预期的运动规律、响应快速、机构简单紧凑的 优点通过比较，我们可以得到方案三中的机构，其压力角和传动角都是比较理 想的，且使用了凸轮机构，容易达到预期的运动规律因此在设计里我们就采 用方案三三三 机构运动尺寸的确定，绘制机构简图机构运动尺寸的确定，绘制机构简图1．导杆机构的设计．导杆机构的设计表二表二 导杆设计数据表导杆设计数据表设计内容设计内容名称名称符号符号数据数据转速n 50r/m行程速比系数K1.8插刀行程 HH120mm力臂d108mm导杆机构的 设计及运动分析曲柄AOl 275mm由行程速比系数的定义，我们通过计算可得到导杆机构的极位夹角为：oo43.5111180KK9图十图十 导杆机构的极位夹角图导杆机构的极位夹角图 对于机构的的运动尺寸的确定我们首先运用作图法，运用题目中已经给出 的一组数据进行作图后初步确定了曲柄和滑块的两个极限位置。

然后分别画出 这两个位置时的各杆的位置和此时的夹角，然后运用尺规作图求解出相应的杆 长和夹角，初步得出了比较理想的结果 由机构图可知当曲柄 2 与导杆 4 垂直时，滑块 C 到达最高或最低位置所 以曲柄 2 对应的这两位置就是 4 杆机构的极限位置所以其夹角为机位夹角 Ø 如上图所示，故我们可以计算得到mmAOOO8 .172243.51sin752sin232o又因为导杆的运动关于轴线是对称的，故 B1B2 垂直于轴线 O2O3，则四边 形 B1B2C1C2 是平行四边形已知插刀的行程 H=120mm，即 C1C2=120mm，故有 B1B2=120mm，则mmmmBBBO2 .115434. 050243.51sin2213o当滑块的导路通过铰链中心 B 的摆动弧的绕度中点时，可使机构在整' ''BB 个行程中都能得到较小的压力角，故得：h===109.5mm)2cos1 (321BO)243.51cos1 (2 .11521根据给定的数据，以及设计中的条件，在这里我们可BOBC3)6 . 0~5 . 0( 以取 ，则BOBC35 . 0 mmmmBOBC6 .572 .1155 . 035 . 0 故我们可以得到最终的设计结果如下： 表三表三 相应机构的运动尺寸表相应机构的运动尺寸表相应机构的运动尺寸A。