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1、插床机构综合执行、进给及分度机构 Jack机械原理课程设计：目录一、概述二、刀具主运动机构分析设计三、工作台进给运动分析设计四、整机方案五、建模与仿真六、总结设计题目简介： 插床是常用的机械加工设备，用于齿轮、花键和槽形零件等的加工。图示为某插床机构运动方案示意图。该插床主要由电动机作为原动机，并通过带转动、齿轮传动减速后将动力传递给工作机构进行插削加工，工作装置由两个部分组成，1是上下进行的切削运动和水平方向的进给运动。针对图所示的插床机构运动方案，进行执行机构的综合与分析。一、概述设计数据与要求：要求所设计的插床结构紧凑，机械效率高,数据如下：插刀所受阻力曲线设计任务：1.针对图所示的插床
2、的执行机构（插削机构和送料机构）可行方案， 并在一个原动力下将整个插床机构进行综合，在插削的同时自动完成进给，绘制机构运动简图；2、依据设计要求和已知参数，确定各构件的尺寸和参数；（应有所进行的计算）2.在机械基础实验中心机构实验室搭建所设计的机构模型，检验机构简图和运动实现程度；（在说明书中应有照片）3.根据插刀所受的阻力变化曲线，在不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩；4.为达到所要求的速度不均匀系数，确定应加的飞轮转动惯量；5.用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对设计进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。
3、6.编写说明书。插床整体机构插床整机插床输出运动二、刀具主运动机构分析设计 1、确定运动形式；由齿轮单向连续转动到刀具的往复直线移动的变换。2、刀具往复行程H为150mm。3、刀具往复次数为30次/min。4、速度不均匀系数为0.03。一、基本要求：二、提出合理的方案：方案一方案三方案二方案的选取方案方案评价 方案一：虽然结构简单，但是压力角打，传动效率低，切急回特性不明显，耗能大。 方案二：虽然有急回特性，结构也较为简单，但是运用凸轮，容易磨损，且不能传递较大的作用力，结构中与刀具连接的连杆压力角大，效率低，耗能大。 方案三：结构简单，其运动规律简易，具有急回特性，受力简单，不出现死点，而且
4、其压力角较小，有利于传递较大的力，而且传动效率高。综上所分析，我们得出方案三比较合适运用于插床机构，所以我们选取方案三最为我们的最终的主运动刀具的运动方案。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。对于方案三，我们首先做出其上下极限：H 首先对机构做出自由度计算：P=3N-2Pl-Ph=3x5-2x7=1 自由度为1，符合题目要求。其次根据题目所给的条件：行程速比系数K=2、插刀往复行程H=150mm（C1C2=150mm）。 由K=(180+)/(180-),将K=2代入可得，机构的
5、极位夹角：=60。所以A1O2A2=B1O2B2=60,B1B2O2为等边三角形，又因为四边形C1C2B1B2为平行四边形，所以：C1C2 = B1B2 = B1O2 = B2O1 = 150 mm。取下图所示的部分分析： 我们先确定c1c2所放置的位置：如下图所示，它大致可放置于以下三个位置， 位置1位于b1b2圆弧线外，位置2位于b1、b2两端点与圆弧线之内，位置3位于b1b2两端点左边。 我们假设杆件BC长度已知：作出刀具上下极限在c1c2的三个位置图，以及圆弧线与对称线交点H出杆件BC在c1c2的三个位置的情况，然后分析c1c2在哪个位置更符合我们的机构运动特性。 方案方案评价 从图上
6、可知：压力角从423242，它是先减小在增大。压力角较大，传递效率低。 从图上可知：压力角从4负444，由此可知从B2到某个位置的压力角为零，传动力最大，从H到B1某个位置的压力角也为零，传动效率最好。 从图上可知：角度由负9负17负9，由此可知角度为先减小后增大。压力角较大，传递效率低。 由上面三个方案对比可知，方案二最适用于我们的机构，但有刀具的运动情况分析，当刀具在切割的进程是：加速度先增大，在中点时达到最大值，之后加速度再逐渐减小，情况如下图： 方案二的加速度情况一上图差异较大，而且方案二容易让杆件发生干涉现象，所以我们对方案二做进一步的改进，将c1c2通过圆弧线端点H点，如下图;由上
7、图可知;压力角由707，在中点时最小，符合题目要求。所以：经过计算c1c2到o2的距离:O2H = 150 mm.对于BC杆的计算，先分析其位置，当B处于上极限时，大致可分为以下三个位置:C点处在杆件OB的延长线与滑动面的交点2；C点在2上方为1；C点在2下方为3： 通过对压力角的分析B23为60；B12以60为最大压力角逐渐减小，B32的压力角先从60增大到90再从90逐渐减小。B1和B3最后都是逐渐减小，但是B1为拉力，B2为压力，当滑动面有摩擦以及有微小振动时，B2将会产生较大的力，所以取B1的机构方式更有利于提高传动效率，更省力。 对于B1（BC）杆,杆件越长压力角越小，但是由于插床床
8、身高度的约束，BC杆件不能无限长。我查找了相关的资料。资料：实物图将资料与题目数据对比： 插刀往复行程（mm） 150 将刀具的插削长度进行对比： 200 / 150 = 4 : 3所以我设计的插床机床轮廓尺寸(长宽高mm)应该为：1038 x 978 x 1485 刀头支承面至床身前壁间距离 364 mm 所以设定我们的机构高度为： 1485 mm去除夹刀具位置到地面的距离1000 mm,剩余 485 mm。根据下图：前面已经算出B1B2的距离为150mm,相当于剩余高度量为335mm，由于杆件实物有一定的厚度以及插床机身厚度，并且为了留有一定的空间用于实物杆件的组装，所以我们设定杆件B2C
9、2的长度为150mm。 所以可算得C2D两点的长度为：DB2 x DB2 + DC2 x DC2 = C2B2 x C2B2 (1)DB2 = O2H - cos30 x O2H (2)由1、2式可以计算出： DC2 = 149 mm左端部分析完后，我们进行分析右端部分，如下图：前面已算得=60，又因为O1A1O2=90.所以根据勾股定理可以得知，只要知道O1O2A1内任意一边的长度，即可算出全部长度：前面已经得出，插床长度为：1038mm,去除刀头支承面至床身前壁间距离 364mm ，以及已经计算出的左端的长度150mm,剩余长度为：1038 - 364 - 150 = 524 mm我们去除
10、机构的厚度以及插床机身厚度，还留一定的空间用于机构组装等因素，留有104mm的余量，根据上图机构的几何关系可算得;A1O1 = (524 - 104)/3=140mm所以: O1O2 = 280 mm ; A1O2 = 242 mm至此关于刀具的主运动机构的各杆件长度已经全部计算完毕：BC = 150 mm ； AB = 392 mm ; BO2 = 150 mm ； AO2 = 242 mmAO1 = 140 mm ; O1O2 = 280mm ; O2H = 150 mm插床进给运动机构分析与设计插床进给运动机构分析与设计插床进给运动机构分析;插床工作台的进给运动主要包括有三个运动（由插床
11、的正面方向观察）：1.前后运动2.左右运动3.转台的转动由题目任务可知，只有工作台的前后运动需要在刀具做往复插削运动的同时自动完成进给。数据要求如下;速度不均匀系数0.03最大切削阻力（N）2300工作台水平进给范围(毫米/次)0.052-0.283我先计算运动机构较为复杂的工作台的前后运动；工作台的前后运动方案：方案一： 将工作台的前后运动的动力直接由电动机供给，电动机的输出力要通过变速后，再从与刀具主运动相同的的主动轴引出，再运用不完全齿轮，使其能够配合刀具的往复插削运动，完成间歇性进给运动。机构图如下：方案二： 由于工作台的前后运动需要精确的配合刀具的主运动，在刀具进行往复切削运动的同时
12、工作台进行间歇性进给运动。所以我们可以从刀具的主运动的最后一个齿轮动力输入处，安装一个凸轮，再安装上滚轮、连杆等作为工作台前后间歇性运动的原动力。机构图如下： 经过分析，原理上两个方案都是可行的，但是由于题目的要求：插刀所受的阻力曲线图（下图）和已知的工作台的水平进给范围0.052-0.283 mm,可以知道工作台是在刀具回程的0.05H与进程的0.05H这个时间内，水平运动一个非常小的量。所以考虑到第一种方案会运用到较多的齿轮，首先做到精确的配合十分困难；其次，考虑到齿轮太多，机构也会变得非常复杂，一但齿轮有很小的磨耗，叠加之后都会使得工作台的进给运动与刀具的主运动无法准确配合，所以我们选择
13、第二个方案，直接运用凸轮从主运动的动力输入齿轮处引出。使其能够精确的使进给运动与主运动配合，使机构方案一那样复杂。 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。对于长距离传动我提出了以下几种方案如：齿轮系传动；带传动；链传动；杆件机构传动等。齿轮系传动 会使整个机器结构变得复杂，且容易使刀具的主运动与工作台的间歇性进给运动无法精确配合。 带传动 本身具有个缺点：会产生弹性滑动，传动效率低，且其精度不高，从而使刀具的主运动与工作台的间歇性进给运动无法精确配合。 链传动 则会产生冲击，不稳定，而且传动效率低，并伴随着很大的噪声 杆件机构 机构传动效率高，结构简
14、单，完全复制了原动件的运动，精确度高，且其刚度较高。所以，通过对几个方案的分析与比较，我认为杆件机构更符合题目要求。 通过杆件机构的传递后，要将杆件的上下摆动转化为齿轮的转动，我在此处运用了棘轮机构（如下图），之后在通过齿轮机构将运动传递给工作台。凸轮的分析与设计: 先的确定凸轮所需要输出的运动特性，我们根据题意：刀具所受阻力曲线图可知：刀具在回程到距离刀具上极限点时0.05H时工作台开始移动，当刀具运动到进程0.05H时，工作台停止移动。所以，用作图法可以作出在工作台在输入运动齿轮上的运动角度的范围,如下图： 先在PRO/E中草绘出机构简图（为了作图方便，滑块以及铰链省略，但并不影响结果），
15、做出C2B2的平行线，往下移动0.05H（7.5mm），得到的线段下端再与O2连接，作出一条线段，如下图。 线段会与圆有两个交点，两交点与圆心的夹角即为进给机构的运动范围角度。由软件可以准确的得出，角度为：22.47 A1O1 是工作台进给运动的起始点，A2O1为进给运动的终点。由于没有数据要求，我直接设定基圆直径为100mm,从动轮直径为20mm,从动轮位置如图所示，机构杆件连接方式如图所示：设定，各杆件长度为：杆12=杆23=60mm,122=223=60 这部分杆件的结构如左图，杆件35,中间中点处有铰链4，保证3和5运动量相同，杆件端点5连接杆56 , 6端点由铰链以及滑块组成，杆件6
16、7一端由固定铰支座7组成。 杆件长度由已设定和计算出来的;插床机床高为1485mm,在根据几何关系计算，去除一定的装配，机床厚度等，大致可以算得：杆35 =1485-C2H-端点5到地面的距离+70大概得;800mm 为了方便后面的计算以及运动形式的确定，我们设定杆56为60mm. 杆件67与6的位置由棘轮方案来定。凸轮设计：凸轮最高点运动量为10mm,运用等速运动：根据角度与位移的关系可做出下图：根据上图可以大致得到凸轮的轮廓线图：棘轮方案： 棘轮是组成棘轮机构的主要构件。弹簧迫使止动爪和棘轮保持接触。其中摇杆空套在棘轮轴上，棘爪装在摇杆上，而棘轮则用键固联在从动轴上。 当主动件摇杆逆时针摆
17、动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，推动棘轮转过一个角度，此时，止动爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件摇杆顺时针摆动时，止动爪阻止棘轮沿顺时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，故棘轮静止不动。这样，当摇杆作连续的往复摆动时，棘轮便作单向的间歇运动。如下图： 分析题意可知，本题运用的原理与上图相同，但运动方向与上图的方向相反，所以应该将棘轮方向与主动件的方向相反。应该为下图。由于能力有限，为了方便计算，我将端点7放在在棘轮轮心轴线旁。由查找到的资料：资料： 设模数为10，数得齿数为12，所以棘轮齿顶圆的直径为120mm,所以假设线段56长度为60mm.由下图的几何关系可知： 触动论的运动与铰
18、链端点5的运动形式是一样的，当从动轮向上运动时，5向右运动。且他们的运动量相同。 由资料可计算得：当模数M=10，齿数又为12时，P的长度=30mm.所以根据，弧长公式：2r(转过的角度/360),当转角一定是，弧长与半径成正比，所以杆件67=60x3=180mm.最后在计算摆动一次转过的角度：360/12=30最后将这个摆动角度通过轴练着齿轮将运动转化出去，再连接到工作台。计算：设定工作台运动一次进给量为：0.2mm由公式：0.2=2r(转过的角度/360)得，r乘上(转过的角度)=11.45设定半径为：r=10 mm,转过的角度为：1.145则，从棘轮处到运动台最后一个齿轮的转动比为：30
19、/1.145=26.2倍工作台的转动工作台的转动 因为转动是在刀具运动停止时才进行的，所以不需要与刀具配合，可以直接从电机处减速后引出。原理图如下： 由于输入的运动情况未知，所以只是给出方案，并未对齿轮系作出计算；考虑到在运用自动档是，如果工作台一直在转动不利于我们确定具体转角：因此自动档部分加装了一个不完全齿轮，使其做间歇性转动，利于控制；工作台左右运动：工作台左右运动： 因为左右运动是在刀具运动停止时才进行的，所以不需要与刀具配合，可以直接从电机处减速后引出。由于输入的运动情况未知，所以只是给出方案，并未对齿轮系作出计算，只是给出其原理图：考虑到左右运动的工作台是放置在前后运动的上方的，所
20、以工作台的左右运动的运动量较大，所以在齿轮系部分加了一个万向节传动装置，以加大一运动量。4、整机方案：刀具主运动：工作台前后间歇性进给运动：凸轮部分： 杆件与棘轮部分：轮系部分：工作台左右运动：工作台转动：5、插床机构建模与仿真：刀具主运动建模：间歇运动凸轮至棘轮处运动输出的建模;总结 机械原理设计对我们来说非常重要，它要求我们能结合课本的学习，综合运用所学的基础和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，去设计合用的零部件及简单的机械，起到从基础课程到专业课程承先启后的桥梁作用，有对机械设计工作者进行基础素质培养的启蒙作用。 机械设计课程设计的过程是艰辛的，我们不仅对机械的设计的基本过程有了一个初步的认识和了解，接触到了一个真机器的计算和结构的设计，也通过查阅大量的书籍，对有关于机械设计的各种标准有了一定的认识，也加强了对课本的学习和认识。 程设计与上课内容不一样，课程设计涉及的知识与实际工作联系更为紧密。增强了我们理论知识外实际设计工作的能力。此文为粗糙版，如需改进版与模型说明书请联系：Jackqq ; 2161981687
