插床机构的设计.docx
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插床机构的设计
和必专泉城学院
机械原理课程设计
计算说明书
课题名称：
插床机构的设计
姓名：
张超
院别：
工学院
学号：
03
专业：
机械设计制造及其自动化班级：
机设1201班
指导教师：
魏原芳
2014年6月7日
工学院课程设计评审表
学生姓名
2012
张超专业机械设计制造及其自动化年级级学号
03
设计题目
插床机构设计
评价内容
评价指标
评分
权值
评定
成绩
业务水平
有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计机构运动方案（或正确建立数学模型并运用matlab进行仿真）；对所设计机构的特定位置进行运动分析和动态静力分析。
独立进行设计工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理设计数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
40
论文（设计
说明书、图
纸）质里
论述充分，结论严谨合理；设计方法正确，分析处理科学；文字通顺，
技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；图纸绘制符合国家标准；计算结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
40
工作量、工作态度
按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
20
合计
100
指导
教师
评语
设计目录
1机械原理课程设计任务书4
课程设计的目的和任务4
机构简介与设计数据4
设计内容6
设计步骤和要求6
2机构简介与设计数据设计7
插床简介…••…•:
.7
设计数据.：
••：
：
••：
：
…8…
3插床机构的设计及尺寸计算77777777777777779777
3、1曲柄导杆机构的设计及尺寸计算77777777777779777
3、2用图解法进行机构的运动分析77777777777777147777
3、3用图解法进行机构的动态静力分析777777777777178777
4凸轮机构设计7777777777777777777727177777
．心得与体会77777777777777777777727277777
．参考文献777723
机械原理课程设计任务书
学生姓名张超班级1201学号03位置10
设计题目一：
插床机构设计及分析
一、课程设计的目的和任务
1•课程设计的目的
机械原理课程设计是机械原理教学的一个重要组成部分。
机械原理课程设计的目的在于
进一步巩固和加深学生所学的机械原理理论知识，培养学生独立解决实际问题的能力，使学
生对机械的运动学和动力学的分析和设计有一较完整的概念，并进一步提高电算、绘图和使
用技术资料的能力，更为重要的是培养开发和创新机械的能力。
2•、课程设计的任务
用图解法对插床的连杆机构进行运动分析和动力分析，设计凸轮机构。
要求画出A1图
纸一张，写出计算说明书一份。
二、机构简介与设计数据
1•插床主要由齿轮机构、导杆机构和凸轮机构等组成，如图1所示。
电动机经过减速装
置（图中只画出齿轮Z!
、Z2）使曲柄1转动，再通过导杆机构1-2-3—4—5-6,使装有刀具的滑块沿导路作往复直线运动，以实现刀具切削运动。
为了缩短空行程时间，提高生产
效率，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02上的凸轮
驱动摆动从动件O4D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。
为了缩短空回形成时间，提高生产效率，要求刀具有急回运动。
在工作行程中，刀具上作用有相当大的切削阻力，在切削行程的前后各有一段（H为刀
具行程）行程，如图2所示。
而在空回行程中则没有切削阻力，因此在一个工作循环中，刀具受力变化很大，从而影响了主轴的匀速运转，为减小主轴的速度波动，需采用飞轮调速，以减小电动机容量和提高切削质量。
插床机构简图如图1所示，题目数据列于表1。
/6
图1插床机构简图
Fmax
Sc
H
图2插刀阻力曲线
2•设计数据见表1
图3插床机构中曲柄位置图
表1设计数据
设计内容
导杆机构的设计及运动分析
符号
山
K
Ibc/Io3A
LO2O3
a
b
c
H
Z1
单位
r/min
mm
数据
60
2
1
150
50
50
125
100
13
设计内容
导杆机构的动态静力分析
凸轮机构的设计
符号
G3
G5
Js3
d
Fr
书max
LQ2O4
IO4D
单位
N
kg/m2
mm
N
o
mm
数据
40
160
320
120
1000
15
147
125
设计内容
凸轮机构的设计
符号
ro
rT
50
501
5o
502
从动杆运
动规律
单位
mm
o
等加速等
数据
61
15
60
10
60
230
减速
在导杆机构中，有30个连续等分的1〜30个位置，其中工作上极限位置为1,在本方
案中行程速比系数为k=2,使等分位置21与工作行程的下极限位置重合。
刀具距上下极限
位置0.05H时曲柄所在位置为3'和18'。
总共32个位置，插床机构中曲柄位置分布如图3所
示。
三、设计内容
四、设计步骤和要求
1）设计步骤
1、设计导杆机构。
按已知条件确定导杆机构各未知数，其中滑块5的导路位置可根据
连杆4传力给滑块5最有利条件来确定，即导路应位于B点所画圆弧高的平分线上。
2、做机构运动简图。
选取长度比例尺尸O（m/s）/mm，先用虚线绘出机构极限位置1,
然后用粗线画出所分配位置的机构运动简图，并确定当前位置C点位移sc。
3、做运动分析。
选取速度比例尺p/=（m/s）/mm速度、加速度比例尺（jv=（m/s2）/mm，用相对运动图解法作分配位置的速度多边形和加速度多边形，确定当前位置C点速度Vc和加
速度ac及根据速度和加速度影像求各构件重心的速度vs和加速度as。
4、确定阻力。
根据切削阻力曲线，将所分析位置相应的切削阻力。
5、计算导杆的惯性力和惯性力偶矩以及滑块的惯性力，并将导杆的惯性力和惯性力偶矩合成为一个总惯性力，同时求出该力至重心的距离。
6、动态静力分析。
将机构拆分为若干基本杆组，以杆组为分离体，画出作用在其上的
所有外力，然后取力比例尺^=N/mm，用力多边形或力矩平衡方程求各运动副反力和曲柄
上的平衡力矩Mb。
7、凸轮机构设计
绘制从动杆的运动线图，画出凸轮实际轮廓曲线。
以上作图部分画在图纸上，同时整理说明书。
2）设计要求
1、绘图问题
A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。
2、绘图要求
作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应符合国家标准。
3、计算说明书要求
计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。
任务分配
位置
2
4
6
8
10
12
14
16
18
18‘
学号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
位置
20
22
学号
11
12
机构简介与设计数据
1、插床机构简介
插床是一种用于工件内表面切削加工的机床。
主要有齿轮机构、导杆
机构和凸轮机构等组成，如下图1-1a所示。
电动机经过减速器装置
a）
图1-1
H
S
5!
d
S
4
03
B
6
y
A
（图中只画出齿轮z1、z2）使曲柄1转动，再经过导杆机构，使装有刀具的滑块沿导路y-y作往复运动，以实现刀具的切削运动，刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴02上的凸轮驱动摆动从动件04D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。
为了缩短空行程时间，提高效率，要求刀具有急回运动。
图1-1b所示为阻力线图。
Fr
0.05H
0.05HSC
二
H
i
c
b）
图1-1
2、设计数据
设计数据见表1-1
表1-1设计数据
分组
1
2
3
4
插刀往复次数n（次/min）
30
60
90
120
插刀往复行程H（mm）
100
120
90
60
插削机构行程速比系数K
2
2
2
2
中心距Lo2o3（mm）
160
150
140
130
杆长之比L（BC）/L（o3B）
1
1
1
1
凸轮摆杆长度Lo4d（mm）
125
125
125
125
凸轮摆杆行程角书（°）
15
15
15
15
推程许用压力角[a]（°）
45
45
45
45
推程运动角S0（°）
60
90
60
90
回程运动角S0'（°）
90
60
90
60
远程休止角S01（°）
10
15
10
15
速度不均匀系数S
最大切削阻力Q（N）
2300
2200
2100
1000
阻力力臂d（mm）
150
140
130
120
滑块5重力G5（N）
320
340
330
320
构件3重力G3（N）
160
140
130
120
构件3转动惯量J3（kg*m2）
三、插床机构的设计及尺寸计算
1、曲柄导杆机构的设计及尺寸计算
根据以上信息确定曲柄OA
BC,BO2长度，以及。
2到YY轴的距离
图1-2机构运动结构简图
（1）、OiA长度的确定
图1-2a）曲柄O1A长度的确定
具体计算过程如下：
由K（1800）/（1800），得极位夹角：
60°,
首先做出曲柄的运动轨迹，以为圆心，0/为半径作圆，由图知，随着曲柄的转动，当O2A转到O2A时，与圆相切于上面，刀具处于下极限位置；当O?
A转到O2A2，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。
于是可得，O2A与O2A2得夹角即为极为夹角60°。
由几何关系知，AOQA2QO2，
于是可得，AO1O2A2O1O2600，
由几何关系可得：
OiAcos?
OiO2
代入数据，OiO2=150mm,600，得OiA75mm
即曲柄长度为75mm。
图1-2b）杆BC、BO2长度的确定
由图1-2b）得知，刀具处于上极限位置C2和下极限位置Ci时，C1C2长度即为最大行程
H=100mm，
即有
CiC2=100mm。
在确定曲柄长度过程中，可知，
A1O1O2A2O1O260°，
那么可得，
B1O2B260°，
故可知，
B1B2O2为等边三角形。
又由几何关系可知，
B1B2C2C1为平行四边形，
■-B2BC2G，
又由上知，
B1B2O2为等边三角形，
于是
B1O2B2B1，
那么可得，
B2O2100mm,
BO2100mm
已知，B1O2B2B1,
于是可知，
BCBO2100mm
即杆的长度为BCBO2100mm。
（3）、O2到YY轴的距离的确定
I给
图1-2c）O2到YY轴的距离的确定
由图1-2c）我们可以看出，YY轴由yy移动到讣3过程中，同一点的压力角先减小，后又增大，那么在中间某处必有一个最佳位置，使得每个位置的压力角最佳。
那么我们考虑以下两个位置：
1、当YY轴与圆弧B2B1刚相接触时，即图3中左边的那条点化线，与圆弧B2Bi相切与B1点时，当B点转到B2,Bi，将会出现最大压力角。
2、当YY轴与B2B1重合时，即图中右边的那条点划线时，B点转
到B1时将出现最大压力角。
为了使每一点的压力角都为最佳，我们可以选取YY轴通过CB1中点（C点为O2BI与B2B1得交点）。
又根据几何关系可知，
IO2B?
cosB2O2C（02B2O2B?
cosB2O2C）/2
由上易知，B2O2C30°，代入相关数据得，I93.3mm
即。
2到YY轴的距离为。
综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成。
选取1:
2的比
例尺，画出图形如附图A1纸上机构简图所示。
M利代和I|0廿久却"偏靛
2、用图解法进行机构的运动分析
已知w60r/m，逆时针旋转，由作图法求解位移，速度，加速度。
规定位移、速度、加速度，插刀处于上极限位置时位移为0。
（1）、速度分析
由已知从图中可知，VA2与O2A垂直，Va3A2与O2A平行，Va3与O2A垂直，由理论力学中不同构件重合点的方法可得，
vA3vA3A2vA2
大小:
?
?
W1|o2A
方向:
O3A//BAO2A
其中，VA2是滑块上与A点重合的点的速度，VA3A2是杆AOB上与A点重合的点相对于滑块的速度，Va3是杆AOB上与A点重合的速度。
又由图知，vb与°2B垂直，VcB与BC垂直，Vc与yy轴平行，有理论力学同一构件不同点的方法可得：
VCVbVCB
大小：
？
W3|O3B?
方向：
竖直向下O3BBC
其中，Vc是C点，即插刀速度，VBC是C点相对于B点转动速度，Vb为B点速度。
又B点是杆件3上的一点，，杆件3围绕。
2转动，且B点和杆件与A点重合的点在。
2的两侧，于是可得：
o2b
VB°A3va3
O^A111mm,
vA2wO1A275471mm/s,
规定选取比例尺-一=-g1/mm,
则可得矢量图如下：
图1-4a）速度多边形（阿二g1/mm）
则可到得，
由已知可得,
Vb
50
111
VA3
由图量得
最后量出代表Vc的矢量长度为43mm,
于是可得,vc=s即曲柄转过108°时，插刀的速度为s。
（2）、加速度分析
是科
由理论力学知识可得矢量方程:
大小
A3?
A2
k
A3A2
r
A3A2
？
方向
？
其中，
A2是滑块上与
A点
重合点的
加速度，
A2-
2
OiA4
4
752957.88mm/s2，方向由A4指向01；
k
A3A2
氏加速度，A3A223vA3A2335.96mm/s2（其中gz大小均从速度多边形中量得），q方向垂直°2A4向下；A3A2是A4相对于滑块的加速度，大小位置，方向与°2A4平行；A3A2是C点相对于B点转动的向心加速度，A3°2=vCb/BC458.8mm/s2，方向过由C
t
指向B；A3O2是C点相对于B点转动的切向加速度，大小位置，方
向垂直BG次矢量方程可解，从而得到A3。
B时杆AOB上的一点，构AOB围绕°2转动，又A4与b点在
°2的两侧，由tR,n2R（是角加速度）可得
°2b
Bo2a3A3
量出6A4则可得到b的大小和方向。
又由理论力学，结合图可得到，
nt
cBCBCB
大小？
？
方向
其中，aB在上一步中大小方向都能求得；
n
CB是C相对于B点转动的向心加速度aCBvBc/BC917.6mm/s2,方向由C点指向B点；
Cb是C相对于B点转动的切向加速度，大小未知，方向与BC垂
直。
矢量方程可解，从而可得到C点，即插刀的加速度。
取比例尺=m?
s2/mm，可得加速度矢量图如下：
图1-4（b）加速度多边形（UA=m?
s2/mm）
由图（1-4b）直尺量的a3长度为30mm，于是可得a3~m/s2。
即当曲柄转过108°时，插刀的加速度为m/s2。
3、用图解法进行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:
F=，Mi=。
惯性力作用在质心屁上。
2、动态静力分析
1）由杆组4的受力图和力的平衡条件可得：
G5
Fi5m5as5anC
g
其中？
为构件4与竖直方向的夹角。
解方程可以求得和,
R520N,R34141N取合适的力比例尺F=10N/mm，作出力多变
2）由杆组3的受力图和平衡条件可得:
MO30:
R43|1G3l2Fi3l3FaO2|40
其中，11为R43到O3点的垂直距离，12为G3到O3点的垂直距离,
O3点的垂直距离，14为FA02到O3点的垂直距离。
求得：
FA02=
l3为Fi3到
Mi3JS33
hi2怛解方程式可得。
Fi2
在对O3点取距:
取合适的力比例尺F=10N/mm,作出力多变形。
3）由曲柄1的受力图和平衡条件得：
M0:
MRO2Ah0
式中，h是力Rr对点A力臂的图示长度。
根据方程式可求得平衡力矩
M24.054N/m
四、凸轮机构的设计及尺寸计算
利用作图法按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线，具体设计步骤：
⑴绘制从动件的运动线图，由已知-1、二=60
歸「订巒、1=60：
、翥旷熄敗沪，可画出其运动规律，如下图所示:
图1-2d）从动件的运动线图
⑵画出凸轮实际轮廓曲线，根据图1-2d）运动规律，由已知数据,
心得体会
作为一名机械设计制造及其自动化大二的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。
时光飞逝，一转眼，课程设计也接近的尾声•说起课程设计，在这次实践的过程中学到了一些除技能以外的其他东西，领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质，更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化.
在社会这样一个大群体里面，沟通自然是为人处世的基本，如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会•在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大，有些人很有责任感,把这样一种事情当成是自己的重要任务,并为之付出了很大的努力不断的思考自己所遇到的问题.而有些人则不以为然，总觉得自己的弱势….其实在生活中这样的事情也是很多的,当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们过去的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题.
我认为最重要的就是做好设计的预习，认真的研究老师给的题目，其次，老师对题目的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。
在这两周来，也暴露了自己很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意把最基本的东西遗忘了，由于对实物不熟悉导致设计起来很费力。
第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。
我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。
我们这次课程设计所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。
第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。
在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。
为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。
我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。
艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。
由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。
课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。
参考文献
①《机械设计手册》
成大先
主编
化学工业出版
社
②《机械原理》（第七版）郑文纬
吴克坚
主编
高等教育出版社
③《机械原理课程设计》第二版
陆凤仪
主编
机械工业出版
4《机械原理课程设计手册》
邹慧君主编
黄靖远主编
高等教育出版
机械工业出版
社
5《机械设计学》
社
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