设 计 目 录 1. 设计任务书 1.1 设计题目 1.2 插床简介 1.3 设计要求及设计参数 1.4 设计任务 2. 插床工作原理及功能分解 2.1 插床工作原理 2.2 工作分解 3. 机构的选择 3.1 机构的选择参考 3.2 主执行机构的选择 4. 原动机的选择 5. 拟定传动系统方案 6. 绘制工作循环图 7. 凸轮机构的设计 8.1 插床导杆机构的综合 8.2 运动分析 9. 插床导杆机构的动态静力分析 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
设 计 任 务 书 1.1设计题目 插床机构设计 1.2 插床简介 定义：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。 介绍：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。 工作原理：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
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
3.2主执行机构的选择 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1。因为方案1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1。 4.原动机的选择 根据上述的设计参数数据以及插床自身工作特点，选择合适的原动机使得在通过它来传递动力或改变运动形式、参数。原动机的机械特性以及各项性能与机械执行系统的负载特征和工作要求的匹配，在很大程度上决定了整个机械系统的工作性能和机构特征。 根据本机构设计的特点，参考机构运动简图以及传动特征，参照原动机选择的要求，根据题目所给插床的数据分析，驱动电动机暂时采用： Y180L-6,额定功率N=22KW，额定转速n=970r/min，设计参数如表3所示。
5.拟定传动系统方案 根据上述电动机选择Y180L-6,额定转速960r/min 由题意得，假设插床每分钟的往复次数为15—75次，6档，即转速级数Z=6 由于本传动系统的最大传动比 所以带传动的速比为8，齿轮传动的速比为也为8。 公比 则插床插刀各档的速度为：75、54、39、29、21、15。 由假设得：电动机的转速采用970转/分。 根据机构的选择，按已选定的两个执行机构形式和机械的传动系统画出机械运动方案简图。一个导杆插削机构和皮带传动机构，工作台的不完全齿轮间歇旋转机构。 1）确定变速组数目和变速组排列方式 由于转速级数Z=6，故取两个变速组，根据各变速组，根据各变速组中传动副数目应遵循前多后少的原则，选择: 即前面用一个三联齿轮，后面用一个双联齿轮。 2）确定基本组和扩大组 根据前紧后松的原则，选择6=31·23方案，即第一变速组为基本组，其三档传动比在转速图上相差一格；第二变速组为扩大组，两档传动比在转速图上相差三格。 3）确定是否增加定传动比降速级 由于本传动系统的最大传动比 为减小二级变速组的传动比，考虑到主执行机构中的主动件必须与大齿轮固联，且驱动它的小齿轮不能做成滑动齿轮，故这一对齿轮的传动比固定。通过类比，选定为4。设增加一级V带传动，传动比选定为4.2，则二级变速组的最大传动比为： 4)分配速比 由上述计算知，变速组的最大传动比为3.81≈1.44，设取第一变速组、第二变速组的最大传动比均为1.4×1.4=1.96，则第一变速组的三个传动比分别为：1.96、1.4和1；第二变速组的二个传动比为1.96和0.714。 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。因为插床机械的生产效率是Q=30次/min，为了满足效率，曲柄轴每分钟转速为n=30r/min，其运动时间。 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=1.7。 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。插床的运动循环时间为： 与此相对应的曲柄轴转角（即分配轴转角）为： （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。以上内容作在3号图纸上（参考图例5）。 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 46.7°，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41.6°。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°。 将以上的数据全部带入摆动从动件凸轮机构设计软件，计算得结果： 摆动从动件盘形凸轮机构设计基本参数见下表4：
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。以为基线顺时针每转5°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5°一个单位，做出1~16各个轨迹点与O1的旋转运动曲线。根据计算结果中的转角Φ°和 角位移ψ°两项在A3图纸右边做出从动件位移线图。连接个点做出光滑曲线。 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47°。由于插刀在切入、退出工件时均有0.05H的空载行程。所以做出4条虚线分别为41.6° 和46.6°的夹角。 至此为止，凸轮机构运动分析图基本完成了。如图5、图6、图7所示。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图5 从动件运动规律线图 图6 凸轮轮廓曲线与刀具中心轨迹 图7 凸轮理论廓线与滚子包络线 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
设 计 计 算 与 说 明 | 主 要 结 果 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
8．插床导杆机构的综合及运动分析 曲柄转速 曲柄长度 插刀行程 行程速度比系数 连杆与导杆之比 力臂 工作阻力 导杆3的质量 导杆3的转动惯量 滑块5的质量 8.1 插床导杆机构的综合 1、计算极位夹角 ，曲柄角速度，曲柄角加速度 2、求导杆长度，连杆长度，中心距 根据插床机构结构示意图，由几何条件可得 因为， 3、求弓形高，导路距离 8.2 运动分析 对主执行机构用解析法进行运动分析，由分析结果绘制插刀运动线图，见一号图右上侧。其中最大压力角。用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证。 1）选取合适的比例长度，按照指定的位置作出机构运动简图，见附件二（1号图）。 2）确定构件质心：， 易得滑块上转动副与构件5的质心重合，即与重合。作出机构运动简图后，取与的最大值之和的一半，作为构件3的质心，从图上测得。 3）按照下面的顺序进行速度分析 （1）求导杆3上与滑块中心重合的点的速度和滑块速度 根据点的运动合成，有 方向： ∥ 大小： ？ 已知 ？ 式中， 取合适的速度比例尺，作出速度多边形（见1号图），在速度图上标注出，其中 根据刚体运动合成，有 方向：沿导轨 与相反 ∥ 大小： ？ 已知 ？ 式中， 速度多边形 完成速度多边形后，测量，可以得到导杆3的角速度大小1.38124rad/s，进而可以求出以下各个值： （2）求导杆3上B点的加速度和滑块的加速度 由点的运动合成，有 方向： 向下 ∥ 大小： 已知 ？ 已知 已知 ？ 取合适的加速度比例尺，作出加速度多边形（见1号图左下角），在加速度图上标注出，其中 ， 另外可得 由刚体运动合成，有 方向：竖直向下 与相反 大小： ？ 已知 已知 ？ 完成加速度多边形后，测量，并求出以下值： 加速度多边形 9. 插床导杆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： 惯性力作用在质心 上。 v槽机滑块5的惯性力为： ，惯性力作用在质心 上。 2、动态静力分析 1）以杆组4-5为示力体，根据平衡条件可得： 其中为构件4与竖直方向的夹角。解方程可以求得和，。取合适的力比例尺，作出力多变形。 2）以杆组2-3为示力体，根据平衡条件可得： 其中，和分别是力，，与导杆3的夹角。解方程式可得，，。 3）以曲柄1为示力体，由平衡条件得： 式中，是力对点力臂的图示长度。根据方程式可求得平衡力矩 力多边形 | 1.38124rad/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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