插床機械原理

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1、 設(shè)計目錄 1. 設(shè)計任務(wù)書 ……………………………………………………………………………..3 1.1 設(shè)計題目 ………………………………………………………..…………….….3 1.2 插床簡介 …………………………………………………………………………3 1.3 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù) ……………………………………………………………4 1.4 設(shè)計任務(wù) …………………………………………………………………………4 2. 插床工作原理及功能分解 ……………………………………………………………5 2.1 插床工作原理 ……………………………………………………………

2、………5 2.2 工作分解 …………………………………………………………………………6 3. 機構(gòu)的選擇 ……………………………………………………………………………6 3.1 機構(gòu)的選擇參考 …………………………………………………………………6 3.2 主執(zhí)行機構(gòu)的選擇 ………………………………………………………………7 4. 原動機的選擇 …………………………………………………………………………7 5. 擬定傳動系統(tǒng)方案 ……………………………………………………………………7 6. 繪制工作循環(huán)圖 ………………………………………………………………………8

3、 7. 凸輪機構(gòu)的設(shè)計 ………………………………………………………………………9 8. 插床導(dǎo)桿機構(gòu)的綜合及運動分析………………………………………………………13 8.1 插床導(dǎo)桿機構(gòu)的綜合 ……………………………………………………………..13 8.2 運動分析 …………………………………………………………………………..15 9. 插床導(dǎo)桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析 ………………………………………………………18 10. 插床創(chuàng)新設(shè)計方案 …………………………………………………………………..22 11．心得與體會及參考文獻 ……………………………………………………………

4、.26 設(shè) 計 任 務(wù) 書 1.1 設(shè)計題目 插床機構(gòu)設(shè)計 1.2 插床簡介 金屬切削機床，用來加工鍵槽。加工時工作臺上的工件做縱向、橫向或旋轉(zhuǎn)運動，插刀做上下往復(fù)運動，切削工件。 　 利用插刀的豎直往復(fù)運動插削鍵槽和型孔的直線運動機床。插床與刨床一樣，也是使用單刃刀具（插刀）來切削工件，但刨床是臥式布局，插床是立式布局。插床的生產(chǎn)率和精度都較低，多用于單件或小批量生產(chǎn)中加工內(nèi)孔鍵槽或花鍵孔，也可以加工平面、方孔或多邊形孔等，在批量生產(chǎn)中常被銑床或拉床代替。普通插床的滑枕帶著刀架沿立柱的導(dǎo)軌作上下往復(fù)運動，裝有工件的工作臺可利用上下

5、滑座作縱向、橫向和回轉(zhuǎn)進給運動。鍵槽插床的工作臺與床身聯(lián)成一體，從床身穿過工件孔向上伸出的刀桿帶著插刀邊做上下往復(fù)運動，邊做斷續(xù)的進給運動，工件安裝不像普通插床那樣受到立柱的限制，故多用于加工大型零件（如螺旋槳等）孔中的鍵槽。 插床實際是一種立式刨床，在結(jié)構(gòu)原理上與牛頭刨床同屬一類。插刀隨滑枕在垂直方向上的直線往復(fù)運動是主運動，工件沿縱向橫向及圓周三個方向分別所作的間歇運動是進給運動。插床的主參數(shù)是最大插削長度。插床是用于加工中小尺寸垂直方向的平面或直槽的金屬切削機床，多用于單件或小批量生產(chǎn)。 圖1 插床示意圖 1.3

6、 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù) 要求主執(zhí)行機構(gòu)工作行程切削平穩(wěn)、壓力角較小。進給機構(gòu)壓力角不超過許用值。設(shè)計參數(shù)如表1所示。 插床機構(gòu)設(shè)計7號題目參數(shù) 題 號 3 主執(zhí)行機構(gòu) 曲柄轉(zhuǎn)速n2 46 曲柄Lo2A（mm） 60 插刀行程H（mm） 110 行程速比系數(shù)K 1.6 連桿與導(dǎo)桿之比LBC/LBO4 0.40 力臂d(mm) 100 工作阻力F(N) 1350 導(dǎo)桿質(zhì)量m4(kg) 22 導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動慣量JS4(kgm2) 1.2 滑塊質(zhì)量m6(kg) 44 進給機構(gòu) 從動件最大擺角y 20 凸輪從動件桿長(mm) 130 推程許用壓力角[

7、a]推程 42 回程許用壓力角[a]回程 42 滾子半徑rr(mm) 5 刀具半徑rc(mm) — 插刀阻力曲線如圖4所示。插刀在切入、退出工件時均有0.05H的空載行程。 0.05H 0.05H H S Fmax F 圖2　插刀阻力曲線 1.4 設(shè)計任務(wù) 1）完成各執(zhí)行機構(gòu)的選型與設(shè)計計算，選擇原動機，擬定機械傳動方案，確定 各級傳動比，畫出機構(gòu)運動簡圖及機械系統(tǒng)傳動方案設(shè)計圖； 2）按工藝要求進行執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計，畫出執(zhí)行機構(gòu)的工作循環(huán)圖； 3）對主執(zhí)行機構(gòu)用解析法進行運動分析，用相對運動圖解法對其中的一個位置加以驗

8、證，并根據(jù)計算機計算結(jié)果畫出插刀位移線圖，速度線圖和加速度線圖； 4）用圖解法對主執(zhí)行機構(gòu)的一個位置進行動態(tài)靜力分析； 5）用解析法對控制工作臺橫向進給的凸輪機構(gòu)進行運動分析； 6）用圖解法繪制控制工作臺橫向進給的凸輪機構(gòu)的位移曲線及凸輪輪廓曲線； 7）根據(jù)機電液一體化策略和現(xiàn)代控制（包括計算機控制）理論，大膽提出一種或一種以上與該機現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)計不同的創(chuàng)新設(shè)計方案。 2 插床工作原理及功能分解 2.1 插床工作原理 插床是一種用于加工鍵槽、花鍵槽、異形槽和各種異性表面的金屬切削機床。如圖所示，裝有插刀的滑枕沿鉛垂方向(也可調(diào)有一定傾角)作往復(fù)直線主切削運動。工件裝夾在工

9、作臺上，工作臺可作前后、左右和圓周方向的間歇進給運動。進給運動可手動，也可機動但彼此獨立。進給運動必須與主切削運動協(xié)調(diào)，即插刀插削時嚴禁進給，插刀返回時進給運動開始進行，并于插刀重新切人工件之前完成復(fù)位。插床的主圖3 運動示意圖 切削運動的行程長度、拄復(fù)運動速度以及進給量大小等均應(yīng)手動可調(diào)。 圖3 運動示意圖 2.2 功能分解 1）夾緊工件動作； 2）工作臺進行前后、左右和圓周方向的間歇進給運動； 3）裝有插刀的滑枕沿鉛垂方向(也可調(diào)有一定傾角)作具有急回特性的往復(fù)直線主切削運動，插削工件形成各種槽等自己需要的形狀。

10、 3 機構(gòu)的選擇 3.1 機構(gòu)的選擇參考 根據(jù)上訴的設(shè)計要求和工作臺需要直線往復(fù)間歇性運動和間歇性轉(zhuǎn)動，還有插刀執(zhí)行機構(gòu)在回程階段應(yīng)該盡可能的減少時間提高效率，因而采用具有急回特性的曲柄滑塊機構(gòu)。設(shè)計內(nèi)容如表2所示。 插床機械設(shè)計的機構(gòu)選型 功能 執(zhí)行構(gòu)件 工藝動作 執(zhí)行機構(gòu) 插削成形 插刀 直線往復(fù)運動（具有急回特性） 導(dǎo)桿機構(gòu) 工作換位 工作臺 前后，左右方向的進給運動和間歇性轉(zhuǎn)動 凸輪機構(gòu) 棘輪機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 不完全齒輪 3.2主執(zhí)行機構(gòu)的選擇 方案一 方案2 方案3 方案4 方案6 方案5

11、圖4　主執(zhí)行機構(gòu)參考方案 根據(jù)題目要求及所提供的參數(shù)分析，綜合插床機構(gòu)自身特點，以及機構(gòu)方案選 擇的相關(guān)要求，我們最終選擇的主執(zhí)行機構(gòu)是方案3。因為方案3機構(gòu)運動規(guī)律較為簡易，受力簡單，運動易于控制分析。同時機構(gòu)的壓力角較小，有利于提高機構(gòu)受力情況，并且經(jīng)過分析計算得到該機構(gòu)的傳動效率較其它方案高。故最終選擇方案4. 6．繪制系統(tǒng)工作循環(huán)圖 1）首先確定執(zhí)行機構(gòu)的運功循環(huán)時間T，在此選取曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)作為插床的執(zhí)行機構(gòu)。曲柄旋轉(zhuǎn)一周插頭就往復(fù)運動一次即一個運動循環(huán)。為了滿足效率，曲柄軸每分鐘轉(zhuǎn)速為n=46r/min，其運動時間T=60/46=1.3。 2）確定組成運動循環(huán)的各個區(qū)

12、段，插床機械的運動循環(huán)由兩段組成，即插刀進給的工作行程及退回時的空回行程。為了提高工作效率，插刀回程時間應(yīng)盡可能的短，所以它必須有急回特性。取行程系速比系數(shù)K=1.6。 3）確定執(zhí)行機構(gòu)各個區(qū)段的運動時間及相應(yīng)的分配軸轉(zhuǎn)角。插床的運動循環(huán)時，與此相對應(yīng)的曲柄軸轉(zhuǎn)角（即分配軸轉(zhuǎn)角）為： ψ工作+ψ回程+ψ推程=221.54+124.62+13.84=360 （4）根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制機構(gòu)的運動循環(huán)圖 7. 凸輪機構(gòu)的設(shè)計 凸輪機構(gòu)設(shè)計要求：按許用壓力角確定凸輪機構(gòu)的基本尺寸，求出理論廓線外凸曲線的最小曲率半徑，選取滾子半徑，繪制凸輪實際廓線。以上內(nèi)容已用CAD作在3號圖紙上。 根

13、據(jù)已知值，以及給定的基圓建議值，在A3圖紙上確定圓心位置。做出基圓，再根據(jù)滾子半徑做出理論曲線。取一點為B點，由=95mm，從動件桿長=120mm，通過幾何做法找到點。連接，測得長度為157mm為圓心距。由主執(zhí)行機構(gòu)的最大運動擺角確定得到凸輪機構(gòu)的運動推程角為42，但是由于由于插刀在切入、退出工件時均有0.05H的空載行程，所以實際凸輪推程角應(yīng)為除去空載行程后的擺角，為41.54。在此之后為了方便設(shè)計與分析，將回程角設(shè)為與推程角相等的度數(shù)，遠停角大小為0。 擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)見下表4： 進給機構(gòu) 從動件最大擺角y 10 凸輪從動件桿長(mm) 130 推程

14、許用壓力角[a]推程 42 回程許用壓力角[a]回程 42 滾子半徑rr(mm) 5 刀具半徑rc(mm) — 表4 根據(jù)計算結(jié)果得到數(shù)值，求得各個坐標點距圓心的距離。以O(shè)2O9基線順時針每轉(zhuǎn)4確定一個坐標點。分別以這些點為圓心做出滾子的圓，用光滑的曲線連接各個點，得到實際凸輪輪廓線，再連接滾子圓的外切點，得到理論輪廓線。 接著，根據(jù)軟件中的要求，即每4一個單位，做出各個軌跡點與O1的旋轉(zhuǎn)運動曲線。 最后要做出插刀工作行程圖，由給定數(shù)據(jù)的K值算出極位夾角大小為41.54。 至此為止，凸輪機構(gòu)運動分析圖基本完成了。如圖5 圖5 凸輪理論廓線與滾子包絡(luò)線

15、 8．插床導(dǎo)桿機構(gòu)的綜合及運動分析 曲柄轉(zhuǎn)速n2=46rad/s 曲柄長度LO2A=60mm 插刀行程H=110mm 行程速度比系數(shù)K=1.6 連桿與導(dǎo)桿之比連桿與導(dǎo)桿之比LBC/LBO4=0.4 力臂d(mm)=100 工作阻力F(N)=1350 導(dǎo)桿質(zhì)量m4(kg)=22 導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動慣量JS4(kgm2)=1.2 滑塊質(zhì)量m6(kg)=44 8.1 插床導(dǎo)桿機構(gòu)的綜合 1、計算極位夾角 ，曲柄角速度w2，曲柄角加速度 θ=180（K-1）/（K+1）=41.54 w2= LBO42πn2/=4.815rad/s 2、求導(dǎo)桿長度LBO4，連桿長度LBC，

16、中心距LO2O4 根據(jù)插床機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，由幾何條件可得 LBO4=H/（2sin 20.77）=155.10mm 因為LBC/LBO4=0.40，LBC= 0.40 LBO4=62.04mm LO2O4=LO2A/（2sin 20.77）=169.20mm 3、求弓形高h，導(dǎo)路距離Y 因為LDO4=（H/2）/tan 20.77=145.02 h=（LBO4- LDO4）/2=5.08mm Y= LO2O4+ LDO4+h=319.3mm 8.2 運動分析 對主執(zhí)行機構(gòu)用解析法進行運動分析： 1） 選取合適的比例長度μL=3.1mm/1mm，按照指定的位置作出機構(gòu)

17、運動簡圖，如下： 2）確定導(dǎo)桿質(zhì)心S4 以O(shè)4為圓心，BO4為半徑畫圓在導(dǎo)桿O4A方向上交點即為該導(dǎo)桿質(zhì)心S4 LO4S4=155.10mm 3） 按照下面的順序進行速度分析 VA= w2LO2A=0.289m/s 取μv=6.72mm/s/1mm為比例尺作速度多邊形如下圖： 求導(dǎo)桿上與滑塊中心A重合的點大的速度VA4和A點相對倒桿4的速度VA4A3 根據(jù)點的運動合成，有VA4= VA3+ VA4A3 方向：⊥O4A ⊥O2A ∥O4A 大?。? ？ w2Lpa3μv ？ 根據(jù)速度多邊形可得VA4= Lpa4μ

18、v=0.269m/s，VA4A3= La3a4μv=0.106m/s w3=w4=VA4/LO4A=1.166rad/s 同理：VC= VB+ VCB 方向：∥y ⊥O4B ⊥cB 大?。?？ √ ？ 根據(jù)速度多邊形可得VC=Lpcμv=0.182m/s，VCB=Lbcμv=0.028m/s W5=VCB/LBC =0.45rad/s 4） 下面進行加速度分析 求導(dǎo)桿上滑塊與倒桿重影點的加速度 和滑塊相對倒桿的加速度aA4A3 = WLO4A=1.1661.1660.223=0.303m/s = WLO2A=4.8154.8150.06=1.391m/s =

19、2w3VA3A2=21.1660.106=0.247m/s 取μa=0.303m/s/10mm為比例尺作加速度多邊形如下圖 由點的運動合成，有 大小 WLO4A ？ WLO2A 0 2w3VA3A2 ？ 方向 A→O4 ⊥O4A A→O2 0 √ ∥O4A 根據(jù)加速度多邊形可得a4=μaLp′a4=0.409m/s =μa La4′n′=0.248m/s 角加速度α4=/ LO4A =0.248/0.223=1.103rad/s（逆） =μa La4′k′=0.939m/s aC= aB+ aCB aC= aB+a+a 方向： ∥y √ C→B ⊥cB 大?。? ？ √ WLCB ？ aB= WLO4B=1.1661.1660.155=0.211m/s a= WLCBμa=0.125m/s a=μa Lc′n″=0.1545m/s aC=μa Lc′p′=0.171m/s 9. 插床導(dǎo)桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析 1）、計算慣性力和慣性力矩 導(dǎo)桿的慣性力和慣性力矩為：