插床機(jī)械原理

設(shè)計目錄1. 設(shè)計任務(wù)書 .31.1 設(shè)計題目 .31.2 插床簡介 31.3 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù) 41.4 設(shè)計任務(wù) 42. 插床工作原理及功能分解 52.1 插床工作原理 5 2.2 工作分解 63. 機(jī)構(gòu)的選擇 63.1 機(jī)構(gòu)的選擇參考 63.2 主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 74. 原動機(jī)的選擇 75. 擬定傳動系統(tǒng)方案 76. 繪制工作循環(huán)圖 87. 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計 98. 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合及運動分析138.1 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合 .13 8.2 運動分析 .159. 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析 1810. 插床創(chuàng)新設(shè)計方案 .2211心得與體會及參考文獻(xiàn) .26設(shè) 計 任 務(wù) 書1.1 設(shè)計題目插床機(jī)構(gòu)設(shè)計1.2 插床簡介金屬切削機(jī)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(jī)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滑座作縱向、橫向和回轉(zhuǎn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)床，多用于單件或小批量生產(chǎn)。 圖1 插床示意圖1.3 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)要求主執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作行程切削平穩(wěn)、壓力角較小。進(jìn)給機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計7號題目參數(shù)題 號3主執(zhí)行機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)速n246曲柄Lo2A（mm）60插刀行程H（mm）110行程速比系數(shù)K1.6連桿與導(dǎo)桿之比LBC/LBO40.40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(jìn)給機(jī)構(gòu)從動件最大擺角y20凸輪從動件桿長(mm)130推程許用壓力角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)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。0.05H0.05HHSFmaxF圖2插刀阻力曲線1.4 設(shè)計任務(wù)1）完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計計算，選擇原動機(jī)，擬定機(jī)械傳動方案，確定各級傳動比，畫出機(jī)構(gòu)運動簡圖及機(jī)械系統(tǒng)傳動方案設(shè)計圖；2）按工藝要求進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計，畫出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖；3）對主執(zhí)行機(jī)構(gòu)用解析法進(jìn)行運動分析，用相對運動圖解法對其中的一個位置加以驗證，并根據(jù)計算機(jī)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(jī)構(gòu)的一個位置進(jìn)行動態(tài)靜力分析；5）用解析法對控制工作臺橫向進(jìn)給的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析；6）用圖解法繪制控制工作臺橫向進(jìn)給的凸輪機(jī)構(gòu)的位移曲線及凸輪輪廓曲線；7）根據(jù)機(jī)電液一體化策略和現(xiàn)代控制（包括計算機(jī)控制）理論，大膽提出一種或一種以上與該機(jī)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(jī)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。工件裝夾在工作臺上，工作臺可作前后、左右和圓周方向的間歇進(jìn)給運動。進(jìn)給運動可手動，也可機(jī)動但彼此獨立。進(jìn)給運動必須與主切削運動協(xié)調(diào)，即插刀插削時嚴(yán)禁進(jìn)給，插刀返回時進(jìn)給運動開始進(jìn)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(jìn)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(jìn)行前后、左右和圓周方向的間歇進(jìn)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。3 機(jī)構(gòu)的選擇3.1 機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)。設(shè)計內(nèi)容如表2所示。插床機(jī)械設(shè)計的機(jī)構(gòu)選型功能執(zhí)行構(gòu)件工藝動作執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)工作換位工作臺前后，左右方向的進(jìn)給運動和間歇性轉(zhuǎn)動凸輪機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)不完全齒輪3.2主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇方案一方案2方案3方案4方案6方案5圖4主執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)自身特點，以及機(jī)構(gòu)方案選擇的相關(guān)要求，我們最終選擇的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)是方案3。因為方案3機(jī)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(jī)構(gòu)的壓力角較小，有利于提高機(jī)構(gòu)受力情況，并且經(jīng)過分析計算得到該機(jī)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(jī)構(gòu)的運功循環(huán)時間T，在此選取曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為插床的執(zhí)行機(jī)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)段，插床機(jī)械的運動循環(huán)由兩段組成，即插刀進(jìn)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(jī)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：工作+回程+推程=221.54+124.62+13.84=360（4）根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制機(jī)構(gòu)的運動循環(huán)圖7. 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計要求：按許用壓力角確定凸輪機(jī)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(jī)構(gòu)的最大運動擺角確定得到凸輪機(jī)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(yuǎn)停角大小為0。擺動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)見下表4：進(jìn)給機(jī)構(gòu)從動件最大擺角y10凸輪從動件桿長(mm)130推程許用壓力角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(biāo)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(biāo)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(jī)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8插床導(dǎo)桿機(jī)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)=448.1 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合1、計算極位夾角 ，曲柄角速度w2，曲柄角加速度=180（K-1）/（K+1）=41.54w2= LBO42n2/=4.815rad/s2、求導(dǎo)桿長度LBO4，連桿長度LBC，中心距LO2O4根據(jù)插床機(jī)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=62.04mmLO2O4=LO2A/（2sin 20.77）=169.20mm3、求弓形高h(yuǎn)，導(dǎo)路距離Y因為LDO4=（H/2）/tan 20.77=145.02h=（LBO4- LDO4）/2=5.08mmY= LO2O4+ LDO4+h=319.3mm8.2 運動分析對主執(zhí)行機(jī)構(gòu)用解析法進(jìn)行運動分析：1） 選取合適的比例長度L=3.1mm/1mm，按照指定的位置作出機(jī)構(gòu)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S4LO4S4=155.10mm3） 按照下面的順序進(jìn)行速度分析VA= w2LO2A=0.289m/s取v=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?。?？ w2Lpa3v ？根據(jù)速度多邊形可得VA4= Lpa4v=0.269m/s，VA4A3= La3a4v=0.106m/sw3=w4=VA4/LO4A=1.166rad/s同理：VC= VB+ VCB方向：y O4B cB大小：？ ？根據(jù)速度多邊形可得VC=Lpcv=0.182m/s，VCB=Lbcv=0.028m/sW5=VCB/LBC =0.45rad/s4） 下面進(jìn)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=2w3VA3A2=21.1660.106=0.247m/s取a=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 AO4 O4A AO2 0 O4A根據(jù)加速度多邊形可得a4=aLpa4=0.409m/s=a La4n=0.248m/s角加速度4=/ LO4A =0.248/0.223=1.103rad/s（逆）=a La4k=0.939m/s aC= aB+ aCBaC= aB+a+a方向： y CB cB大?。?？ WLCB ？aB= WLO4B=1.1661.1660.155=0.211m/sa= WLCBa=0.125m/sa=a Lcn=0.1545m/saC=a Lcp=0.171m/s9. 插床導(dǎo)桿機(jī)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：