插床機(jī)械原理

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1、 設(shè)計(jì)目錄 1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書 ……………………………………………………………………………..3 1.1 設(shè)計(jì)題目 ………………………………………………………..…………….….3 1.2 插床簡介 …………………………………………………………………………3 1.3 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù) ……………………………………………………………4 1.4 設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的選擇 ……………………………………………………………………………6 3.1 機(jī)構(gòu)的選擇參考 …………………………………………………………………6 3.2 主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 ………………………………………………………………7 4. 原動(dòng)機(jī)的選擇 …………………………………………………………………………7 5. 擬定傳動(dòng)系統(tǒng)方案 ……………………………………………………………………7 6. 繪制工作循環(huán)圖 ………………………………………………………………………8

3、 7. 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………9 8. 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合及運(yùn)動(dòng)分析………………………………………………………13 8.1 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合 ……………………………………………………………..13 8.2 運(yùn)動(dòng)分析 …………………………………………………………………………..15 9. 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析 ………………………………………………………18 10. 插床創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案 …………………………………………………………………..22 11．心得與體會(huì)及參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………

4、.26 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 1.1 設(shè)計(jì)題目 插床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.2 插床簡介 金屬切削機(jī)床，用來加工鍵槽。加工時(shí)工作臺(tái)上的工件做縱向、橫向或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，插刀做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切削工件。 　 利用插刀的豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)插削鍵槽和型孔的直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，裝有工件的工作臺(tái)可利用上下

5、滑座作縱向、橫向和回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鍵槽插床的工作臺(tái)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(yùn)動(dòng)，邊做斷續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，工件沿縱向橫向及圓周三個(gè)方向分別所作的間歇運(yùn)動(dòng)是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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

6、 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)如表1所示。 插床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)7號(hào)題目參數(shù) 題 號(hào) 3 主執(zhí)行機(jī)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(dòng)慣量JS4(kgm2) 1.2 滑塊質(zhì)量m6(kg) 44 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 從動(dòng)件最大擺角y 20 凸輪從動(dòng)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(shí)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(jì)任務(wù) 1）完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇原動(dòng)機(jī)，擬定機(jī)械傳動(dòng)方案，確定 各級(jí)傳動(dòng)比，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖及機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)圖； 2）按工藝要求進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，畫出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖； 3）對(duì)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)用解析法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法對(duì)其中的一個(gè)位置加以驗(yàn)

8、證，并根據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)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(duì)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個(gè)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析； 5）用解析法對(duì)控制工作臺(tái)橫向進(jìn)給的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析； 6）用圖解法繪制控制工作臺(tái)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(jì)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(jì)不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)。工件裝夾在工

9、作臺(tái)上，工作臺(tái)可作前后、左右和圓周方向的間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可手動(dòng)，也可機(jī)動(dòng)但彼此獨(dú)立。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)必須與主切削運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，即插刀插削時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)給，插刀返回時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)示意圖 切削運(yùn)動(dòng)的行程長度、拄復(fù)運(yùn)動(dòng)速度以及進(jìn)給量大小等均應(yīng)手動(dòng)可調(diào)。 圖3 運(yùn)動(dòng)示意圖 2.2 功能分解 1）夾緊工件動(dòng)作； 2）工作臺(tái)進(jìn)行前后、左右和圓周方向的間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； 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(yùn)動(dòng)，插削工件形成各種槽等自己需要的形狀。

10、 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(jì)要求和工作臺(tái)需要直線往復(fù)間歇性運(yùn)動(dòng)和間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)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(jì)內(nèi)容如表2所示。 插床機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)選型 功能 執(zhí)行構(gòu)件 工藝動(dòng)作 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 插削成形 插刀 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（具有急回特性） 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 工作換位 工作臺(tái) 前后，左右方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和間歇性轉(zhuǎn)動(dòng) 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

11、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(diǎn)，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?yàn)榉桨?機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律較為簡易，受力簡單，運(yùn)動(dòng)易于控制分析。同時(shí)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(jì)算得到該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(yùn)功循環(huán)時(shí)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(yùn)動(dòng)一次即一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。為了滿足效率，曲柄軸每分鐘轉(zhuǎn)速為n=46r/min，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間T=60/46=1.3。 2）確定組成運(yùn)動(dòng)循環(huán)的各個(gè)區(qū)

12、段，插床機(jī)械的運(yùn)動(dòng)循環(huán)由兩段組成，即插刀進(jìn)給的工作行程及退回時(shí)的空回行程。為了提高工作效率，插刀回程時(shí)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(gè)區(qū)段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間及相應(yīng)的分配軸轉(zhuǎn)角。插床的運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)，與此相對(duì)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 7. 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)際廓線。以上內(nèi)容已用CAD作在3號(hào)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(diǎn)為B點(diǎn)，由=95mm，從動(dòng)件桿長=120mm，通過幾何做法找到點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)擺角確定得到凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)推程角為42，但是由于由于插刀在切入、退出工件時(shí)均有0.05H的空載行程，所以實(shí)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(jì)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(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見下表4： 進(jìn)給機(jī)構(gòu) 從動(dòng)件最大擺角y 10 凸輪從動(dòng)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(jì)算結(jié)果得到數(shù)值，求得各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)距圓心的距離。以O(shè)2O9基線順時(shí)針每轉(zhuǎn)4確定一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。分別以這些點(diǎn)為圓心做出滾子的圓，用光滑的曲線連接各個(gè)點(diǎn)，得到實(shí)際凸輪輪廓線，再連接滾子圓的外切點(diǎn)，得到理論輪廓線。 接著，根據(jù)軟件中的要求，即每4一個(gè)單位，做出各個(gè)軌跡點(diǎn)與O1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的綜合及運(yùn)動(dòng)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(dòng)慣量JS4(kgm2)=1.2 滑塊質(zhì)量m6(kg)=44 8.1 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的綜合 1、計(jì)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(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?yàn)長BC/LBO4=0.40，LBC= 0.40 LBO4=62.04mm LO2O4=LO2A/（2sin 20.77）=169.20mm 3、求弓形高h(yuǎn)，導(dǎo)路距離Y 因?yàn)長DO4=（H/2）/tan 20.77=145.02 h=（LBO4- LDO4）/2=5.08mm Y= LO2O4+ LDO4+h=319.3mm 8.2 運(yùn)動(dòng)分析 對(duì)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)用解析法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)

17、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)即為該導(dǎo)桿質(zhì)心S4 LO4S4=155.10mm 3） 按照下面的順序進(jìn)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(diǎn)大的速度VA4和A點(diǎn)相對(duì)倒桿4的速度VA4A3 根據(jù)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行加速度分析 求導(dǎo)桿上滑塊與倒桿重影點(diǎn)的加速度 和滑塊相對(duì)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析 1）、計(jì)算慣性力和慣性力矩 導(dǎo)桿的慣性力和慣性力矩為：