插床机构综合设计说明书

机械原理课程设计

插床机构综合

学生姓名： 卢佛俊

专业班级： 08机电二班

学号： 20087668

目录

一、设计题目简介

二、设计数据与要求

三、设计任务

四、插床主体机构尺寸综合设计

五、插床切削主体结构运动分析

六、重要数据及函数曲线分析

七、工作台设计方案

八、 总结

九、参考文献

2

设计题目： 插床机构综合

一、设计题目简介

插床是常用的机械加工设备，用于齿轮、花键和槽形零件等的加工。图示为某插床机构运动方案示意图。该插床主要由带转动、齿轮传动、连杆机构和凸轮机构等组成。电动机经过带传动、齿轮传动减速后带动曲柄1回转，再通过导杆机构1－2－3－4－5－6，使装有刀具的滑块沿道路y－y作往复运动，以实现刀具切削运动。为了缩短空程时间，提高生产率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴有关机构（图中未画出）来实现的。

上的凸轮驱动摆动从动件

和其他

插床机构运动方案示意图

针对图所示的插床机构运动方

案，进行执行机构的综合与分析。

二、设计数据与要求

依据插床工况条件的限制，预先确定了有关几何尺寸和力学参数，如表6－4所示。要求所设计的插床结构紧凑，机械效率高。

3

插刀所受阻力曲线

插床机构设计数据

插刀往复次数插刀往复行程（次/min） （mm） 60 100 2 150 1 50 50 120 120 15 45 90 60 15 3-4-5次多项式 等速 三、设计任务

1. 针对图所示的插床的执行机构（插削机构和送料机构）方案，依据设计要求和已知参数，确定各构件的运动尺寸，绘制机构运动简图； 2. 假设曲柄1等速转动，画出滑块C的位移和速度的变化规律曲线； 3. 在插床工作过程中，插刀所受的阻力变化曲线如图所示，在不考虑各处摩擦、其他构件重力和惯性力的条件下，分析曲柄所需的驱动力矩； 4. 取曲柄轴为等效构件，确定应加于曲柄轴上的飞轮转动惯量； 5. 用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。

6. 图纸上绘出最终方案的机构运动简图（可以是计算机图）并编写说

插削机构行程速比系数中心距杆长之比质心坐标质心坐标质心坐标（mm） （mm） （mm） （mm） 凸轮摆杆长度凸轮摆杆行程角推程许用压力角推程运动角回程运动角远程休止角推程运动规律 回程运动规律 速度不均匀系数最大切削阻力阻力力臂滑块5重力构件3重力（mm） （0） （0） （0） （0） （0） （N） 0.05 1000 120 320 160 0.14 （mm） （N） （N） （kgm2） 构件3转动惯量明书。

四、插床主体机构尺寸综合设计

方案选择：

方案一：结构简图如下

4

方案二：机构简图如下：

经过对方案一和方案二的比较，我们发现方案一的优点是结构简单，易于实现。方案二的优点是可承受的力要大。考虑到插床需要较大的进给里用已加工零件，所以我们选择方案二，下面我们就相对于方案二进行进一步的计算和设计。

5

已知O1O2=150mm，BC/BO2?1，行程H=100mm，行程比系数K=2， 根据以上信息确定曲柄O1A, BC,BO2长度，以及O2到YY轴的距离 1.O1A长度的确定

图 1 极限位置

由K?(1800??)/(1800??)，得极为夹角：

??600，

首先做出曲柄的运动轨迹，以O1为圆心，O1A为半径做圆，随着曲柄的转动，

6

有图知道，当O2A转到O2A1，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当O2A转到O2A2，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到O2A1与O2A2得夹角即为极为夹角??600。由几何关系知，?A1O1O2??A2O1O2，于是可得，

?A1O1O2??A2O1O2?600。由几何关系可得：

O1A1?cos??O1O2

代入数据，O1O2=150mm，??600，得

O1A?75mm

即曲柄长度为75mm 2. 杆BC、BO2的长度的确定

图 2 杆BC，BO2长度确定

由图2 知道，刀具处于上极限位置C2和下极限位置C1时，C1C2长度即为最大行程H=100mm ，即有C1C2=100mm。

在确定曲柄长度过程中，我们得到?A1O1O2??A2O1O2?600，那么可得到?B1O2B2?600，那么可知道三角形?B1B2O2等边三角形。

又有几何关系知道四边形B1B2C2C1是平行四边形，那么B2B1?C2C1，又

7

上面讨论知?B1B2O2为等边三角形，于是有B1O2?B2B1，那么可得到

B2O2?100mm,即BO2?100mm

又已知BC/BO2?1，于是可得到

BC?BO2?100mm 即杆BC,BO2的100mm。 3.O2到YY轴的距离的确定

B1

图 3

O2到YY轴的距离

有图我们看到，YY轴由y1y1移动到y3y3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。 考虑两个位置：

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B2B1相切与B1点时，当B点转到B2,B1，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化线时，B点转到B1时将

8

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。又几何关系知道： O2B1与B2B1得交点）

l?O2B?cos?B2O2C?(O2B2?O2B?cos?B2O2C)/2

由上面的讨论容易知道?B2O2C?300

，再代入其他数据，得：

l?93.3mm

即O2到YY轴的距离为93.3mm

综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成已知O1O2=150mm，

BC/BO2?1，行程H=100mm，行程比系数K=2，

根据以上信息确定曲柄O1A, BC,BO2长度，以及O2到YY轴的距离 1.O1A长度的确定

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图 4 极限位置

由K?(1800??)/(1800??)，得极为夹角：

??600，

首先做出曲柄的运动轨迹，以O1为圆心，O1A为半径做圆，随着曲柄的转动，有图知道，当O2A转到O2A1，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当O2A转到O2A2，与圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到O2A1与O2A2得夹角即为极为夹角??600。由几何关系知，?A1O1O2??A2O1O2，于是可得，

?A1O1O2??A2O1O2?600。由几何关系可得：

O1A1?cos??O1O2

代入数据，O1O2=150mm，??600，得

O1A?75mm

即曲柄长度为75mm 2. 杆BC、BO2的长度的确定

图 5 杆BC，BO2长度确定

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由图2 知道，刀具处于上极限位置C2和下极限位置C1时，C1C2长度即为最大行程H=100mm ，即有C1C2=100mm。

在确定曲柄长度过程中，我们得到?A1O1O2??A2O1O2?600，那么可得到?B1O2B2?600，那么可知道三角形?B1B2O2等边三角形。

又有几何关系知道四边形B1B2C2C1是平行四边形，那么B2B1?C2C1，又上面讨论知?B1B2O2为等边三角形，于是有B1O2?B2B1，那么可得到

B2O2?100mm,即BO2?100mm

又已知BC/BO2?1，于是可得到

BC?BO2?100mm 即杆BC,BO2的100mm。 3.O2到YY轴的距离的确定

B1

图 6

O2到YY轴的距离

11

有图我们看到，YY轴由y1y1移动到y3y3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。 考虑两个位置：

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B2B1相切与B1点时，当B点转到B2,B1，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化线时，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。又几何关系知道： O2B1与B2B1得交点）

l?O2B?cos?B2O2C?(O2B2?O2B?cos?B2O2C)/2

由上面的讨论容易知道?B2O2C?300

，再代入其他数据，得：

l?93.3mm

即O2到YY轴的距离为93.3mm

综上，插床主体设计所要求的尺寸已经设计完成。

五、插床切削主体结构运动分析

用图解法作机构的运动分析和动态静力分析

已知w?60r/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，加速度向下为正，插刀处于上极限位置时位移为0.

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当??175O

（1）位移

在1：1 的基础上，量的位移为79.5mm。，即 曲柄转过175°时位移为79.5mm。

（2）速度

由已知从图中可知，VA2与O1A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地方法可得

大小方向vA3????vA3A2????v?A2??

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O2B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：

大小方向vC????vB????vCB? ??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是B点速度。

又B点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕O2转动，且B点和杆件与A点重

合的点在O2的两侧，于是可得：

OBvB??O2AvA3

23由图量的O2A3?220mm,则可到

vB?100vA3 220??mm/s，规定选取比例尺由已知可得vA2?w?O1A?2??75?471u?15mm?s?1/mm，则可的矢量图如下：

13

最后量出代表vC的矢量长度为12mm, 于是，可得 vC=0.174m/s

即曲柄转过175°时，插刀的速度为0.174m/s。

（3）加速度

由理论力学知识可得矢量方程：

?A3大小方向?？???A2????k?A3A2????r?A3A2？

??其中，?A2是滑块上与A点重合点的加速度，

??A2=?2?O1A4?4??75?2957.88mm/s2，方向由A4指向O1；?k加速度，

A3A2是科氏

k2（其中v?A?2???v?1080mm/s3A23A3A2A3,vA3A2大小均

rA4相对于滑块 的加速从速度多边形中量得），q方向垂直O2A4向下；?A3A2是

度，大小位置，方向与O2A4平行；?n是C点相对于B点转动的向心加速

A3A22度，?n=vCB是C点相对/BC?993.43mm/s2,方向过由C指向B；?tA3O2A3O2于B点转动的切向加速度，大小位置，方向垂直BC。次矢量方程可解，从而得

14

到?A3。

B时杆AOB 上的一点，构AOB 围绕O2转动，又A4与B点在O2的两侧，

由?t??R,?n??2R（?是 角加速度）可得

OB?B??O2A?A3

23量出O2A4则可得到

???B的大小和方向

?c?又由理论力学,结合图可得到；

??B????大小方向??n?CB??nCB??t?CB???

其中，

?B在上一步中大小方向都能求得；?是C相对于B点转动的向心加速

n2t度?CB是C相对于B点转动?vBC/BC?36mm/s2，方向由C点指向B点；?CB的切向加速度，大小未知，方向与BC垂直。次矢量方程可解，从而可得到C点，即插刀的加速度。取比例尺u?36mm?s?2/mm，可得加速度矢量图如下：

最后由直尺量的ac长度为12mm，于是，可得ac?0.432m/s2 当??355O （1）位移

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在1：1 的基础上，滑块的位移为1.5mm。，即 曲柄转过355°时位移为1.5mm。 （2）速度

由已知从图中可知，VA2与O1A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地方法可得

大小方向vA3????vA3A2????v?A2??

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O2B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：

大小方向vC????vB????vCB? ??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是B点速度。

又B点是杆件3 上的一点，，杆件3围绕O2转动，且B点和杆件与A点重

合的点在O2的两侧，于是可得：

O2B??vBOAvA3

23由图量的O2A5?123.5mm,则可到

??vB100?vA3 123.5mm/s，规定选取比例尺由已知可得vA2?w?O1A?2??75?471u?10m?s?1/mm，则可的矢量图如下：

16

最后量出代表vC的矢量长度为2.16mm,于是，可得：

vC?0.0216m/s

即曲柄转过355°时，插刀的速度为0.0216m/s方向沿YY轴向上。

（3）加速度

由理论力学知识可得矢量方程：

?A3大小方向?？???A2????k?A3A2????r?A3A2？

??其中，?A22为滑块上与A

2点重合点的加速度，

??A2=??O1A2?4??75?2957.88mm/s，方向由A5指向O1；?k加速度，kA3A2A3A2A3是哥氏

??2??3?vA3A2?2vA3vA3A2/O2A5（其中v,vA3A2大

r小均从速度多边形中量得），方向垂直O2A5向下；?A3A2是A3相对于滑块 的加

速度，大小位置，方向与O2A5平行。 B是杆AOB上的一点，杆AOB 围绕O2转动，又A5与B5点在O2的两侧，由?t??R,?n??2R（?是 角加速度）可得

2B5 ??B??OA3O2A5?? 17

量出O2A5则可得到

?B的大小和方向

?c?又由理论力学,结合图可得到；

??B????大小方向??n?CB??nCB??t?CB???

其中，

?B在上一步中大小方向都能求得；?是C相对于B点转动的向心加速

n2t度?CB是C相对于B点?vBC/B5C5?1.44mm/s2，方向由C点指向B点；?CB转动的切向加速度，大小未知，方向与BC垂直。次矢量方程可解，从而可得到C点，即插刀的加速度。取比例尺u?50m?s?2/mm，可得加速度矢量图如下

代入数据可得：ac?3.04m/s

2

六、重要数据及函数曲线分析

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S???,V???,a???数据表角度

位移S（mm) 速度加速度7 1.5 14 3 21 4 28 5.9 35 8 42 9.9 49 10.5 56 15.5 63 19.5 70 23.5 77 25 84 30 91 31 98 37.5 105 41 112 45 119 48.1 126 55 133 57 140 60.2 147 66.1 154 68.9 161 73 168 76 175 79.5 180 83 187 85 194 90 201 92 208 92.5 215 95 222 98 229 98.5 236 99 243 99 250 98 257 97 264 92.5 271 90 278

83.5

V(m/s) 0.003 0.055 0.0825 0.115 0.125 0.136 0.14 0.15 0.155 0.16 0.18 0.192 0.201 0.207 0.210 0.212 0.22 0.212 0.205 0.201 0.2 0.196 0.19 0.18 0.174 0.172 0.17 0.140 0.13 0.126 0.093 0.073 0.05 0.03 -0.03 -0.07 -0.16 -0.25 -0.274 -0.383 α(m/s2) 2.05 2 1.96 1.95 1.8 1.65 1.5 1.1 1.0 0.85 0.77 0.63 0.55 0.15 0.09 -0.02 -0.024 -0.065 -0.12 -0.23 -0.32 -0.36 -0.39 -0.4 -0.432 -0.45 -0.59 -0.7 -0.79 -0.9 -1.04 -1.5 -1.9 -2.125 -2.6 -3.14 -3.3 -4.1 -5.12 -5.1

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285 292 299 306 313 320 327 334 341 348 355 360

1、S(?)??图的分析：

73 66 54.2 41.5 28.2 17.9 12.5 8.1 3 2.6 1.5 0 -0.52 -0.574 -0.62 -0.61 -0.44 -0.43 -0.3 -0.23 -0.13 -0.029 -0.0216 0 -4.9 -1.74 -0.44 3.6 4.7 5.2 5.47 5.5 3.95 3.73 3.04 2.25

随着曲柄O1A,逆时针转动角度的增大，滑块C位移由0开始增大，大约在240度

时达到最大，然后开始减少，易知滑块C进程与回程时，曲柄O1A,转动的角度并不相等，这说明了曲柄O1A,转动时存在急回运动。

2、V(?)??图的分析：

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随着曲柄O1A,逆时针转动角度的增大，即?的增加，速度V正向增大，大约在120度时达到最大，然后呈现下降趋势，在240度时下降为0，表明位移以增大到最大，即滑块C达到最下端，由曲线看出，滑块C的正向平均速度比负向平均速度小，进一步表明了急回运动的存在。进程时，速度比较小，更有利于进刀；回程时，速度较快，有利于提高工作效率，充分证明了此机构设计的合理性。

下面对特殊点作一下分析：转角为0度时，V=0;曲柄转动至120度，正向速度到达最大值0.22m/s，此时滑块C具有最大速度，当曲柄继续转动至240度时正向速度减少至0，此时由速度是位移的变化率可知，其位移达到最大值。当曲柄继续转动时，滑块C速度反向，变为负向速度，随着转角增大而增大，曲柄转至240度，速度达到负向最大值0.63m/s之后，当滑块继续由摇杆带动时，却曲柄由300度转至360度时，其速度由负向最大值变为0.

3、a(?)??图的分析：

21

随着曲柄O1A,逆时针转动角度的增大，滑块C先向下作加速运动，但加速度

越来越小，但是加速度越来越小，然后反向增大知道位移达到最大，接着滑块进入空回程，由于存在急回运动，加速度迅速正向增大，达到最大后又开始减小，直到滑块C进入工作行程。

下面对一些特殊点进行分析：进程时，滑块C具有正向加速度，由2.2开始减少，在102度时达到0，当角度继续增大时，加速度反向增大，大约在240度时滑块位移达到最大值，但是加速度还是在反向增大，而且增长率明显比前段更大，当角度达到270度时加速度增大到5.2m/s2时到达峰值，开始减少，在300度左右是达到0，然后正向增长，表明了滑块将要向上减速运动，最后回到0位移，然后往复运动。我们可以看出，在0至240度区间内，加速度都很平缓，而在240至360度内，加速度变化很快，都说明了急回运动的存在。

七、工作台设计方案

方案的选择：

方案一：凸轮连杆机构（题目中给的方案） 方案讨论：①运动怎样从电动机引下来；

②工作台的运动情况及相对位置；

③怎样确定凸轮的安装角，怎样让整个机构协调工作。

第一个问题：由于插床机身高度较高，所选择的机构传动方案必须能够实现长距离传动，且保证定传动比，长距离传动方案多种多样，如：齿轮系传动；带传动；链传动；平行四边形机构传动等。

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齿轮系传动会使整个机器结构变得复杂；带传动本身具有个缺点：会产生弹性滑动，且其精度不高；链传动则会产生冲击，并伴随着很大的噪声；平行四边形机构传动效率高，结构简单，完全复制了原动件的运动，且其刚度较高，故选取平行四边形机构这个方案来进行长距离传动。

第二个问题：工作台最终可实现前后、左右作间歇直线送进运动和作间歇回转送进运动。送进运动必须与主切削运动协调配合，即进给运动必须在刀具非切削期时间即上超阶段以内完成，以防止刀具的切削运动与工作台的送进运动发生干涉。

要实现工作台的三个间歇运动，即将原动件的连续往复摆动转化为从动件的单向间歇运动，根据机构的这个运动特性，知可选取棘轮机构，实现预期运动。同时，机构中添加复合锥齿轮，可实现改变锥齿轮的旋转方向，从而改变工作台的运动方向；同时加上离合器机构，以实现动力的传递或断开。这样，当机械运动传递到棘轮时，棘轮作有规律的单向间歇运动，同时将摆动转化为沿轴的自转运动，再通过复合锥齿轮传递给工作台。除了靠各机械构件带动工作台运动外，还可用手柄操作，此时与棘轮连接的离合器处于断开状态，棘轮的运动及动力不继续传递，不影响手柄对工作台的操纵。

要保证送进运动与主切削运动协调配合，即进入上超工作台开始运动，结束上超工作台停止运动，直到下一个上超阶段才重新运动，则必须保证推程运动角小于等于上超区间的角度。

第三个问题：由于工作台的进给运动只能发生在上超阶段，故我们所选择的机构传动方案中机构的运动只有在上超阶段才能传递给工作台，其它时间工作台都是处于静止状态，故选择凸轮式间歇运动机构，同时为了保证机构协调工作，凸轮的安装角必须在上超区间的角度范围内。

方案简图

23

方案二：不完全齿轮间歇旋转机构

该机构中不完全齿轮的旋转运动由连杆机构和锥轮从主动齿轮引导下来，然后由不完全齿轮推动工作台运动，设计的不完全齿轮的主动轮旋转一周时从动轮旋转1/10周。

方案简图

方案比较：比较两个方案，可以发现方案一比方案二要多设计凸轮，由于凸轮设计比较麻烦且精度不高，所以我们选择方案二，下面就方案二做进一步计算： 齿轮传动计算：

0取z1?22，z2?5?z1?22?5?110。按照要求取m?8，压力角??20则

d1?z1m=22?8=176mmd2?z2m?110?8?880mm

/2=8?（22+110）/2=528mm 中心距采用标准中心距则 a?m（z1?z2）不完全齿轮的计算：

设计的不完全齿轮的主动轮旋转一周时从动轮旋转1/10周。

0齿轮部分取参数为z=120，m=8，法面压力角取??20

则中心距a?zm?120?8?960

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分度圆直径d?mz?8?120?960 基圆直径db?d?cos??8?120?902.11

*d?d?2ham?960?2?1?8?976 齿顶圆直径a齿根圆直径

df?d?2?ha*?c*?m?960?2?1?0.25??8?940

凸轮止弧和凹轮止弧则按照基圆的圆弧来配合

八、 总结

这次设计课程不仅让我加深了对机械原理理论课程的理解和认识，更培养了我用理论知识去解决实际问题的能力。作为初次接触设计的我，对未来的设计充满了信心。

当我们遇到一个问题时，首先不能畏惧，而是要对自己有信心，相信通过自己的努力一定能解决的。就象人们常说的在战略上藐视它。但是在战术上的重视它。通过慎重的考虑认真的分析，脚踏实地去完成它，克服重重困难，当你成功实现目标时，那种成就感一定会成为你成长的动力。

还有就是经过这次的课程设计，我在绘图方面和三维仿真方面的知识也得到进一步的加强，让我受益匪浅。

九、参考文献

冯鉴、何俊、雷志翔.机械原理.西南交大出版社

裘建新.机械原理课程设计指导书.北京：高等教育出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3835.html