南京工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)教研室

1、南京工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)教研室2004年6月機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)-六桿插床機(jī)構(gòu)分析一、課程設(shè)計(jì)的目的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是高等工科院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生第一次較全面的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，其目的在于進(jìn)一步加深學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決有關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生對(duì)于機(jī)械動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析與設(shè)計(jì)有一較完整的概念。二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟1、插床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)插床機(jī)構(gòu)由齒輪、導(dǎo)桿和凸輪等組成，如圖11所示(齒輪、凸輪未畫(huà)出)。電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速裝置,使曲柄1轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)使裝有刀具的滑塊沿導(dǎo)路yy作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具切削運(yùn)動(dòng)，并要求刀具有急回運(yùn)動(dòng)。刀具與工作臺(tái)之間的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，

2、是由固結(jié)于軸O2上的凸輪驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)從動(dòng)桿和其它有關(guān)機(jī)構(gòu)（圖中未畫(huà)出）來(lái)完成的。插床設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表11所示。圖11 插床機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表1-1 插床設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表2、插床機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟（1）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析已知行程速比系數(shù)K，滑塊沖程H，中心距LO2O3，比值lBC/lO3B，各構(gòu)件重心S的位置，曲柄每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n1。要求設(shè)計(jì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，作機(jī)構(gòu)各個(gè)位置的速度和加速度多邊形，作滑塊的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圖，以上內(nèi)容與后面動(dòng)態(tài)靜力分析一起畫(huà)在2號(hào)圖紙上（見(jiàn)參考圖例1）。步驟 1）設(shè)計(jì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。按已知數(shù)據(jù)確定導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的各未知參數(shù)，其中滑塊5導(dǎo)路y-y的位置可根據(jù)連桿4傳力給滑塊5的最有利條件來(lái)確定，即y-y應(yīng)位

3、于B點(diǎn)所畫(huà)圓弧高的平分線(xiàn)上（見(jiàn)參考圖例1）。 2）作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。選取長(zhǎng)度比例尺l(m/mm)，按表1-2所分配的加速度位置用粗線(xiàn)畫(huà)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。曲柄位置的作法如圖1-2；取滑塊5 在下極限時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲柄位置為起始位置1，按轉(zhuǎn)向?qū)⑶鷪A周十二等分，得12個(gè)曲柄位置，位置5對(duì)應(yīng)于滑塊5處于上極限位置。再作出開(kāi)始切削和終止切削所對(duì)應(yīng)的5和12兩位置。共計(jì)14個(gè)機(jī)構(gòu)位置，可以14個(gè)學(xué)生為一組。圖1-2 曲柄位置圖表 1-2 機(jī)構(gòu)位置分配表學(xué)生序號(hào)123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142速度

4、圖（位置）123456789101112始終加速度圖（位置）123456789101112始終力分析圖（位置）123456789101112始終3）作滑塊的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圖。為了能直接從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖上量取滑塊位移，取位移比例尺s=l，根據(jù)機(jī)構(gòu)及滑塊5上C點(diǎn)的各對(duì)應(yīng)位置，作出滑塊的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)圖sc(t)、然后根據(jù)sc(t)線(xiàn)圖用圖解微分法（弦線(xiàn)法）作滑塊的速度vc(t)線(xiàn)圖（圖1-2），并將其結(jié)果與4）相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法的結(jié)果比較。圖1-2 用圖解微分法求滑塊的位移與速度線(xiàn)圖4）用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法作速度、加速度多邊形。選取速度比例尺v(m·s-1)/mm和加速度比例尺a(m·s-2)/mm，作

5、該位置的速度和加速度多邊形（見(jiàn)圖1-3）。求其 中 (rad/s) 列出 向 量 方 程 ,求 用速度影像法求列 出 向 量 方 程 ,求 a）速度圖 b）加速度圖圖1-3 位置7的速度與加速度圖（2）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析已知各構(gòu)件重力G及其對(duì)重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js、阻力線(xiàn)圖（圖11）及已得出的機(jī)構(gòu)尺寸、速度和加速度。1）繪制機(jī)構(gòu)的力分析圖（圖1-4）。力分析的方法請(qǐng)參考機(jī)械原理教材圖1-4 位置7的力分析圖已知各構(gòu)件重力G及其對(duì)重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js、阻力線(xiàn)圖（圖11）及已得出的機(jī)構(gòu)尺寸、速度和加速度，求出等效構(gòu)件1的等效阻力矩Mr。（注意：在切削始點(diǎn)與切削終點(diǎn)等效阻力矩應(yīng)有雙值）2）收集其他

6、13位同學(xué)在各位置求出的等效阻力矩Mr列表于1-3中。表1-3等效構(gòu)件1的等效阻力矩Mr數(shù)據(jù)匯總位置123456789101112始終Mr3）選取力矩比例尺M(jìn)(N.mm/mm)，繪制等效阻力矩Mr的曲線(xiàn)圖（圖1-4）圖1-4 等效阻力矩Mr和阻力功Ar的曲線(xiàn)圖利用圖解積分法對(duì)Mr進(jìn)行積分求出Ar-曲線(xiàn)圖，假設(shè)驅(qū)動(dòng)力矩Md為恒定，由于插床機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)做功相等，所以驅(qū)動(dòng)力矩在一個(gè)周期內(nèi)的做功曲線(xiàn)為一斜直線(xiàn)并且與Ar曲線(xiàn)的終點(diǎn)相交如圖1-4中Ad所示，根據(jù)導(dǎo)數(shù)關(guān)系可以求出Md曲線(xiàn)（為一水平直線(xiàn)）。4）作動(dòng)能增量線(xiàn)。取比例尺 （mm），動(dòng)能變化dr，其值可直接由圖1-4上d（）與r（）曲線(xiàn)

7、對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)線(xiàn)段相減得到，由此可作出動(dòng)能變化曲線(xiàn)Ad與Ar相減的曲線(xiàn)圖（如圖1-5）。圖1-5作動(dòng)能增量線(xiàn)圖5）計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF已知機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的速度不均勻系數(shù)，機(jī)器在曲柄軸1上轉(zhuǎn)速n1，在圖1-5中，E的最大和最小值，即max和min位置，對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)Emax和Emin之間的距離gf，則所以JF為：三、圖解微分法與圖解積分法簡(jiǎn)介1、圖解微分法下面以圖1-3為例來(lái)說(shuō)明圖解微分法的作圖步驟,圖1-3為某一位移線(xiàn)圖, 曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的速度可表示為:圖1-3 位移線(xiàn)圖其中dy和dx為s=s(t)線(xiàn)圖中代表微小位移ds和微小時(shí)間dt的線(xiàn)段, 為曲線(xiàn)s=s(t) 在所研究位置處切線(xiàn)的傾角。上式表明,曲線(xiàn)在每

8、一位置處的速度v與曲線(xiàn)在該點(diǎn)處的斜率成正比,即vtg,為了用線(xiàn)段來(lái)表示速度,引入極距K(mm),則式中v為速度比例尺,v = s/tK ( m/s/mm )。該式說(shuō)明當(dāng)K為直角三角形中角的相鄰直角邊時(shí),(Ktg)為角的對(duì)邊。由此可知,在曲線(xiàn)的各個(gè)位置, 其速度v與以K為底邊,斜邊平行于s=s(t)曲線(xiàn)在所研究點(diǎn)處的切線(xiàn)的直角三角形的對(duì)邊高度(Ktg)成正比。該式正是圖解微分法的理論依據(jù),按此便可由位移線(xiàn)圖作得速度線(xiàn)圖(v-t曲線(xiàn)),作圖過(guò)程如下:先建立速度線(xiàn)圖的坐標(biāo)系v-1-t(圖1-4),其中分別以v和t作為v軸和t軸的比例尺, 然后沿軸向左延長(zhǎng)至o點(diǎn),使o1= K(mm),距離K稱(chēng)為極距,

9、點(diǎn)o為極點(diǎn)。過(guò)o點(diǎn)作s=s( t)曲線(xiàn)(圖1-3)上各位置切線(xiàn)(圖1-3中僅畫(huà)出曲線(xiàn)上3'的切線(xiàn))的平行線(xiàn)o2"、o3".等,在縱坐標(biāo)軸上截得線(xiàn)段12"、13"、14".等。由前面分析可知,這些線(xiàn)段分別表示曲線(xiàn)在2'、3'、4'. 等位置時(shí)的速度,從而很容易畫(huà)出位移曲線(xiàn)的速度曲線(xiàn)(圖1-4a)。圖1-4.速度線(xiàn)圖a) 切線(xiàn)作圖 b) 弦線(xiàn)作圖上述圖解微分法稱(chēng)為切線(xiàn)法。該法要求在曲線(xiàn)的任意位置處很準(zhǔn)確地作出曲線(xiàn)的切線(xiàn)，這常常是非常困難的，因此實(shí)際上常用“弦線(xiàn)”代替“切線(xiàn)”，即采用所謂弦線(xiàn)法,作圖方便且能滿(mǎn)足要求,現(xiàn)

10、敘述如下:依次連接圖1-3中s =s(t)曲線(xiàn)上相鄰兩點(diǎn),可得弦線(xiàn)1'2'、2'3'、3'4'.等(圖3中僅畫(huà)出弦線(xiàn)2'3',學(xué)生作圖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格畫(huà)出每一弦線(xiàn)),它們與相應(yīng)區(qū)間位移曲線(xiàn)上某點(diǎn)(例圖1-3中N點(diǎn))的切線(xiàn)平行。當(dāng)區(qū)間足夠小時(shí),該點(diǎn)(例N點(diǎn))可近似認(rèn)為在該區(qū)間(例2,3)中點(diǎn)的垂直線(xiàn)上。因此我們可以這樣來(lái)作速度曲線(xiàn):如圖4b所示,按上述切線(xiàn)法建立坐標(biāo)系v-1- t并取定極距K及極點(diǎn)o,從o點(diǎn)作輻射線(xiàn)o2'、o3'、o4'.等,使分別平行于弦線(xiàn)1'2'、2'3'、3

11、9;4'.并交縱坐標(biāo)軸于2"、3".等點(diǎn)。然后將對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)投影相交,得到一個(gè)個(gè)小矩形(例圖1-4b中矩形2cd3),則過(guò)各矩形上底中點(diǎn)(例圖1-4b中e,f點(diǎn)等)的光滑曲線(xiàn),即為所求位移曲線(xiàn)的速度線(xiàn)圖(v-t曲線(xiàn))。2、圖解積分法圖解積分法為圖解微分法的逆過(guò)程。取極距（mm），用圖解積分法由力矩r曲線(xiàn)求得力矩所做的功r曲線(xiàn)（圖1-4）。由于 其中 故取r曲線(xiàn)縱坐標(biāo)比例尺求r的理論依據(jù)如下：四、編寫(xiě)計(jì)算說(shuō)明書(shū)計(jì)算說(shuō)明書(shū)是學(xué)生說(shuō)明自己的設(shè)計(jì)正確、合理，并供有關(guān)人員參考審閱的文件，它是課程設(shè)計(jì)的重要組成部分。其內(nèi)容大致包括：設(shè)計(jì)題目，全部原始數(shù)據(jù)；機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖或設(shè)計(jì)方案的

12、確定；列出大小標(biāo)題，簡(jiǎn)要說(shuō)明設(shè)計(jì)中所用的原理和方法，并寫(xiě)出必要的計(jì)算公式或向量方程式畫(huà)出向量多邊形；用表格列出計(jì)算結(jié)果，并畫(huà)出主要曲線(xiàn)圖；對(duì)結(jié)果和誤差進(jìn)行分析討論；列出主要參考書(shū)目。計(jì)算說(shuō)明書(shū)要用開(kāi)報(bào)告紙書(shū)寫(xiě)，語(yǔ)句簡(jiǎn)捷，書(shū)寫(xiě)工整，最后附上“插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)靜力分析圖”和“插床飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)的過(guò)程圖”，并加上封面裝訂成冊(cè)，裝訂次序?yàn)椋悍饷?#224;設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)à計(jì)算說(shuō)明書(shū)正文à插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)靜力分析圖à插床飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)的過(guò)程圖。送交指導(dǎo)教師批閱。五、思考題1. 在進(jìn)行力分析時(shí)為什么必須嚴(yán)格按照桿組？2. 在等效阻力矩線(xiàn)圖中，對(duì)切削始點(diǎn)和切削終點(diǎn)，為什么r應(yīng)取雙值？3. 為什么說(shuō)飛輪在調(diào)速的同時(shí)還能起到節(jié)能的作用？為什么飛輪要盡量裝在高速軸上。參考資料黃錫愷、鄭文偉主編。機(jī)械原理第六版。高等教育出版社，劉天一、徐錦康編，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，羅洪田主編。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)。高等教育出版社。6.南京工程學(xué)院機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)專(zhuān)業(yè)_班級(jí)_設(shè)計(jì)者_(dá)學(xué)號(hào)_設(shè)