机械制造及其自动化毕业论文-基于ProE的牛头刨床主运动的设计与运动学分析

徐州工业职业技术学院毕 业 论 文姓 名： 学 号： 系 部： 机械工程系 专 业： 机械制造及自动化 论文题目：基于 Pro/E 的牛头刨床主运动的 设计与运动学分析指导教师： 职 称： 基于 Pro/E 的牛头刨床主运动的设计与运动学分析一工作原理及工艺动作过程牛头刨床是一种用于切削平面的加工机床，它是依靠刨刀的往复运动和支承并固定工件的工作台的单向间歇移动来实现对平面的切削加工。刨刀向左运动时切削工件，向右运动时为空回。图 1 牛头刨床主运动机构二设计要求与设计参考数据1刨刀所切削的工件长度为 L，并要求刀具在切削工件前后各有一段约0.05L 的空刀行程；2为保证加工质量，要求刨刀在工作行程时速度比较均匀，许用速度不均匀系数=10%；3为了提高生产效率，要求刨刀的往复切削运动具有急回特性，其行程速比系数 K 控制为 1.42.0；4导杆的最大压力角为最小值。设计参考数据方案号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10曲柄转速n(r/min)48 52 50 48 55 60 65 60 58 60导杆机构运动机架 LAC(mm) 380 360 370 400 410 380 370 400 400 380 工件长度 L (mm)310 330 380 250 310 310 320 450 370 360分析行程速比系数 K1.461.44 1.53 1.34 1.37 1.46 1.48 1.45 1.5 1.45三、设计任务1论述牛头刨床的结构，主运动工作原理；2阐述平面四杆机构理论（平面四杆机构的类型与演化，急回运动理论与实现） ；3构思三种以上刨削主体机构运动方案，并进行分析评价，确定主运动方案；4根据给定的参考数据利用图解法确定机构的尺寸； 5利用 Pro/E 构件主运动实体三维模型，并进行构件连接，创建主运动的运动学虚拟模型；6利用 Pro/E 进行主运动的运动学分析，分析刨头的位移，速度，加速度，据此改进设计方案；7撰写毕业设计说明书。四提交材料1设计说明书一份2主运动的运动学虚拟模型一套（电子档）指导老师： 日 期： 论文真实性承诺及指导教师声明 学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 摘 要本设计课题为基于 Pro/E 的牛头刨床主运动的设计与运动学分析，根据设计任务书的要求以及设计参考数据的要求，来对牛头刨床进行设计研究。先是通过对平面四杆机构的类型与演化及急回运动理论与实现的分析，来阐述平面四杆机构的理论，从而来设计牛头刨床。然后通过对牛头刨床的结构及主运动的工作原理进行分析，构思三种或三种以上刨削主体机构的运动方案，通过分析来确定主运动的方案；然后根据给定的参考数据利用图解法确定机构的尺寸；再利用 Pro/E 进行主运动实体三维模型并进行构件连接，创建主运动的运动学虚拟模型。最后再利用 Pro/E 进行主运动的运动学分析，分析刨头的位移、速度、加速度，据此改进方案。从而使牛头刨床的设计精度得到提高，近而提高效率。关键词：平面四杆机构；急回运动；三维建模；运动仿真；运动学分析 AbstractDesigns the shaping machine according to the design project description request as well as the design reference data request the main motion.Through to the plane four pole organization type and evolved and the quick return motion and the realization analysis, elaborates the plane four pole organization theory, thus designs the shaping machine.Through carries on the analysis to the shaping machine structure and the host movement principle of work, forms in ones mind three kinds or above shapes the main body organization the movement plan, carries on the appraisal through the analysis, finally determines the host movement the plan; Then the basis assigns reference data use graphic method determination organization size; Again carries on the host movement entity three-dimensional model using Pro/E and carries on the component connection, founds the host movement the kinematics virtual model.Finally carries on the host movement again using Pro/E the kinematic analysis, the analysis discount displacement, the speed, the acceleration, according to the above improvement program. Thus enable the shaping machine the precision to obtain the enhancement, thus enhances the efficiency, the expanded production.Key word: Four pole organizations; Quick return motion; Three dimensional modelling; Movement simulation; Kinematic 目 录第一章 绪论 .11.1 概述 .11.1.1 Pro/E 软件简介 .11.1.2 pro/e 的主要特性 .11.1.3. pro/e 的基本功能介绍 .2第二章 阐述牛头刨床的结构与主运动工作原理 .42.1 牛头刨床的结构 .42.1.1 牛头刨床简介 .42.1.2 牛头刨床传动系统及结构组成 .42.1.3 牛头刨床的结构 .72.2 牛头刨床主运动工作原理 .8第三章 阐述平面四杆机构原理 .113.1 平面四杆机构的基本性质 .113.1.1 曲柄存在的条件： .113.1.2 死点位置： .113.2 平面连杆机构的特点 .113.3 四杆机构的组成 .123.4 平面四杆机构的类型 .123.4.1 曲柄摇杆机构 .123.4.2 双曲柄机构 .133.4.3 双摇杆机构 .133.5 平面四杆机构的演化 .143.6 急回运动理论与实现 .163.6.1 极位夹角的定义 .163.6.2 急回运动的理论 .163.6.3 急回运动的实现 .17第四章 牛头刨床主运动机构尺寸的设计 .184.1 牛头刨床主运动的尺寸设计 .184.1.1 设计要求与参考数据 .184.1.2 设计所确定的机构并按比例绘制出机构的运动简图 .184.2 牛头刨床主运动的设计方案 .204.2.1 主执行机构的设计参考方案 .20第五章 主运动机构实体三维建模 .235.1 三维建模 .235.1.1 曲柄 AB 杆的建模 .235.1.2 滑块的建模 .255.1.3 导杆 CD 建模 .265.1.4 杆 DE 的建模 .265.1.5 牛头刨床床身的建模 .275.1.6 牛头刨床刨头的建模 .275.1.7 夹具以及工件的建模 .285.2 牛头刨床主运动机构的装配 .28 5.2.1 牛头刨床床身的装配 .285.2.2 两齿轮间的连接 .295.2.3 杆 CD 与滑块以及滑块齿轮间的连接 .305.2.4 牛头刨床刨头与杆 DE 间的连接 .315.2.5 夹具与工件的连接 .325.2.6 虚拟模型图 .32第六章 主运动机构的运动学分析 .346.1 运动学分析的简介 .346.2 牛头刨床刨头的位移、速度及加速度分析 .356.2.1 牛头刨床主运动分析 .356.2.2 位移曲线 .366.2.3 速度曲线 .376.2.4 加速度曲线 .38总 结 .40参考文献 .41致 谢 .421第一章 绪论1.1 概述1.1.1 Pro/E 软件简介随着我国加入 WTO，一场新的工业设计领域的技术革命正在兴起，作为提高生产率和竞争力的有效手段，Pro/E 也正在国内形成一个广泛应用的热潮。Pro/E 是美国 PTC 公司开发的一套机械 CAD/CAE/CAM 集成软件，其技术领先，在机械、电子、航空、邮电、兵工、纺织等各行各业都由应用，是CAD/CAE/CAM 领域中少有的顶尖 “人物”。它集零件设计、大型组件设计、造型设计、模具开法、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于一体，具有参数化设计，特征驱动，单一数据库特点，大大加快了产品开发速度。Pro/E Wildfire 3.0 是 Pro/E 的最新版本，其功能较以前的版本有了较大的提高，而且操作界面业更为友好，大大提高了技术人员的工作效率。使用 Pro/E 可以建立与实物完全相同的数字样机，从而辅助实现复杂机构与新产品的设计。Pro/E 的解决方案涉及产品的设计、分析、仿真和加工制造的整个流程，它可以按照产品设计的一般顺序来模拟设计的整个过程。因为只需根据一个产品的三维实体造型，就可以建立与产品造型参数相关的三维实体模具所以 Pro/E 在我国模具设计行业获得广泛应用。所谓的参数化设计，就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值更改零件的外形。这就是给设计者带来很大的方便。参数不仅代表设计对象的外观相关尺寸，而是具有实质上的物理意义。参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步，减少了许多人为的计算时间。本论文就是利用 Pro/E 的三维设计知识点。即利用 Pro/E 构件主运动的实体三维模型，并能够进行构件的连接，创建主运动的运动学虚拟模型。除此之外，还能够进行主运动的运动学分析，分析刨头的位移，速度，加速度，据此改进设计方案。所以，真正掌握了 Pro/E 的实际操作，对我们以后的工作有着很大的帮助。为此，我们更应该好好的学习这门课程 18。 21.1.2 pro/e 的主要特性全 相 关 性 ： Pro/ENGINEER 的 所 有 模 块 都 是 全 相 关 的 。 这 就 意 味 着 在 产品 开 发 过 程 中 某 一 处 进 行 的 修 改 ， 能 够 扩 展 到 整 个 设 计 中 ， 同 时 自 动 更 新3所 有 的 工 程 文 档 ， 包 括 装 配 体 、 设 计 图 纸 ， 以 及 制 造 数 据 。 全 相 关 性 鼓 励 在开 发 周 期 的 任 一 点 进 行 修 改 ， 却 没 有 任 何 损 失 ， 并 使 并 行 工 程 成 为 可 能 ， 所以 能 够 使 开 发 后 期 的 一 些 功 能 提 前 发 挥 其 作 用 。基 于 特 征 的 参 数 化 造 型 ： Pro/ENGINEER 使 用 用 户 熟 悉 的 特 征 作 为 产 品几 何 模 型 的 构 造 要 素 。 这 些 特 征 是 一 些 普 通 的 机 械 对 象 ， 并 且 可 以 按 预 先 设置 很 容 易 的 进 行 修 改 。 例 如 ： 设 计 特 征 有 弧 、 圆 角 、 倒 角 等 等 ， 它 们 对 工 程人 员 来 说 是 很 熟 悉 的 ， 因 而 易 于 使 用 。 装 配 、 加 工 、 制 造 以 及 其 它 学 科 都 使 用 这 些 领 域 独 特 的 特 征 。 通 过 给 这些 特 征 设 置 参 数 （ 不 但 包 括 几 何 尺 寸 ， 还 包 括 非 几 何 属 性 ） ， 然 后 修 改 参 数很 容 易 的 进 行 多 次 设 计 叠 代 ， 实 现 产 品 开 发 。数 据 管 理 ： 加 速 投 放 市 场 ， 需 要 在 较 短 的 时 间 内 开 发 更 多 的 产 品 。 为 了实 现 这 种 效 率 ， 必 须 允 许 多 个 学 科 的 工 程 师 同 时 对 同 一 产 品 进 行 开 发 。 数 据管 理 模 块 的 开 发 研 制 ， 正 是 专 门 用 于 管 理 并 行 工 程 中 同 时 进 行 的 各 项 工 作 ，由 于 使 用 了 Pro/ENGINEER 独 特 的 全 相 关 性 功 能 ， 因 而 使 之 成 为 可 能 。装 配 管 理 ： Pro/ENGINEER 的 基 本 结 构 能 够 使 您 利 用 一 些 直 观 的 命 令 ，例 如 “啮 合 ”、 “插 入 ”、 “对 齐 ”等 很 容 易 的 把 零 件 装 配 起 来 ， 同 时 保 持设 计 意 图 。 高 级 的 功 能 支 持 大 型 复 杂 装 配 体 的 构 造 和 管 理 ， 这 些 装 配 体 中 零件 的 数 量 不 受 限 制 。易 于 使 用 ： 菜 单 以 直 观 的 方 式 联 级 出 现 ， 提 供 了 逻 辑 选 项 和 预 先 选 取 的最 普 通 选 项 ， 同 时 还 提 供 了 简 短 的 菜 单 描 述 和 完 整 的 在 线 帮 助 ， 这 种 形 式 使得 容 易 学 习 和 使 用 。1.1.3. pro/e 的基本功能介绍Pro/Engineer软件包是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 4Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。5第二章 阐述牛头刨床的结构与主运动工作原理2.1 牛头刨床的结构2.1.1 牛头刨床简介牛头刨床是用于加工中小尺寸的平面或直槽的金属切削机床，多用于单件或小批量生产。为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主执行构件刨刀能以数种不同速度、不同行程和不同起始位置作水平往复直线移动，且切削时刨刀的移动速度低于空行程速度，即刨刀具有急回现象。刨刀可随小刀架作不同进给量的垂直进给；安装工件的工作台应具有不同进给量的横向进给，以完成平面的加工，工作台还应具有升降功能，以适应不同高度的工件加工。2.1.2 牛头刨床传动系统及结构组成1. 图 2-2 表明了牛头刨床的传动系统怎样把电动机的回转运动转变成刨刀的切削运动和工作台的进给运动。打开牛头刨床的外壳，对它的内部结构加以分析研究。装在电动机 1 的伸出轴端上的小皮带轮 2，通过一组三角皮带 3，驱动固定在轴 I 上的大皮带轮 4，再由轴 I 借助于摩擦离合器 8，转动空套在轴 I上的三联齿轮 5、6、7，驱动花键轴 II 右端的三联滑移齿轮 9、10、11(三联滑移齿轮是用来变换相啮合的齿轮对，以改变转速，从而调整刨削速度的。图示图 2-1 牛头刨床外形图6为齿轮 6 与 10 相啮合)，并由轴 II 转动左端的三联滑移齿轮 12、13，14，驱动固定在轴 III 上的三联齿轮 15、16、17( 图示为齿轮 13 与 16 相啮合)，再由固联于轴 III 右端的齿轮 18，驱动固定在轴 IV 上的大齿轮 19。由图 1-2b 可见，在大齿轮 19 上，装有用销钉 20 联接的滑块 21，此滑块可绕销钉 20 转动，并可在导杆 22 的导槽中滑动(销钉 20 到大齿轮中心的距离可由图 1-2c 所示的机构进行调整)，所以当大齿轮转动时，便可借助滑块 21 来拨动导杆 22 绕固定支点(销钉 23)左右摆动 (同时导杆下端的导槽与滑块 24 之间可作相对滑动，以改变导杆的有效长度)。大齿轮每转一周，导杆便往复摆动一次。又由于导杆的上端是用销钉 25 与调整块 26 相联的，而调整块又拧紧手柄 27 时被紧固在滑枕 28上。所以当导杆 22 摆动时，滑枕 28 便沿着导轨 29 作前后往复运动。于是由图2 可知，安装在滑枕前端刀架 30 上的刨刀 31 便作切削运动。7工作台 32 由如下方式获得到适时的、间歇的进给运动。2. 在大齿轮 19 的空心轴 IV 上，固定着凸轮 33。当轴 IV 转动时，凸轮便推动滚子 34 而使 L 形推杆 35 绕其轴 VIII 往复摆动，于是推杆 35 的另一端的图 2-2 牛头刨床传动系统及结构组成图 2-3 曲柄长度调节机构 图 2-4 主执行机构8扇形齿轮 36 也往复摆动，以驱动空套在轴 V 上的扇形齿轮 37 摆动。又由于在扇形齿轮 37 下部的小轴上，装有一个棘爪 38，所以当扇形齿轮 37 摆动时，棘爪 38 便间歇地拨动空套在轴 V 上的棘轮 39 转动一个角度，并通过牙嵌离合器40，使轴 V 带着其左端的圆锥齿轮 47 间歇地转动一个角度，以驱动与其相啮合的圆锥齿轮 42，从而通过伸缩轴 VI 使其另一端的圆锥齿轮 43 间歇地转动，再通过轴 VII 上的圆锥齿轮 44 和牙嵌离合器 45，使螺杆 46 间歇地转动，以推动固联在工作台 32 上的螺母 47 间歇地移动。这样，工作台 32 便沿着滑轨 48间歇地进行进给运动。切削运动和进给运动恰当地配合起来，便可实现它刨削平面的功能。3. 由上述分析知，电动机是它接受外界输入能量的原动部分，刨刀和工作台( 包括夹持装置) 是它的执行部分，从原动部分到执行部分之间所经过的一系列装置则是它的传动部分。所以就其主体来说，这部机器是由原动部分、传动部分和执行部分三个组成部分所构成的。我们还可以对多种机器进行类似的分析，由此知，任何一部完整的机器，其主体都是由主动部分、传动部分和执行部分所组成的。2.1.3 牛头刨床的结构皮带传动(机构) ：小皮带轮、皮带和和大皮带轮(包括轴，轴承、机架等，下同) 。齿轮机构：齿轮螺旋机构：螺杆和螺母。摆动导杆机构：大齿轮(包括销钉)，滑块、导杆，滑块等。凸轮机构：凸轮和推杆(包括滚子) 。棘轮机构：扇形齿轮，棘爪和棘轮。组成上述各机构用的皮带轮、皮带，齿轮、螺杆、螺母、滑块，导杆、凸轮，椎杆、棘爪、棘轮等，以及联接用的螺栓、销钉等，支承用的轴、机架等都叫做零件。离合器、轴承等叫做部件或组件。9牛头刨床传动系统机构简图2.2 牛头刨床主运动工作原理1.牛头刨的主运动原理就是曲柄摇杆机构。将旋转运动转变成直线往复运动，滑枕为主运动，工作台做进给运动。和铣床有其相同之处，是可以合二为一的，龙门刨床就可以改造为龙门铣床，将横梁和立柱上的刀架改为铣刀头，形成主运动。将工作台的主运动改为慢走刀，形成进给运动2.摇臂机构安装在刨床内部，其作用是把电机传来的旋转运动变成滑枕的往复直线运动。摇臂机构是由摇臂齿轮和摇臂等组成，如图。摇臂的下端与支架相连；上端与滑枕的螺母相连。摇臂的滑槽与摇臂齿轮上的偏心滑块相连。当摇臂齿轮由小齿轮带动旋转时，偏心滑块带动摇臂绕支架中心左右摆动，使滑枕作往复直线运动。 图 2-5 牛头刨床传动系统机构简图10图 2-7 摇臂机构刨削前，要调整滑枕的行程大小，使之略大于工件刨削表面长度。调整滑枕行程长度的方法是改变摇臂齿轮上滑块的偏心位置，转动方头便可使滑块在摇臂齿轮的导向槽内移动，从而改变其偏心距。偏心距越大，滑枕的行程越长。刨削前，还要根据工件的左右位置来调节滑枕的行程位置。方法是先使摇臂停留在极右位置，松开锁紧手柄，用扳手转动滑枕内的圆锥齿轮使丝杆旋转，从而使滑枕右移至合适位置，然后拧紧手柄。 图 2-8 棘轮机构棘爪架空套在丝杆轴上，棘轮由键和丝杆相联。摇臂轴旋转时，通过齿轮转动，带动偏心销，使连杆拉动棘爪架往复摆动。摇臂齿轮轴每转动一周，刨刀往返一次，棘爪架即往复摆动一次。棘爪架上装有棘爪，借弹簧压力使棘爪与棘轮保持接触。摇杆向前摆动时，棘爪的垂直面推动棘轮；摇杆向后摆动时，棘爪的斜面从棘轮上滑过，而棘轮不动。因此棘爪架每往复摆动一次，即推动棘轮向前转动若干齿，从而使工作台沿水平方向移动一定距离，实现自动进给。改变棘爪的前后方向，即可改变工作台的进给方向。若将棘爪提起，则棘爪与棘轮分离，自动进给停止，此时，可用手动进给。 工作台进给量的大小，可通过调整棘轮罩的位置，即使棘轮罩遮住棘爪摆动范围内的部分棘齿，改变棘爪每次拨动的有效齿数进行改变。调节进给量的另一种方法是改变偏心销的偏心距离，偏心距小，则每次棘爪每次拨动的齿数少，进给量就小；反之进给量就大。 刨削加工的主运动为刨刀的直线运动，刨削为单向加工，向前为加工行程，返回为空程。刨刀每次返回后，工件作横向的间歇移动是进给运动。牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，11刨头由曲柄带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程 H 中，前后各有一段 0.05H 的空刀距离，工作阻力 F 为常数；刨刀左行时，即为空回行程，此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，凸轮通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。为了提高切削的工作效率，提高切削质量，延长刨刀的使用寿命。对作往复直线运动的刨刀应该具有急回特性。所以牛头刨床主运动机构采用的是摆动导杆机构，该机构是由曲柄滑块机构演化而来的，并且最主要是具有急回特性。一般牛头刨床都是由滑枕带着刨刀作水平直线住复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。12第三章 阐述平面四杆机构原理3.1 平面四杆机构的基本性质3.1.1 曲柄存在的条件：1、连架杆或机架中必须有一个最短杆2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（杆长条件）三种基本类型的判别方法：满足杆长条件时：a 取连架杆为最短杆，可得到曲柄摇杆机构b 取机架为最短杆，可得到双曲柄机构c 取连杆为最短杆，可得到双摇杆机构不满足杆长条件：无论取何杆为最短杆，只能得到双摇杆机构3.1.2 死点位置：1、定义：连杆与从动件共线的位置叫做四点位置2、利弊：弊：容易时机构卡死，破害机器从而使机器不能够正常运作。对于传动机构有以下三种方法可以克服死点位置。第一，利用惯性（在从动件上安装飞轮度过死点）第二，增设辅助机构如下图 2-14 所示。第三，采取多组机构错列。利：可以利用死点位置来制作夹紧装置来夹紧工件或其它物体。图 3-1 辅助机构（CF 为辅助构件）3.2 平面连杆机构的特点1.平面连杆机构是若干个构件用平面低副（转动副、移动副）连接而成，各构件在相互平行的平面内运动，又称为平面低副机构。2.由于平面连杆机构能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，且低副不易磨损而又易于加工，以及能由本身几何形状保持接触等特点，因此广泛应用于各13种机械及仪表中。平面连杆机构的不足之处主要有两点，其一是连杆机构中作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡，其二是连杆机构较难准确实现任意预期的运动规律，设计方法较复杂。3.连杆机构中应用最广泛的是平面四杆机构，它是构成和研究平面多杆机构的基础 236。3.3 四杆机构的组成平面四杆机构是由一些刚性构件用转动副和移动副相互连接而组成的在同一平面或相互平行平面内运动的机构。四杆机构是由转动副连接起来的、其中一个杆为机架的平面四杆机构。如下图 3-2 所示，被固定的杆成为机架，不直接与机架相连的杆成为连杆，与机架相连的杆 1 和杆 3 称为连架杆。凡能作整周回转的连架杆曲柄,只能作往复摆动的连架杆称为摇杆。图 3-2 平面四杆机构3.4 平面四杆机构的类型图 3-3如图 3-3 所示，所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式。其它型式的四杆机构都可以看成是在它的基础上通过演变而成的。在此机构中，构件 4 称为机架，与机架以运动副相联的构件 1 和 3 称为连架杆。在连架杆中，能绕其轴线回转 360 者称为曲柄，仅能绕其轴线往复摆动的，称为摇杆。不与机架相联的构件 2 做平面复杂运动，称为连杆。按照两连架杆运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为三种基本型式。3.4.1 曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲14柄摇杆机构。如下图 3-4 所示，当主动曲柄 AB 会转时，摇杆 CD 作往复摆动。图 3-4 曲柄摇杆机构主要应用在剪板机、牛头刨床横向近给机构、搅拌机、破碎机以及缝纫机的踏板机构等机构中。3.4.2 双曲柄机构两连架杆均为曲柄的机构称为双曲柄机构。如下图 3-5 所示，当主动曲柄AB 回转一周时，CD 同样也时回转一周。图 3-5 双曲柄机构主要应用在机车轮联动装置以及车门启闭机构。在双曲柄机构中，若两组对边的构件长度相等，则可得平行四边形机构和反平行四边形机构。平行四边形机构特点是：两曲柄的回转方向相同，且角速度时时相等，连杆做平动。反平行四边形机构中的两曲柄回转方向相反，且角速度不等。3.4.3 双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。15如下图 3-6 所示，当摇杆 AB 在一定范围内摇摆时，此时摇杆 CD 也只能在一定范围内摇摆。图 3-6 双摇杆机构主要用于自卸翻斗装置、港口起重机、飞机起落架等机构中3.5 平面四杆机构的演化除了上述铰链四杆机构外，工程实际中还广泛应用着其它类型的四杆机构，这些四杆机构都可以看作是由铰链四杆机构通过不同的方法演化而来的，掌握这些演化方法，有利于对片面连杆机构进行创新设计。四杆机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要等。各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同的或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。其四杆机构的演化方法如下：（1） 改变构件的形状和运动尺寸 16偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构双滑块机构 正弦机构ss=l sin 由此可知，移动副可认为是转动中心在无穷远处的转动副演化而来。（2）改变运动副的尺寸 偏心轮机构(3) 选用不同的构件为机架 运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。17摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构（4）运动副元素的转换对于移动副元素的包容关系进行逆换，也可演化成为不同的机构。导杆机构 摇块机构4 3213214由上述可见，四杆机构的型式虽然多种多样，但根据演化的概念为我们归类研究这些四杆机构提供方便，反之，我们也可根据演化的概念，设计出型式各异的四杆机构。3.6 急回运动理论与实现3.6.1 极位夹角的定义在如图所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄为原动件，并以等角速度顺时针转动。曲柄回转一周，摇杆 往复摆动一次。曲柄 在回转一周的过程中，有CDAB两次与连杆 共线，使从动件 相应地处于两个极限位置 和 ，此时原动BC1CD218件曲柄 相应的两个位置之间所夹的锐角 称为极位夹角AB3.6.2 急回运动的理论 当曲柄 由 位置转过 角至 位置时，摇杆 自 摆至 ，ABC1O2ABCD12设其所需时间为 ，则点 C 的平均速度即位 ，当曲柄由 继续1T121/VTAB转过 角至 位置时，摇杆自 摆回至 ，设其间所需时间为 ，则点2O2D2TC 的平均速度即为 ，由于 ，可知21/VT128080O，则 。由此可知，当曲柄等速回转时，摇杆来回摆动的平均速度12T1不同。由 摆至 时平均速度 较小，一般做工作行程，由 摆至D2C1V2CD时平均速度 较大，作返回行程。摇杆回程速度较大的这种特性称为机构1CV的急回特性。通常用行程速度变化系数 来表示这种特性：K21K从 动 件 空 回 行 程 平 均 速 度从 动 件 工 作 行 程 平 均 速 度211280VTO图 3-5 曲柄摇杆机构的急回特性3.6.3 急回运动的实现1. 由上面分析可知，连杆机构由无急回作用取决与极位夹角。不论曲柄摇杆机构或者是其它类型的连杆机构，只要机构在运动过程中具有极位夹角 ，19则该机构就具有急回作用。极位夹角愈大，行程速度变化系数 也就愈大，机K构急回作用就愈明显，反之亦然。若极位夹角 ，则 ，机构没有急回特性0457。2. 在设计机器时，利用这个特性，可以使机器在工作行程速度小些，以减小功率消耗；而空回行程时速度大些，以缩短回程时间，提高机器的工作效率。通常根据工作要求预先选定行程速度变化系数 ，再由下式确定机构的极位夹角 ： 180k3. 行程速比系数 k为了表明机构急回运动的急回程度，可用摇杆摆回平均速度与摆出平均速度的比值来衡量，该比值称为反正行程速比系数（简称行程速比系数或行程速度变化系数） ，用 K 来衡量，即 1802112 tvk上式表明，当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性。 角愈大，K 值愈大，机构的急回运动性质也愈显著。4.急回特性的作用：可以缩短非生产时间，提高生产率。第四章 牛头刨床主运动机构尺寸的设计4.1 牛头刨床主运动的尺寸设计4.1.1 设计要求与参考数据1、刨刀所切削的工件长度为 L，并要求刀具在切削工件前后各有一段约0.05L 的空行程；2、为保证加工质量，要求刨刀在工作形成时速度比较均匀，许用速度不均匀系数 =10%；L3、为了提高生产效率，要求刨刀的往复切削运动具有急回特性，其行程速比系数 K 控制为 1.42.0；4、导杆的最大压力角为最小值。 5、设计参考数据：曲柄转速 n=48，机架 L=380,工件长度 L=310, 行程速比系数 k=1.46204.1.2 设计所确定的机构并按比例绘制出机构的运动简图21图 4-1 刨削主体机构（六杆导杆机构）设计图1、根据运动设计要求( =1.46)，可得该机构的极位夹角为：k 根据原始数据，行程速比系数 K=1.46，则原动件杆 4 的极位夹角 6.3180k由导杆的运动特性可知，导杆的角行程 33.66，由此可得到导杆的两个极限位置 和1CD2曲柄 2 mlOA102sin43、根据运动要求，设刨刀的行程为 H，则可得到其行程 H 为：H=310+20.0531O=341导杆 4 lBO 8.53.16sin24i连杆 5 mlBC8.5.04由此可确定铰链 D 的相应位置 和 （ 和 两点的水平距离为 H）12D124、为使机构在运动过程中具有良好的传力特性，特要求设计时使得机的最大压力角具有最小值，因此经分析得出：只有将构件 的移动导路中心线12E22取在图示的位置（即 和 两点铅垂距离的中点位置），才能保证机构运动过1D2程的最大压力角具 有最小值。max5、根据以上要求，选定机构的许用压力角 ，则构件 DE 的长度30为： mLDE 5.230sin.si2436、合理选择固定铰链 A 的位置(LAC=38 0)，则即可确定曲柄 AB 的长度为：LACB12si7、综上所述，在满足设计要求的前提下，主运动的相关机构尺寸为： 3.6mH4LAB10CD5.2E34.2 牛头刨床主运动的设计方案4.2.1 主执行机构的设计参考方案实际应用中，为了提高生产效率、保证产品质量，常常要求机械的工作行程能够匀速慢进、空回行程能够快速退回，这就需要应用极回机构。通过以上的结构要求分析可得到如下结论：刨削主体机构系统的特点是，由曲柄的回转运动转化成具有急回特性的往复直线运动，且要求执行件行程较大，速度变换平稳；在受力方面，由于执行件（刨刀）受到较大的切削力，故要求机构具有较好的传动特性。根据对牛头刨床主体刨削运动特性的要求，可以列出以下几个运动方案。方案（a） ，如图 4-2 所示，采用偏置曲柄滑块机构。结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随着行程速比系数 K 的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。23图 4-2 偏置曲柄滑块机构方案（b） ，如图 4-3 所示，由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。该方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案（a ）有所改进，但在曲柄摇杆机构 ABCD 中，随着行程速比系数 的增大，机构的最大压力角仍然较大，而K且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。图 4-3 曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构方案（c ），如图 4-4 所示，由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。该方案克服了方案（b）的缺点，传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。24图 4-4 摆动导杆机构和摇杆滑块机构方案（d），如图 4-5 所示，由摆动导杆机构和齿轮齿条机构组成。由于导杆作往复变速摆动，在空回形成中导杆角速度变化剧烈，虽然回程中载荷不大，但齿轮机构会受到较大的惯性冲击，而且在工作行程开始也会突然受到较大切削力的冲击，由此容易引起轮齿的疲劳折断，而且还会引起噪音和振动。此外，扇形齿轮和齿条的加工也较为复杂，成本较高。图 4-5 摆动导杆机构和齿轮齿条机构方案（e），如图 4-6 所示，由凸轮机构和摇杆滑块机构所组成。由于凸轮与摇杆滚子也为高副接触，在工作行程开始也会突然受到较大切削力冲击，由此引起附加动载荷，致使凸轮接触表面的磨损和变形加剧。当然，此方案的优点是：容易通过凸轮轮廓设计来保证执行件滑块在工作行程中作匀速运动。25图 4-6 凸轮机构和摇杆滑块机构对所构思出的机构方案进行论证及评价,从全面衡量得失来看，方案(c)作为刨削主体机构系统较为合理。其速度变换比较平稳,具有较好的传动特性。所以该机构的主运动方案就确定为方案