机械原理课程设计-牛头刨床机构的课程设计.doc

机械原理 目录课程题目与目的 1.1设计的题目 1.2设计的目的机构简介设计内容 3.1导杆机构的运动分析 3.2导杆机构的动态静力分析 3.3程序设计，速度，加速度 3.4飞轮的设计 3.5凸轮的设计 总结与体悟1.1题目：牛头刨床机构的课程设计目的：此课程设计主要以牛头刨床为主要设计对象，并依据具体设计数据对机构进行动静态分析与总结。从中学到以下个知识与技能。1. 通过本次设计，综合运用所学的知识，理论联系实际去分析和解决与课程相关的工程问题，并进一步巩固和加深所学的理论知识2. 得到拟定运动方案的训练，并且有初步的机械选型与组合及确定传动方案的能力，培养开发和创新机械产品的能力。3. 掌握机械运动方案设计的内容，方法，步骤，并对运动分析与设计有一个较完整的概念4. 进一步提高运算，绘图，表达及运用计算机和查阅有关技术资料的能力5. 通过编写说明书，答辩与及课后思考，培养表达，归纳，总结和独立思考的能力6. 通过以小组为单位，各人分工合作的路径，有效锻炼了集体意思及团队合作的能力。大大加深了对团队的理解与协作的理解2.1简介：牛头刨床是一种用于平面切屑加工的机床，主要由齿轮机构，导杆机构和凸轮机构等组成（图1-1所示及为其实物简图）。如图1-2所示即为本次课程设计的机型。电动机通过减速装置（图中只画出齿轮z1 ，z2）使曲柄2转动，再通过导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6与刨刀作往复切屑运动。工作行程时，刨刀速度要稳定，空回行程时，刨刀要快速退回，即要有机会作用。切屑阶段刨刀应近似匀速运动，以提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴o2上的凸轮驱动摆动从动件o7d和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了减小机械的速度波动，在曲柄轴o2上安装一调速飞轮。切屑阻力图1-2中。 此图为牛头刨床的实物简图1-1设计的牛头刨床的运动简图1-2：杆长lbc=135mm，摇杆摆动角度为33，行程速比系数为k=1.44898，在运动分析中即以转过75为例分析。 图1-2设计数据牛头刨床的设计具体参数如1-3图所示： 图1-3轮o1与轮o2为齿轮传动机构，其具体参数如下图： 飞轮机构的具体参数如下图： 以上数据即为本次设计的参数的具体数值大小，在以下的具体计算以及具体分析运动过程中均以具体数值为基本。 3.1导杆机构的运动分析【当曲柄位置为75】 速度分析由运动已知曲柄上a(a2，a3，a4)点开始，列两构件重合点间速度适量的方程，求构件4上a点的速度va4。因为 va2=va3=2lo2a=2xn2/60xlo2a=2xx60/60x0.11m/s=0.6908m/s va4 = va3 + va4a3 大小 ？ 方向 o4a o2a o4a 取极点p，按比例尺v=0.005（m/s）/mm作速度图（与机构简图绘在同一图样上），如图所示，并求出构件4（3）的角速度4和构件4上b点的速度vb以及构件4与构件3上重合点a的相对速度va4a3。因为va4=vpa4=0.005x124.11m/s=0.62m/slo4a=483.65mm4=va4/lo4a=0.62/0.48365=1.283rad/svb=4lo4b=1.283x0.54=0.69m/sva4a3=a4a3=0.005x58.37m/s=0.29185m/s对构件5上b、c点，列同一构件两点间的速度矢量方程： vc = vb + vcb 大小 ？ ？ 方向 xx bcvc=vpc=0.005x137.72m/s=0.69m/s5=vcb/lbc=0.005x16.72/0.135=0.62rad/s加速度分析由速度已知曲柄上a(a2 a3 a4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上a点的加速度aa4,因为：aa2=aa3=w2 lo2a =(2n2 /60)xlo2a =(2xx60/60)x0.11m/s2 =4.34m/s2an a4=w2 4lo4a=1.2832x0.48365=0.796m/s2a ka4a3=2w3va4a3=2x1.283x0.29185=0.75m/s2a n cb=w25 l cb=0.622x0.135=0.0519m/s2a a4 =a na4+a ta4=a a3+a ka4a3+a ra4a3取极点p,按比例尺0.01(m/s2)/mm做加速度图（与机构简图和速度分析矢量绘在同一样的图上）如下图所示，由影像原理求得构件4上b点和质心s4点的加速度ab和a s4,用构件4上的a点的切向加速度a ta4求构件4的角加速度度a4. aa4= uapa4=0.01x136.76=1.3676m/s2ab=uapb=0.01x152.69=1.53m/s2a s4=0.5ab=0.5x1.53=0.76m/s2a4=ata4/lo4a=0.01x111.21/0.43865=2.54rad/s2(顺时针)a c=a b + a cb + atcba c=uapc=0.01x134.02=1.34m/s2a5=atcb/lbc=0.01x71.3/0.135=5.281m/s2当曲柄为运动简析图中bc即为122时。 速度分析：速度分析由运动已知曲柄上a(a2，a3，a4)点开始，列两构件重合点间速度适量的方程，求构件4上a点的速度va4。因为 va2=va3=2lo2a=2xn2/60xlo2a=2xx60/60x0.11m/s=0.6908m/s va4 = va3 + va4a3 大小 ？ 方向 o4a o2a o4a 取极点p，按比例尺v=0.005（m/s）/mm作速度图（与机构简图绘在同一图样上），如图所示，并求出构件4（3）的角速度4和构件4上b点的速度vb以及构件4与构件3上重合点a的相对速度va4a3。va4=vpa4=0.005x114.53m/s=0.57m/slo4a=496.43mm4=va4/lo4a=0.57/0.49643=1.154rad/svb=4lo4b=1.154x0.54=0.62m/sva4a3=a4a3=0.005x28.88m/s=0.1444m/s对构件5上b、c点，列同一构件两点间的速度矢量方程： vc = vb + vcb 大小 ？ ？ 方向 xx bc vc=pc=0.005x123.23m/s=0.62m/s5=vcb/lbc=0.005x8.75/0.135=0.32rad/s加速度分析：由速度已知曲柄上a(a2 a3 a4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上a点的加速度aa4,因为：aa2=aa3=w2 lo2a =(2n2 /60)xlo2a =(2xx60/60)x0.11m/s2 =4.34m/s2an a4=w2 4lo4a=1.154x1.154x0.49643=0.66m/s2a ka4a3=2w3va4a3=2x1.154x0.1444=0.33m/s2a n cb=w25 l cb=0.32x0.32x0.135=0.013824m/s2a a4 =a na4+a ta4=a a3+a ka4a3+a ra4a3取极点p,按比例尺0.01(m/s2)/mm做加速度图（与机构简图和速度分析矢量绘在同一样的图上）如下图所示，由影像原理求得构件4上b点和质心s4点的加速度ab和a s4,用构件4上的a点的切向加速度a ta4求构件4的角加速度度a4.aa4= uapa4=0.01x81.81=0.82m/s2ab=uapb=0.01x88.99=0.89m/s2a s4=0.5ab=0.445m/s2a4=ata4/lo4a=0.01x48.34/0.49643=0.974m/s2a c=a b + a cb + atcba c=uapc=0.01x58.53=0.59m/s2a5=atcb/lbc=0.01x67.75/0.135=5.02m/s2以上两种情况分别为曲柄转过75和122时加速度与速度的瞬时分析，这种分析有助于后面的动态静力分析。取任意两点的目的也是为了消除特殊性，使计算更为准确。3.2动态静力分析(当曲柄位置为75时)首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力fi4（与as4反向）、构件4的惯性力矩mi4（与a4反向，逆时针）、构件4的惯性力平移距离lhd（方位：右上）、构件6的惯性力矩fi6（与ac反向）。 f14=m4as4=as4=0.76=15.49nm14=a4js4=2.541.1nm=2.79n/m lh4=m=0.180m=180mmfi6=m6as6=as6=1.34n=95.617n1.取构件5、6基本杆组为示力体（如图所示） 因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6做受力分析即可，首先列力平衡方程： fr65=fr56 fr54=fr45 fr16 + fr + f16 + g6 + fr56=0 大小 ？ ？ 方向 xx xx xx xx bc按比例尺f=10n/mm作力多边形，如图所示，求出运动副反力fr16和fr56。俩图均为杆件5，6的受力分析。按比例尺10n/mm作里多边形fr16=1045.48=454.8nfr56=10710=7100n 对c点列力矩平衡方程： fr16lx + f16ys6 = fryf + +g6xs6lx = =1590.860 mm2. 取构件3、4基本杆组为示力体（如图所示）首先取构件4，对o4点列力矩平衡方程（反力fr54的大小和方向为已知），求出反力fr34：fr54=fr45 fr34=fr43构件4的受力分析 fr54lh1+fi4lh2+g4lh3fr34lo4a=0fr34= 7100x536.05+15.49x399.19+200x32.58/483.65=7895.49n再对构件4列力平衡方程，按比例尺f=10n/mm作力多边形如图所示。求出机架对构件4的反力fr14： fr54 + g4 + fi4 + fr34 + fr14=0 大小 ？ 方向 bc xx o4a ？ fr14=10x87.77=877.7n3. 取构件2为示力体（如图所示） fr34=fr43 fr32=fr23 fr23+fr12=0 fr12=7889.73n fr32lh mb = 0mb=7889.73x99.35/1000=783.85n.m当曲柄位置为122时的动态静力分析。首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力fi4（与as4反向）、构件4的惯性力矩mi4（与a4反向，逆时针）、构件4的惯性力平移距离lhd（方位：右上）、构件6的惯性力矩fi6（与ac反向）。 f14=m4as4=as4=0.445=9.07n m14=a4js4=0.9741.1nm=1.07n/mlh4=m=0.180m=118mmfi6=m6as6=as6=0.59n=42.0998n1.取构件5、6基本杆组为示力体（如图所示） 因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6做受力分析即可，首先列力平衡方程：构件5.6的受力分析构件5.6的受力简图 由于 fr65=fr56 fr54=fr45 fr16 + fr + f16 + g6 + fr56=0 大小 ？ ？ 方向 xx xx xx xx bc因此可以做出里多边形：按比例尺f=10n/mm作力多边形，如图所示，求出运动副反力fr16和fr56。 fr16=1032.89=328.9nfr56=10705.19=7051.9n 对c点列力矩平衡方程： fr16lx + f16ys6 = fryf + +g6xs6lx = =2219.8 mm4. 取构件3、4基本杆组为示力体（如图所示）首先取构件4，对o4点列力矩平衡方程（反力fr54的大小和方向为已知），求出反力fr34：fr54=fr45 fr34=fr43 fr54lh1+fi4lh2+g4lh3fr34lo4a=0 fr34= 2051.9x538.66+9.07x277.24+200x18.67/496.43=2239.04n再对构件4列力平衡方程，按比例尺f=10n/mm作力多边形如图所示。求出机架对构件4的反力fr14： fr54 + g4 + fi4+ fr34+ fr14=0 大小 ？ 方向 bc xx o4a ？ fr14=10x49.67=496.7n3.取构件2为示力体（如图所示） fr34=fr43 fr32=fr23 fr23+fr12=0 fr12= fr32lh mb = 0mb=2239.04x107.23/1000=240.09n.m以上数据即为曲柄转过75即122时的动态静力分析。3.3齿轮的设计 齿轮传动系统的作用通常是实现减速、增速和变速，有时也用作实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动机的输出功率和转矩传递给执行机构。 通常要把原动机的输出运动传给执行机构，仅选用一种传动装置或机构的情况较少见，大多数情况是选择若干种传动装置或机构合理地加以组合布置，构成一个传动系统，才能实现预期的工作要求。： 主动轮的转速nd=60r/min,执行机构原动件的设计转速为nr，则传动装置系统的总传动比 此轮具体参数如下图：所使用的是公制齿轮，齿轮模数m=6分度圆直径：d1=mz1=6x10=60mm d2=mz2=6x40=240mm中心距a= (d1 +d2)/2=150mm这样就能保证俩齿轮按定传动比传动i=z2/z1=40/10=4因为n2=60r/min，则n1=240r/min.所用的为公制齿轮，齿顶圆直径da1=mz1+2ha*m=6x10+2x1x6=72mm,da2=mz2+2ha*m=240+2x1x6=252mm.齿根圆直径df1=mz1-2ha*m-2mc* =6x10-2x1x6-2x6x0.25=45mm,df2=mz2-2ha*m-2mc*=6x40-2x1x6-2x6x0.25=225mm.由以上计算数据可以做出齿轮完全啮合时的装配图：3.4程序设计 #define pai 3.1415926#include#includevoid main()int i=0,lo2a=110,lbc=135,lo2o4=380,lo4b=540,n=60,fr=7000,g6=700,g4=200,yf=80,ys6=50,xs6=240,lx,lo4s4;double ox=290.82,oy2=-148.44,oy4=-528.44,js4=1.2,a,b,lo4a,bl,bc,jio4,jic,ji1,jij,ji2,ji3,ji4,lo4c;double ax,ay,bx,by,cx,h,j,va,vax,vay,vbx,vby,v34,va4x,va4y,va4,vbc,vb,vc,w4,aa2,aa2x,aa2y,aa4n,aa4t,aa4tx,aa4,aa4x,aa4y,a43k,a0,as4,ab,abx,aby,abcn,abct,ac,fi6,f1,g,fr56,fr56x,fr56y,fr16,lx,fr45,ba4,fi4,fi4x,fi4y,jif1,jif2,mi4,lh4,lh5,lh1,lh2,lh3,mfi4,mg4,mr54x,mr54y,fr34,fr34x,fr34y,fr14,fr14x,fr14y,fr12,fr32,fr32x,fr32y,mb;file *fp; if(fp=fopen(file1,w)=null) printf(can not open this file.n); exit(0); for(i=0;i360;i=i+2)j=i*pai/180;ax=ox+cos(j)*lo2a;ay=oy2+sin(j)*lo2a;/求b点位置lo4a=sqrt(ax-ox)*(ax-ox)+(ay-oy4)*(ay-oy4);bl=lo4b/lo4a;bx=ox-bl*(ox-ax);by=oy4+bl*(ay-oy4);/c点位置bc=sqrt(lbc*lbc-by*by);cx=bx-bc;/速度分析jij=asin(110.0/380.0);vax=sin(j)*2*pai*n/60*0.11;vay=cos(j)*2*pai*n/60*0.11;va=sqrt(vax*vax+vay*vay);a=fabs(ax-ox);jio4=atan(a/(ay-oy4);b=fabs(by);jic=atan(b/bc);h=sin(jij)*2*lo4b;/进程if(j=(2*pai-jij)if(jpai/2)&(j1.5*pai)&(j=pai/2)|(j0) vc=cos(jio4)*vb+sin(jic)*vbc;else vc=cos(jio4)*vb-sin(jic)*vbc;elseif(by0) vc=cos(jio4)*vb-sin(jic)*vbc;else vc=cos(jio4)*vb+sin(jic)*vbc;if(by=0) vc=vbx;vc=fabs(vbx)/vbx*vc;/加速度分析/a点aa2=2*2*pai*pai*n*n*0.11/3600;aa2x=cos(j+pai)*aa2;aa2y=sin(j+pai)*aa2;aa4n=w4*w4*lo4a/1000;a43k=2*w4*v34;if(j=0)&(j=pai/2)&(j=pai)&(j=pai+jij)&(j=3*pai/2)&(j=2*pai-jij)&(j2*pai)a0=sin(5*pai/2-j-jio4)*aa2;aa4t=a0-a43k;aa4x=-sin(jio4)*aa4n-cos(jio4)*aa4t;aa4y=sin(jio4)*aa4t-cos(jio4)*aa4n;aa4=sqrt(aa4x*aa4x+aa4y*aa4y);/b点abx=bl*aa4x;aby=bl*aa4y;ab=sqrt(abx*abx+aby*aby);/c点jic=atan(by/bc);abcn=vbc*vbc/0.135;if(abx0)abct=(aby+sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx-cos(jic)*abcn-sin(jic)*abct;if(abx0)&(aby0)abct=(aby-sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx+cos(jic)*abcn-sin(jic)*abct;if(abx0)&(aby0)&(aby0)abct=(aby+sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx+cos(jic)*abcn+sin(jic)*abct;as4=ab/2;/动态静力分析g=9.81;lo4s4=lo4b/2;fi6=ac*g6/g;if(j=0)&(jpai+jij)|(j=2*pai-jij)&(cx0.05*h)&(cx0)fr16=g6-sin(jic)*fr56;fr56x=cos(jic)*fr56;fr56y=sin(jic)*fr56;elsefr16=g6+sin(jic)*fr56;fr56x=-cos(jic)*fr56;fr56y=-sin(jic)*fr56;lx=(g6*ys6-fi6*xs6)/(fr16);ba4=(aa4t)*1000/(lo4a);mi4=ba4*js4;fi4=g4*as4/g;fi4x=-0.5*g4*abx/g;fi4y=-0.5*g4*aby/g;lh4=mi4*1000/fi4;jif1=acos(fabs(fi4x)/fi4);jif2=pai/2-jif1;lh3=fabs(ox-bx)/2;mr54x=-fr56x*(by-oy4);/*ji3=atan(-oy4)/(ox-cx);ji4=ji3+jic;lo4c=sqrt(oy4*oy4+(ox-cx)*(ox-cx);lh1=sin(ji4)*lo4c;*/if(j=pai/2)&(j=0)&(fi4y=0)ji2=jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)if(jif2jio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4y0)&(fi4yjio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elsemr54y=fr56y*(bx-ox);mg4=g4*lh3;if(fi4x=0)&(fi4y=0)if(jif2jio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;if(fi4x0)ji2=jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=-fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4yjio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4y=pai/2)&(j=0)&(j=pai/2)&(j=pai)&(j=3*pai/2)&(j2*pai) mb=-fr32x*(oy2-ay)-fr32y*(ax-ox);mb=-mb/1000;ac=-ac;/printf(ax=%f ay=%f bx=%f by=%f cx=%fn,ax,ay,bx,by,cx);/printf(vax=%fvay=%fvbx=%fvby=%fvc=%fn,vax,vay,vbx,vby,vc);/printf(aa2x=%faa2y=%fabx=%faby=%fac=%fn,aa2x,aa2y,abx,aby,ac);/printf(%d%f%f%f %fn,i,cx,vc,ac,mb);fprintf(fp,%d%f%f%f %