机械基础课程综合设计---牛头刨床机械系统.doc

第 页机械基础课程综合设计设计计算说明书设计题目 牛头刨床机械系统 - 机械 学院 机自 专业 2004 级 机自七 班姓名 学号 20041991 完成日期 7月11日 指导教师 设 计 任 务 书1.1 设计题目牛头刨床机械系统1.2 牛头刨床简介 牛头刨床是加工中小尺寸的平面或直槽的金属切削机床，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（执行构件之二）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。1.3 设计条件与要求 1）刨刀每分钟往复移动的次数可调，最小的每分种往复移动次数为15次（第一档），最大为80次（第六档），共六档，相邻两档每分种往复移动次数之比理论上应相等； 2）刨刀的行程h=150650mm，可用人工无级调整； 3）刨刀在一定范围内可随小刀架实现手动无级垂直进给； 4）刨刀往复运动的起始位置，在一定范围内可用人工无级调整； 5）工作台自动实现横向进给，且进给量可由人工无级调整； 6）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。当刨刀取最常用行程（400450mm）时，其行程速比系数k控制为1.42.0；7）第四档时，刨刀的行程h为400450mm，刨刀的切削力不超过4200n，刨刀的切入、切出空行程均为5%h；8）许用速度不均匀系数d=0.05。9）工作行程，切削平稳（刨刀切削速度尽可能近似为常数）。1.4 设计任务 1）完成各执行机构的选型与设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确定传动系统各轮齿数和模数，画出机构运动简图和转速图； 2）按工艺要求进行协调设计，画出各执行机构的工作循环图； 3）对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，并根据计算机计算结果画出刨刀位移图，速度图和加速度线图； 4）对主执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机计算结果，画出机构平衡力矩mb线图和固定支座反力fi线图（各构件的质量，质心的位置和过质心轴的转动惯量由设计者类比确定）； 5）自选传动部件进行强度、结构设计，画出装配图及部分零件图；6）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与该机现有传统设计不同的创新设计方案。设 计 目 录一机构的选择二设计原动件及传动系统方案三系统工作循环图四机构尺度参数确定五初定各构件的质量参数六主执行机构的运动分析七主执行机构的动态静力分析 八心得体会设 计 计 算 与 说 明主 要 结 果 一机构的选择 机构选型的任务是选择主执行机构、辅助执行机构（进刀机构和调节机构）。 1.1主执行机构的选型 牛头刨床的刨刀机构为主执行机构，是要求具有急回特性的转动为往复移动的机构。 1.1.1 按预期运动转换形式列出所有备选机构能实现这一动作要求的机构有曲柄滑块机构、移动导杆机构、正弦机构、凸轮机构、螺旋机构等。1.1.2 按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构由于牛头刨床需要传递很大的动力，而凸轮机构传递动力小，所以排除了凸轮机构。螺旋机构要受限于机构尺寸，所以也不宜采用。简单的四杆机构易造成干涉，并且力增益也不好，再加上尺寸也过大，所以经过小组讨论，采用曲柄滑块机构或者导杆机构的演化机构中的六杆机构。按照要求我们列出以下8中机构作为我们的备选机构 1.1.3 按工作特点筛选备选机构上述机构全部具有急回特性，且都可以获得比较均 匀的切削速度。但是（a）方案与其他方案相比，机构的尺寸比较大，并且双曲柄容易发生构件和运动间的干涉，并且在d、b处传动特性表现比较差，机构的动力特性相对较差，因此排除之。（b）、（c）、（d）三种机构属于同一种机构，都是2级机构，其中，（d）机构所含铰链较多，c处不可调，传动角较（b）、（c）机构的90度来说传动效率不好，传动特性有欠缺。相同原因，（e）、（f）、（g）、（h）方案的（e）机构的传力特性也相对于（f）、（g）差。（b）、（c）机构的比较：它们的不同之处在于后置机构的类型，机构（c）移动副较多，传动效率低，机构（b）的传动角不停变化，需要一定的尺度综合设计计算让其满足在90度的较小的范围内变化，用设计计算可以弥补机构（b）传力特性不好的缺点，所以两者比较选择（b）方案更为经济，但机构（b）的后置机构装配模式需要进一步改进。 （f）、（g）、（h）三个方案的机构同属于三级机构，它们普遍存在一个设计计算比较困难的缺点，但是它们的传力特性较其他的方案来说有很大的优势。并且方案（f）、（g）、（h）中，（f）方案机构的行程更大，行程计算更为轻松。转动副一端固定更有利于机构的运动稳定性，以提高机构的传力特性，则（g）方案机构更为优越，比较于方案（f），增加一个杆铰链，对于机构的布置和安装上相对复杂，并且构件和运动之间容易发生干涉，所以方案（g）更优越。综上所述，牛头刨床的主执行机构的备选方案就剩下2种：方案（b）和方案（g）因为方案（g）属于三级机构，最后我们选取了方案（b）。1.2辅助执行机构的选型 辅助执行机构是指控制工件运动的机构（如工作台进给机构）和调节机构（行程调节机构）。 1.2.1 控制工件运动的辅助执行机构的选型 课程设计中控制工件运动的机构所需要满足的动作要求是间歇移动，满足此运动要求的机构类型有：棘轮齿条机构、摩擦传动机构、从动件作间歇往复运动的凸轮机构、反凸轮机构、螺旋机构等等。 我们常采用棘轮齿条机构，及扇形齿轮齿条机构。 我们要实现的运动为：转动间歇移动 分别有以下几种方案：a. 槽轮机构：运动冲击较大，不适用于牛头刨床中 b.凸轮间歇机构：由于凸轮的槽数有限，对于机构空间占用上有限影响较大，则排除之。c.不完全齿轮机构：设计相对复杂，并且难以控制进给与空行程的配合过渡。 d.我们采取先把转动摆动的运动变化，再由摆动间歇转动，再连接螺旋机构实现间歇转动间歇移动的运动变化。运动的示意图如下图1图1受指导教师杜老师的指导建议下，我们把中间的扇形传动机构改为用杆件代替，这样有利于减少机器的成本费用。示意图如下图2：图2 1.2.2 调节机构的选型行程调节：行程调节机构是完成“执行机构行程能在一定范围内人工无级调整”这一功能的机构。我们的备选方案有：a. 用螺旋机构调节曲柄的长度的机构b. 齿轮齿条调节偏心距机构，如下图 我们采用了方案b，原因是此方案便于操作，并且以实现微调。二设计原动件及传动系统方案一电机的选择及传动系统的确定：传动系统的基本图形如下：电动机是系列化的标准产品。应课程设计需求我们采用异步交流电动机。系统由电动机到主执行机构曲柄的传动的总效率为，其中的传动过程为：电动机轴弹性联轴器v带传动第一级圆柱齿轮减速器轴承第二级圆柱齿轮轴承主执行机构则效率= 0.990.950.990.90.990.950.75=0.611-轴承的传动效率为0.99减速器传动效率为0.95v带传动效率为0.994-齿轮的传动效率为0.953-带的传动效率为0.9 主执行机构的效率取为0.75 根据设计要求刨刀行程为400-550mm时，刨刀的切削力不超过3500n，最大速度为0.8m/s那么电动机所需的功率至少为： p=f /=3.5*0.8/0.61=4.5kw，故选pe=5.5kw，ne=1440r/min，其型号为：y132s-4i=ne/n=29.6,选带传动的传动比i带=4,其基本直径d1=140mm，d2=560mm（根据功率及传动比） 第一级齿轮传动的传动比i1=4,其齿数z1=20，z2=80，模数m=4，直径d1=80mm，d2=320mm=第二级齿轮传动比i2=29.6/(4*4)=1.85，其齿数z3=65，z4=120，模数m=4，直径d3=260mm，d4=480mm。 三系统工作循环图 由凸轮设计可得主执行机构和进给机构的相对运动关系应该满足当刨刀在工作行程时不进给，在刨刀回程时进给。系统工作循环图如下： 四机构尺度参数确定1 主执行机构尺度综合设计任务书中的设计条件与要求中规定刨刀取最常用行程h为400mm500mm时机构的行程速比系数k控制为1.4-1.5，这个k和h对应关系并非必须严格遵守不得有误，它只是说明具有这种关系的机构在理论上及实践中都曾有良好的性能。本次设计的牛头刨床按k=1.4，h=400mm进行尺度综合。图6-1 牛头刨床选用的主执行机构如图（6-1）所示， 其中机架的长度ac取定为=500mm；de杆的长度取为=0.2。其他尺寸有行程速比系数和压力角确定，计算过程如下：a) 由k=1.4计算极位夹角 b) 由行程h和极位夹角求c) lcd=772cmd) 由=500mm和极位夹角计算曲柄长129cme) lde=154.4cm2 凸轮参数的确定根据控制工件运动的辅助执行机构的选型结果，牛头刨床的工作台进给机构中应该选择一个凸轮机构和一个棘轮机构，本次课程设计要求设计凸轮，根据牛头刨床工作台进给机构的工作要求，确定凸轮的推程角为140，远停角为30，回程角设计为120，近停角则为70。然后利用凸轮设计软件进行凸轮设计：用反转法绘出凸轮理论轮廓线，见04号图：通过上面的计算,牛头刨床机构简图上所有的尺寸已全部确定。五初定各构件的质量参数中点250502064 9480.05单位：质量-kg 转动惯量- 长度-mm六主执行机构的运动分析1 图解法：任务书上只要求每个同学对主执行机构的一个位置进行图解法运动分析，经小组讨论分组后，本人仅以当曲柄转到与右极限位置成60的位置，且以当牛头刨床工作在第六档，即曲柄的转速为5.04rad/s时进行运动分析，具体分析步骤与过程如下：a) 速度分析已知vb=w1*ab=5.04*0.129=0.65m/s, vb2= vb3 + vb2b3大小 0.65 ? ? 方向 垂直ab 垂直cb 沿cb杆向上选择合适的速度比例尺u=6.4（mm/s）又vb3=79*6.4=0.51m/s,vb2b3=29*6.4=0.19m/s再根据速度影象原理，可求出vd，可得vd=vb3*(cd/cb)=0.51*0.772/0.612=0.64m/sw2=w3=0.64/0.772=0.83rad/s 然后在根据速度合成原理，由求矢量 ve= vd + vde 大 小？已求？方 向水平作图并可求得：ve=0.61m/s,vde=0.17m/s w4=vde/lde=0.17/0.1544=1.1rad/sb) 加速度分析已知 a1=vb2/lab=0.652/0.1294=3.28m/s2 由速度分析所得结果，可计算出下面一些加速度的大小an3b=w32*lbc=0.832/0.772=0.89mm/s2a4n=w42*lde=0.112/0.1544=0.078 mm/s2ak3b2b=2*w3*v23=2*0.83*0.19=0.32mm/s2由加速度合成原理求a3b = an3b+ a t3b=a2b+ a3b2b+ ak3b2b大 小已求？已求？已求方 向选取u=30mm/s2，根据上式画出加速度多边形（见一号图的部分内容），根据几何关系可以求出：a3b2b=2.49 m/s2，at3b= 1.26m/s2再根据加速度影象原理，在加速度多边形上可画出的加速度矢量， 根据求，由加速度合成原理有 大 小？如图如图？方 向水平已求在同一加速度多边形图上，以相同的比例尺画出上式的加速度多边形，如1号图加速度部分所示。最后可求得 =2.00 m/s2 ，与解析法运动仿真结果一致 七主执行机构的动态静力分析当曲柄从右极限位置转过140度时其基本图形如下所示：以曲柄为原动件，化分基本杆组：滑块5和构件4组成一基本二级组，杆件3和滑块2组成另一基本二级组。各基本杆组： 分别对各基本杆组和原动件进行受力分析，其分析结果见1号图纸相关内容:一 de杆和滑块5力分析： pr + r5 + r34 + r65 + g5= 0大小3500n 127.3 ？ ？ 640n方向 水平 与其加速度方向相反 /de 竖直 竖直由力多边形得：r34=2600nr65=534n二 对cd杆和滑块2进行力分析由c点的转矩为零可求得 r23=3209.8nr43 + r23 + g3+ f gr3 + r63=0沿de杆 垂直cd杆 竖直 与其加速度方向相反 ？ 2580 3209.8 200 200 ？由力多边形可求出r63=1050n，方向如图 :三、对曲柄进行力分析 r21= r23=3209.8n r21 + g1 + r61=0 方向 垂直cd杆 竖直向下 ？大小 3209.8 90 ？由力多边形可求出r61=3195n，方向由力多边形直接得出 。 m= r21/ h= 28762n.m八心得与体会本次课程设计历时四周，综合性强，涉及面广，是对以往所学知识的一次综合演练。相关课程不仅包括机械原理，而且包括机械设计，机械制造，机械制图以及力学等方面的知识，同时还要查阅相关的资料，一环紧扣一环，需要同学们的努力和密切配合才能按时优秀地完成设计任务。我们组的设计内容是设计牛头刨床。由于牛头刨床是相当成熟的产品，我们首先查阅了很多的资料，了解了刨床的历史，型号，应用以及发展趋势等，并根据设计要求划分成了几个需要特别解决的问题，然后分组加以解决。首先要完成各执行机构的选型与设计计算和选择原动机，主要内容是主传动机构和进给机构的选型。主传动机构设计时要满足行程要求，急回特性要求，并居此设计出传动杆的杆长；传动机构主要实现转动到步进的转变，用棘轮来实现，另外要求满足进给的人工无级调节。这是设计的准备工作。其次