牛头刨床课程设计.doc

.大学 机械原理课程设计计算说明书设计题目： 牛头刨床设计 专 业： 机械类 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2012.6.25-2012.7.5 目 录1、 设计任务 2、 牛头刨床的工作原理与机构组成 3、 设计参数 4、 导杆机构尺寸的确定 5、 导杆机构的运动分析 6、 导杆机构的动态静力分析 7、 凸轮机构的设计 8、 飞轮机构的设计 9、 齿轮机构的设计 10、 设计小结 11、 参考文献 一、设计任务1 牛头刨床刀杆机构的运动综合、运动分析和动态静力分析；2 对牛头刨床传动装置中行星轮机构、齿轮机构进行综合。2、 牛头刨床简介及工作原理 图1 牛头刨床机构简图及阻力曲线图 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。牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床 ，如图1.电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机 构2 -3-4-5-6 带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头向右时，刨刀进行切削，这个行程称工作行程，刨头受到较大的切削力，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量。刨头左行时 ，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过4杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构，使工作台连同工件一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力，而空回行程中则没有切削力。因此刨头在整个运动循环中，受力是变化很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需要安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减少电机容量。三、设计参数导杆机构 运动分析工作行程h行程速比系数 k483801105400.250.5240503101.4导杆机构的动态静力 分析2007004500801.1飞轮转动惯量的确50.40.20.2凸轮机构的设计从动件最大摆角推程远休止回程1512540751075齿轮机构的设计10030063.5204、 导杆机构的尺寸确定在这里只要确定导杆机构的x-x距o2的距离，有机构简图得：bo4o2=arcsin(110/380)=16.8bb距o4的距离为540*cos（16.8）=516.9 ( mm)因为x-x位于导杆端点b所做圆弧高的平分线上，所以x-x距o4的距离为：s=516.9+（540-516.9）/2=528.45 (mm)5、 导杆机构的运动分析 5.1 对4位置进行图解法分析 先对曲柄分析得： va 2 =1 * lao2 =48/60*2*3.14*0.11=0.553 (m/s) 取比例尺 1=0.553/20=0.02765（m/s/mm）对a点速度分析： 绝对加速度=牵连加速度+相对加速度 va4 = va2 + va4a2 方向： o 4a ao2 ao4 大小： ? 0.553 ?有图解法解得： va4 =0.525 (m/s) va4a2=0.185 (m/s)从而得: vb4 =4* lbo4= va4 /lao4*lbo4=0.525/0.486*0.540=0.583 (m/s)对c点速度分析： 绝对加速度=牵连加速度+相对加速度 vc6 = vb4 + vc6b4 方向： 水平 bo2 bc 大小： ？ 0.583 ？有图解法解得： vc6b4=0.182（m/s） vc6 =0.554 (m/s) （向右） 经分析要求c点加速度，得先求b点加速度，而要求b点加速度，则需要求出a点的加速度。对a点的加速度分析得 绝对加速度=牵连加速度+相对加速度+科氏加速度 aa =a n a + a a = a n o 2 + a ra4a3 + a ka4a3方向：？ b a 丄 a o 2 丄大小：？ 42lao4 ? 22lao2 ? 24va4a2 0.567 2.779 0.3994取比例尺 2=2.779/20=0.139（m/s/mm）有图解法解得： aa =1.112 (m/s2) a n a =0.567 (m/s2) a a =0.957 (m/s2)对b点加速度分析得：a n b = 42 * lbo4 = 0.629 (m/s2) a b = a a *l bo4 / lao4 =1.063 (m/s2)对c点加速度分析得： 绝对加速度= 相对加速度 +牵连加速度 ac = a ncb + a cb +ab 方向：水平 bc 丄bc 图中已画 大小： ？ 0.244 ？ 1.235取比例尺 3=1.235/90=0.01372（m/s/mm）有图解法解得： ac=0.854（m/s2) (向右)5.2对8位置进行解析法分析： y sc8 4 l4 l6 1 l3 l1 s3 l6 3 x 有图得向量方程： l6 + l1 = s3 l3+ l4 = l6+ sc8写成投影方程得： s3 cos3 = l1 cos1 s3 sin3 = l6 - l1 sin1 l3 cos3 + l4 cos4 - sc 8 = 0 l3 sin3 + l4 sin4 = l6已知：l1 =110 mm；l3 =540mm;l6=528mm;l4=135mm; l6 =380mm; 1=13.17求得： 3=arctan(l6 - l1 sin1)/ l1 cos1)=73.2 4=arcsin(l6 - l3 sin3 )/ l4 )=175.3 s3=l1 cos1 / cos3 =370.57mm然后对其求一次导来求速度：列出矩阵形式：cos3 - s3 sin3 0 0 s3 - l1 sin1 sin3 s3 cos3 0 0 3 = 1 - l1 cos1 0 -l3 sin3 -l4 sin4 -1 4 0 0 l3 cos3 l4 cos4 0 vc8 0 化简得：cos3 s3 - s3 sin3 3=- l1 sin1 1sin3 s3+ s3 cos3 3= - l1 cos1 1 0.289s3-0.354753=-0.1259780.951s3+0.107113=-0.53838解得： s3=-0.555 (m/s) 3 = -0.097 （rad/s）继续化简得：l3 cos3 3+l4 cos44=0 4 = 0.11256（rad/s）-l3 sin3 3 -l4 sin4 4 -1vc8=0 vc8 =0.049 (m/s)（向右） 在对其求二次导数来求加速度： cos3 - s3 sin3 0 0 s3 - l1 sin1 sin3 s3 cos3 0 0 3 l1 cos1 0 -l3 sin3 -l4 sin4 -1 4 = 1 0 l3 cos3 l4 cos4 0 c8 0 0 -3 sin3 -s3 sin3 - s3 3 cos3 0 0 s3 3 cos3 s3 cos3 - s3 3 sin3 0 0 3 0 - l3 3 cos3 - l4 4 cos4 0 4 0 - l3 3 sin3 - l4 4 sin4 0 vc8化简得：cos3 s3-s3 sin3 3=3 sin3s3+s3 sin3 3+s3 32c os3- 1 l1 sin1 sin3 s3+s3 cos3 3= -3 cos3 -s3 cos3 +s3 3 sin3 +1 l1 cos1 0.289 s3-0.355 3=-2.6020.9513s3+0.10713=0.605 解得： 3=7.19372（rad/s2） s3=0.177 (m/s2)继续化简得： l3 cos3 3+l4 cos44 =l3 3 2sin3 +l4 4 2sin4 4 =8.3075（rad/s2）-l3 sin33 -l4 sin4 4 -c8=l3 32 cos3 +l4 4 2cos4 c8=-3.81 (m/s2)（向左）5.3对12位置进行解析法分析： y sc12 4 l4 l3 l6 1 l1 l6 3 x 有图得向量方程： l6+l1=s3 l3+l4=l6+sc12写成投影方程得： s3 cos3 = l1 cos1 s3 sin3 = l6 - l1 sin1 l3 cos3 +l4 cos4 - sc12 =0 l3 sin3 + l4 sin4=l6已知：l1 =110 mm；l3 =540mm;l6=528mm;l4=135mm;l6 =380mm; 1=46.83求得： 3=arctan(l6-l1 sin1)/l1 cos1)=75.9 4=arcsin(l6-l3 sin3 )/l4 )=1.805 s3=l1 cos1 / cos3 =308.923mm然后对其求一次导来求速度：列出矩阵形式： cos3 - s3 sin3 0 0 s3 - l1 sin1 sin3 s3 cos3 0 0 3 - l1 cos1 0 -l3 sin3 -l4 sin4 -1 4 =1 0 0 l3 cos3 l4 cos4 0 vc12 0 化简得：cos3 s3- s3 sin3 3=- l1 sin1 1sin3 s3+ s3 cos3 3= - l1 cos1 1 0.2436s3-0.299623=-0.40330.96987s3+0.0752583=-0.3783解得： s3=-0.465 (m/s) 3 = -0.968 （rad/s）继续化简得： l3 cos3 3+l4 cos44=0 4 = 0.9435 （rad/s） -l3 sin3 3 -l4 sin4 4 -1vc12=0 vc12 =-0.511 (m/s)（向左） 在对其求二次导数来求加速度： cos3 - s3 sin3 0 0 s3 - l1 sin1 sin3 s3 cos3 0 0 3 = 1 l1 cos1 0 -l3 sin3 -l4 sin4 -1 4 0 0 l3 cos3 l4 cos4 0 c12 0 -3 sin3 -s3 sin3-s3 3 cos3 0 0 s3 3cos3 s3 cos3-s3 3 sin3 0 0 3 0 - l3 3 cos3 - l4 4 cos4 0 4 0 - l3 3 sin3 - l4 4 sin4 0 vc12化简得：cos3s3-s3sin33=3sin3s3+s3sin33+s332cos3-1l1 sin1 sin3 s3+s3 cos33= -3 cos3 -s3 cos3 +s3 3 sin3 +1l1 cos1 0.2436 s3-0.29973=-2.7040.96987s3+0.07533=2.5626 解得： 3=10.4824（rad/s2） s3=1.797 (m/s2)继续化简得：l3 cos3 3+l4 cos44 =l3 3 2sin3 +l4 4 2sin4 4 =-6.5566（rad/s2）-l3 sin33 -l4 sin4 4 -c8=l3 32 cos3 +l4 4 2cos4 c12=5.705 (m/s2)（向右）六、导杆机构的动态静力分析 6.1在4位置时的动态静力分析.分析过程： 在分析动态静力的过程中可以分为刨头，摇杆滑块，曲柄三个部分。 首先来说明刨头的力的分析过程： 对于刨头可以列出以下力的平衡方程式： f=0 p + g 6 + f i6 + f45 + f 16 = 0 方向： x 轴 y 轴 与 a 64 反向 bc y 轴 大小： 4500 700 -m6a 64 ? ? 以作图法求得: f45 = 4620 n f16 = 210 n对c点列力矩平衡方程式： mc=0 p*yp +g6*xs6+ fi6 *ys6+f16*x=04500*0.08+700*0.24+210*x+59.78*0.05=0 x=-2.53 m (右侧)我们还可以得到： f65=f45=4620 n 对摇杆滑块 机构可以列出以下平衡方程： 对o 4列出力矩平衡方程： mo 4=0 f54*h54 -f34*xao 4-mi4 -g4*h4-fi4*xs 4o 4=0 4620*0.545-f34*0.4863-1.1*1.122/0.4863-22.4*0.27-700*0.015=0 f34=5153 n f=0 g 4 + f i4 + f54 + f 14 + f 34= 0 方向： y 轴 a 4 bc ? o 4b 大小： 200 m4a4 4620 ? 5153 有图解得： f 14 =600 n 也可知 ： f 32=f 34=5153 n 对曲柄2分析列平衡方程得： f 12=f 32 =5153n mc= f 32*cos（13.13） *0.11=552 n*m （顺时针）6.2对8点的动态静力分析： 对于刨头可以列出以下力的平衡方程式：f=0 p + g 6 + f i6 + f45 + f 16 = 0方向： x 轴 y 轴 与 a 68 反向 bc y 轴大小： 4500 700 -m6a 68 ? ? y f45 g6 f16 p fi6 x f45*cos（）=p+ fi6 f45=(4500+3.81*70)/cos（4.7） f45 = 4744.5 n g6 -f45*sin（）=fi6 f16 = 311.24 n对c点列力矩平衡方程式：mc=0 p*yp +g6*xs6+ fi6 *ys6+f16*x=04500*0.08+700*0.24+311.24*x+228.6*0.05=0 x=1.73 m （左侧) 我们还可以得到： f65=f45=4744.5 n 对摇杆滑块 机构可以列出以下平衡方程： 对o 4列出力矩平衡方程：mo4=0 f54*h54-f34*xao4-mi4-g4*h4-fi4*xs4o4=0 4744*0.545cos(16.8-4.7)-f340.364-1.1*7.22/0.364-20*7.2*0.27-700*0.364*sin16.8=0 f34=620n 也可知 ： f 32=f 34=620 n对曲柄2分析列平衡方程得： f 12=f 32 =620 (n) mc= 0 (n*m)6.3对12点的动态静力分析： 对于刨头可以列出以下力的平衡方程式： f=0 g 6 + f i6 + f45 + f 16 = 0 方向： y 轴 与 a 612 反向 bc y 轴 大小： 700 -m6a 612 ? ? y f45 g6 f16 fi6 x f45*cos（）= fi6 f45=(5.71*70)/cos（1.805） f45 = 399.51n g6 -f45*sin（）=fi6 f16 =12.58n对c点列力矩平衡方程式： mc=0 g6*xs6+ fi6 *ys6+f16*x=0700*0.24+545.6*x+399.7*0.05=0 x=0.34 m （左侧) 我们还可以得到： f65=f45=399.51 n 对摇杆滑块 机构可以列出以下平衡方程： 对o 4列出力矩平衡方程： mo 4=0 f54*h54 -f34*xao 4+mi4 +g4*h4-+fi4*xs 4o 4=0 399.51*0.545cos(2.3)-f340.309+1.1*10.52/0.309+20*10.5*0.27+700*0.364sin4.1=0 f34=.2157n 也可知 ： f 32=f 34=2157 n 对曲柄2分析列平衡方程得： f 12=f 32 =2157n mc= f 32 cos32.73 *0.11=199.6n*m（顺时针）七、凸轮机构的设计1. 2.依据运动规律绘制角位移、角速度、及角加速度的曲线：（1）、角位移曲线： 、取凸轮转角比例尺 =1/mm和螺杆摆角的比例尺=0.333/mm在轴上截取线段代表，过4点做横轴的垂线，并在该垂线上截取44代表(先做前半部分抛物线).做14的等分点2、3两点，分别过这两点做轴的平行线。 、将左方矩形边等分成相同的分数,得到点2和3 。、将坐标原点分别与点2,3,4相连,得线段12,13和14,分别超过2,3,4点且平行与轴的直线交与2,3和4.、将点1,2,3,4连成光滑的曲线,即为等加速运动的位移曲线的部分,后半段等减速运动的位移曲线的画法与之相似. (2)角速度曲线:、选凸轮转角比例尺=1/mm和角速度比例尺=0.062(rad/s)/mm,在轴上截取线段代表。由角速度方程可得=o/2, = max ,求得v换算到图示长度,4点处=0/2,故max位于过4点且平行与轴的直线.由于运动为等加速、等减速,故连接14即为此段的角速度图,下一端为等减速连接47即为这段角速度曲线。其他段与上述画法相同,只是与原运动相反。(3)角加速度曲线:选取与上述相同的凸轮转角比例尺=1/mm和角加速度比例尺 =0.00033(rad/s)/mm在轴上截取线段代表。由角加速度方程求的角加速度.因运动为等加速,等减速,故各段加速度值也相同,只是方向相反.14段为加速段为正值,轴上取做平行于14的直线段即为1、4段的加速度，其余各段与3做法相似。3作摆动从动件盘形凸轮轮廓设计：设计原理设计凸轮轮廓依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（）（为原凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（）绕凸轮轴心逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心相对机架摆动，则从动件的尖顶在复合运动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。 设计凸轮轮廓： 、绘制凸轮的理论轮廓线既滚子轴心实际轮廓 将 曲线图的推程运动角和回程运动角个分成6等份，按式求个等分点对应的角位移值：1=1*11，1=2*22，的数值见表（1）。 选取适当的长度比例尺l定出o2和o9的位置（选取l=0.001m/mm）。以o2为圆心，以r0/l为半径，作圆，再以以o2为圆心，以rb/l为半径作基圆。以o9为圆心，以l oo9d/l为半径，作圆弧交基圆与do（do）。则o9d1便是从动件的起始位置。 以o2为圆心，以l oo9 o2/l为半径作圆，沿（-）即为逆时针方向自o2o9开始依次取推程运动角0=75，远休止角s=10，回程运动角 o=75,并将推程和回程运动角各分成6等份。它们便是逆时针方向反转时，从动体轴心的各个位置。 序号偏角1021.133.748.2511.8613.8715815913.81011.8118.2123.7131.1140 分别以o91 ,o92, o93o914为圆心，以l o9d/e为半径画圆弧，它们与基圆相交于d1 ，d2 ，d3d7，并作d1o91d1，d2o9rd分别等于摆杆角位移1，2，3。并使o91d1= o91 d1，o92d2= o92d2，则得d1，d2，d14各点，这些点就是逆时针方向反转时从动件摆杆端滚子轴心的轨迹点。 表1 将点d1，d2，d14连成光滑曲线。连成的光滑曲线便是凸轮的理论轮廓，亦即为滚子轴心的轮廓轨迹。b、绘制凸轮的实际轮廓：在设计滚子从动件凸轮的工作轮廓时，若滚子半径rt 过大，则会导致工作轮廓变尖或交叉。在理论轮廓线上选择曲率最大的一点e，以e为圆心作任意半径的小圆，再以该圆与轮廓的两个交点f和g为圆心，以同样半径作两个小圆，三个小圆相交于h、i、j、k四点；连hi、jk得交点c，则c点和长度ce可近似地分别作为理论轮廓上的曲率中心和曲率半径min。 然后取min/2为滚子半径，在上述求得的理论轮廓线上，分别以该轮廓线上的点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列滚子圆。八、飞轮机构的设计（1）汇集同组同学在动态静力分析中求得的各机构位置的平衡力矩my（-my即为动态等功阻力矩mc*）,以力矩比例尺和角度比例尺绘制一个运动循环的动态功mc*=mc*（ ）线图。对mc*（ ）用图解积分法求出一个运动循环中的阻力功ac*=ac*（ ）线图。（2）绘制驱动力矩ma所作的驱动功aa*=aa*（ ）线图。因ma为常数，且一个运动循环中驱动功等于阻力功，故将一个循环中的ac*=ac*（ ）线图的始末两点以直线相连，即为aa*=aa*（ ）线图。（3）求最大动态剩余功a。将aa*=aa*（ ）与ac*=ac*（ ）两线图相减，即得到一个运动循环中的动态剩余功线图a=a（ ）。该线图的坐标最高点与最低点的距离，即表示最大动态剩余功a。（4）确定飞轮的转动惯量jf。有所得的a按下列公式确定飞轮的转动惯量 jf=900*a/(2n12) jf=900*640/(3.142482*0.15)=169.04(kg*m2)九、齿轮机构的设计 (1) 首先根据已知的条件求出 z 2 的齿数。 n o = n o * 100/300=1440*100/300=480(r/min)i o 2 = n o / n 2 =z 1 * z 2 / z 1* z o 得出：z 2=52. (2)变位系数计算： x 1=(z min-z 1)/z min=(17-13)/17=0.235 x 2 =(z min-z 2)/z min=(17-52)/17=-2.05 所以取 x 1=-x 2=0.3对小齿轮实行正变位，对大齿轮实行负变位，且是等变位，经计算并分析后取变位系数 x1 =x 2 =0.3再根据齿轮各部分尺寸相关计算公式得到齿轮的基本参数如下： d 1= m * z1=6*13 =78（mm） d 2= m * z2=6*52=312（mm） r b1 = r1 * cos20 =36.64（mm） r b2 = r2 * cos20 =146.59（mm） ha1 = (ha* + x) m=7.8（mm） ha2 = (ha*-x) m=4.2（mm） hf1 = (ha*+c*-