《牛头刨床设计》word版.doc

西南大学工程技术学院课程设计(论文)机械原理课程设计(论文)题目: 牛头刨床设计 学生姓名 专 业 学 号班 级指导教师 成 绩工程技术学院 年 月设计参数要求主执行机构工作行程切削平稳、压力角较小。进给机构压力角不超过许用值。设计参数如表1所示。表1 牛头刨床设计参数题号12345678910主执行机构曲柄转速n148495052504847556056机架LAC380350430360370400390410380370刨刀行程H310300400330380350390310310320行程速比系数K1.461.401.401.441.531.341.501.371.461.48连杆与导杆之比LDE/LCD0.250.280.300.270.300.280.270.250.280.26工作阻力F(N)4500460047004000410052004200400060005000导杆质量m3(kg)20202220222426282622导杆转动惯量JS3(kgm2)1.11.11.21.21.21.31.21.11.21.2滑块质量m5(kg)70708080809080708060进给机构从动件最大摆角y15151515151515151515凸轮从动件杆长(mm)125135130122123124126128130132推程许用压力角a推程40404040404040404040回程许用压力角a回程50505050505050505050滚子半径rr(mm)15151515151515151515刀具半径rc(mm)0.080.080.080.080.080.080.080.080.080.08我的学号是038，根据老师要求，选择第8组数据。目 录1. 引言 42. 机构的选型 42.1 主执行机构的选型42.2 辅助执行机构的选型 63. 原动机的选用 74. 拟定传动系统方案 75. 绘制系统工作循环图96. 机构尺度参数确定107. 静力分析和初定各构件的质量参数108. 主执行机构的运动分析 129. 主执行机构的动态静力分析 2210. 凸轮的设计 23参考文献231. 引言 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图a）所示。电动机经过皮带和齿轮传动，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23456带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头左行时，刨刀不切削，称为空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回运动的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构191011与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作过程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段0.05H的空刀距离，见图b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速转动，故需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动机容量。(a) (b)2.机构的选型 机构选型的任务是选择主执行机构、辅助执行机构即进刀机构。2.1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。 2.1.1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。2.1.2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。按照要求列出以下8中机构作为备选机构 图a 图b 图c 67 图d 图e 图f 图g 图h 2.1.3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）。但由于方案（g）属于三级机构，所以选取方案（b）。2.2辅助执行机构的选型 2.2.1 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。 经常采用的有棘轮齿条机构，及扇形齿轮齿条机构。 该机构要实现的运动为：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。 图a 图b 图c 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.经分析，采取将先将转动转化为摆动，这一步由凸轮驱动曲柄摇杆机构的曲柄来完成；再将摆动转化为间歇运动，这一步骤棘轮机构来完成。示意图如下 图d3.原动机的选用原动机是机械系统的驱动部分，机械原理课程设计中的原动机选用交流异步电动机。电动机的型号将在下一节中根据输出功率、效率以及转速等确定。4. 拟定传动系统方案 传动系统的作用通常是实现减速、增速和变速，有时也用于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。4.1传动系统的选择传动装置选择V带两级圆柱齿轮减速器。其中的传动过程为：电动机轴弹性联轴器V带传动两级圆柱齿轮减速器主执行机构传动系统的基本图形如下：4.2传动系统的参数确定传动系统的基本参数包括各级传动比、基本直径、齿轮的齿数以及模数等。4.2.1原动机型号的确定系统由电动机到主执行机构曲柄的传动的总效率为，根据传递过程，确定总效率=0.97*0.94*0.95*0.75=0.651-弹性联轴器传动效率0.97V带传动效率0.94两级圆柱齿轮减速器（包括轴承）0.954-主执行机构的效率取为0.75根据设计要求刨刀行程H=310mm，刨刀的切削阻力为F=4000N,最大速度为1.185m/s那么电动机所需的功率至少为：=4000*1.185/0.65=7292 w故选Pe=7.5kw，=1440r/min，其型号为：Y132S-44.2.2各级传动比及齿数的确定(1)系统总传动比为：=1440/55根据总传动比按各级传动比进行分配：式中，分别为V带传动比，第一级齿轮传动比，第二级齿轮传动比。(2) 传动比分配原则传动比的合理分配时传动装置设计中的一个重要问题，它3将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件、装拆性能和整个机器的工作能力。该传动方案的传动比的主要分配原则：a. 该传动装置为V带齿轮传动，；b. 为提高传动链的传动精度，减小空回，应使最后一级的减速比最大，即最大；c. 对于周期性变化的载荷，为了避免某几个轮齿的磨损过分集中，应建议用不可约分的传动比；d. 对于两级圆柱齿轮减速器，为使两对齿轮的齿面承载能力大致相等（假定两对齿轮的配对材料和齿宽系数均相等），以获得最小的外形尺寸，应取高速级传动比为：；e. 按两级减速最小结构长度分配传动比：，；综上所述，选带传动的传动比=2.5，其基本直径=140mm，=350mm（根据V带的功率、传动比以及牛头刨床的实际尺寸）；第一级齿轮传动的传动比=65/22，其齿数位Z1=22，Z2=65，直径D1=88mm，D2=260mm，模数m=4；第二级齿轮的传动比=88/25，其齿数Z1=25，Z2=88，模数=4，直径D1=100mm，D2=362mm。5. 系统工作循环图 设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过程中，各执行机构之间运动配合关系的图形叫做系统工作循环图。绘制系统工作循环图的过程就是系统协调设计过程。牛头刨床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。a. 选择标定构件。由于两执行构件的工作循环周期相同，并且导杆机构的曲柄既是切削运动执行机构的原动件，又是工作台进给组合部分的运动源头，故选择曲柄作标定线。b. 作一圆环表示曲柄在一个工作循环中的转角，根据导杆机构的行程速比系数,求出极位夹角=，从而将圆环分为两部分：上半部分的圆心角为，对应刨刀工作时曲柄的转角；下半部分表示刨刀空回行程是曲柄的转角。c. 在前述圆环之外再画一圆环，表示进给运动组合部分中，曲柄摇杆机构的曲柄在一个工作循环中的转角。以内环所表示的刨头运动规律为基准，并在外环中合理地安排好工作台停动时间所对应的曲柄的转角位置。d. 系统工作循环图如下：6.机构尺度参数的确定已知条件为：曲柄转速n1=55rad/min，机架LAC=410mm，刨刀行程H=mm310，行程速比系数K=1.37，连杆与导杆之比LDE/LCD=0.25工作阻力F=4000N。主执行机构如图a所示： 图 a 图ba. 在5.2节中已经求得极位夹角=；b. 由导杆机构的特性可知，导杆摆角等于极位夹角，即=；c. 如图b所示，由行程和可求出导杆长度，=640mm；d. 由和可求出曲柄尺度=100mm；e. 由LDE/LCD=0.25可求得=160mm；f. 为使RRP杆组的压力角较小，滑块5的导路遇D连线的距离应等于导路线与D弧水平切线的距离，以此确定。由图可列方程为，则=630mm。通过上面的计算,牛头刨床主执行机构简图上所有的尺寸已全部确定。 7.静力分析和初定各构件的质量参数7.1静力分析由于作用在机械上的力不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定机械的强度设计和结构形状的重要依据，所以必须对机械的受力情况进行分析。主执行机构静力分析如下图所示：根据已知条件和受力分析，列方程如下：上式联立可解得F1=1220N F2=4960N F3=700N7.2质量参数48192-56302870001.1单位：质量-kg 转动惯量- 长度-mm8主执行机构的运动分析 对机构的运动分析有图解法和解析法，下面先用解析法进行分析，再用图解法对机构的一个位置进行分析并验证。8.1解析法分析8.1.1运动分析以知条件：n1=55rad/min，则w=2n/60=5.76rad/s；LAC=410mm，=640mm，=100mm=160mm，=630mm。解：先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。其中共有四个未知量、及。为求解需建立两个封闭矢量方程，为此需利用两个封闭图形ABCA及CDEGC，由此可得， (1-1)写成投影方程为： (1-2)解上面方程组，即可求得、及四个位置参数，其中。将上列各式对时间取一次、二次导数，并写成矩阵形式，即可得以下速度和加速度方程式。速度方程式：(1-3)机构从动件的位置参数矩阵：机构从动件的的速度列阵：机构原动件的位置参数矩阵：机构原动件的角速度加速度方程式：(1-4)机构从动件的位置参数矩阵求导：机构从动件的的加速度列阵： 机构原动件的位置参数矩阵求导： 8.1.2 编写程序代码下面是matlab 程序代码，为程序赋初值：=0.398，=76*pi/180 ，=179.99*pi/180 ，=-5.17，=0.1，=0.16，=0.41，=0.63，=-14*pi/180。主程序（matlab）：%牛头刨床运动分析主程序%x(1)代表;%x(2) 代表构件3的转角；%x(3）代表构件4的转角；%x(4)代表E点的线位移;%x(5)代表；%x(6)代表;%x(7)代表;%x(8)代表;%x(9）代表;%x(10)代表构件1的转角。x= 0.398 76*pi/180 179.99*pi/180 -5.17 0.1 0.64 0.16 0.41 0.63 -14*pi/180;%赋初值 dr=pi/180;%度转化为弧度 dth=10*dr;w1=1;%每10度计算一个点for i=1:37 y=ntpc(x); %调用从动件位置方程求解函数ntpc(自编) s3=y(1);theta3=y(2);theta4=y(3);se=y(4); %得到位置参数。 %将各位置参数用向量储存，便于后面绘图，角度用度表示ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y(3)/dr;sse(i)=y(4);%进行速度分析 A=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0;%A机构从动件的位置参数矩阵 B=-x(5)*sin(x(10);x(5)*cos(x(10);0;0;%B机构原动件的位置参数列阵 yy=w1*inv(A)*B;%公式1-3求解，yy表示机构从动件速度列阵，inv(A)是A的逆阵 vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4); %将各速度参数以向量的方式表示，以便后面绘图 dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy(3);dvse(i)=yy(4);%dA为从动件位置参数矩阵对时间一次求导%进行角速度分析 dA=-w3*sin(theta3) -vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3) 0 0; w3*cos(theta3) vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3) 0 0; 0 -x(6)*w3*cos(theta3) -x(7)*w4*cos(theta4) 0; 0 -x(6)*w3*sin(theta3) -x(7)*w4*sin(theta4) 0; %dB就是原动件位置参数列阵对时间一次求导 dB=-x(5)*w1*cos(x(10);-x(5)*w1*sin(x(10);0;0; KK=-dA*yy+w1*dB; %KK为公式1-4右端 ya=inv(A)*KK;%公式1-4求解，ya为从动件加速度列阵 %将各加速度以向量表示as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya(2);atheta4(i)=ya(3);ase(i)=ya(4); x(10)=x(10)+dth; %计算下一个点 x(1)=s3; x(2)=theta3; x(3)=theta4; x(4)=se;end%绘制运动参数曲线subplot(2,2,1); % 选择第1个子窗口plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%绘制位置线图subplot(2,2,2); plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%绘制速度线图subplot(2,2,3); plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase); %绘制加速度线图%这个函数是关于牛头刨床位置方程求解，可得：s3,theta3,theta4,sE四个运动变量。子程序：function y=ntpc(x)%x(1)代表;%x(2) 代表构件3的转角；%x(3）代表构件4的转角；%x(4)代表E点的线位移;%x(5)代表；%x(6)代表;%x(7)代表;%x(8)代表;%x(9）代表;%x(10)代表构件1的转角。%先赋初值；这些初值来自于主程序。s3=x(1);theta3=x(2);theta4=x(3);se=x(4);epsilon=1e-6;%设置求解精度为10-6%用矩阵的形式表示位置方程组（4x1的矩阵）f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);%用牛顿-辛普森法求解while norm(f)epsilon %J位置方程组的雅可比矩阵，即从动件位置参数矩阵 J=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0; dth=inv(J)*(-1.0*f); %计算增量，进行迭代，inv(J) 为J的逆阵 s3=s3+dth(1); theta3=theta3+dth(2);theta4=theta4+dth(3);通过程序 se=se+dth(4);f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);norm(f);%若未达精度，会继续迭代。end%输出4个参数y(1)=s3;y(2)=theta3;y(3)=theta4;y(4)=se;8.1.3运动分析结果通过程序计算，可得各构件的位置、速度和加速度，求得的数值列于下表中。并根据该数值将位置线图，速度线图，加速度线图一并绘出如下：8.2图解法分析用图解法对=时的主执行机构进行的运动分析。8.2