毕设-牛头刨床机构的分析与综合.doc

已知：电机的功率W=5.5KW,电机的高速转动（960转/分）牛头刨床曲柄转速50r/min,工作行程310mm,行程速比系数1.46.连杆与导杆之比LDE/LCD=0.25 曲柄与水平线的夹角120设计要求：电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃D点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为5。要求导杆机构的最大压力角应为最小值；凸轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。1、 确定传动装置的类型，画出机械系统传动简图。2、 选择电动机，进行传动装置的运动和动力参数计算。3、 传动装置中的传动零件设计计算。4、 绘制传动装置中减速器装配图一张（A0）。5、 绘制减速器箱体、齿轮及轴的零件图各一张（A1）。6、 编写设计计算说明书一份。完成以上工作后准备机械设计部分的答辩。牛头刨床机构的分析与综合 一、课程设计的目的和任务 1、目的 机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其目的是以机械原理课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析，计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。 2、任务 本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。并在此基础上确定飞轮转惯量，设计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。 二、工作原理与结构组成 牛头刨床的简介 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。 图1为其参考示意图。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，刨头6由曲柄2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8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。 图1 三、设计方案的确定 方案（a）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。方案（b）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K的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。 （C）方案（c）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。 比较以上三种方案，从全面衡量得失来看，方案作为刨削主体机构系统较为合理。 四、减速方案的确定 1.构思一个合理的传动系统。它可将电机的高速转动（960转/分）变换为执行机构的低速转动。构思机构传动方案时，能较为合理地分配各部分的传动比，最后绘出机构传动示意图。 齿轮箱中齿轮的齿数Z1=10；Z2=20；Z3=10；Z4=20； 根据传动比i14=所有从动轮的齿数积/所有主动轮的齿数积 所以i14=20x20/10x10=4 所以总的传动比i=4X4=16 符合条件要求 五、确定传动机构的尺寸 已知条件：刨刀的行程H=310mm；行程速比系数K=1.46；最大切削阻力Pr=6000； 1）.根据所给数据确定机构尺寸 极位夹角： 导杆长度：mm 连杆长度：=0.28=150mm 曲柄长度:mm 为了使机构在运动过程中具有良好的传动力特性；即要求设计时使得机构的最大压力角具有最小，,应此分析得出:只有将构件5即B点移到两极限位置连线的中垂线上,才能保证机构运动过程的最大压力角具有最小值。分析如下： 解：当导杆摆到左边最大位置时，最大压力角为，刨头可能的最大压力角位置是导杆B和，设压力角为，（见下图）。根据几何关系=。由于与，呈背离关系，即增加则，减小且。则要使机构整体压力最小，只要有=，当刨头处于导杆摆弧平均置处=，则所以牛头刨床曲柄转速50r/min,工作行程310mm,行程速比系数1.37.怎样设计进给丝杠呢？一、工作原理：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。下图为其参考示意图。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，刨头6由曲柄2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8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。二、设计要求：电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃D点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为5。要求导杆机构的最大压力角应为最小值；凸轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。三、设计数据 四、设计内容及工作量：机械原理部分（第五学期分散一周进行）1、根据牛头刨床的工作原理，拟定23个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。2、根据给定的数据确定机构的运动尺寸。要求用图解法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。3、导杆机构的运动分析。将导杆机构放在直角坐标系下，建立参数化的数学模型。利用ADAMS软件分析出刨头6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度运动曲线，并打印上述各曲线图。要求将参数化建模过程详细地写在说明书中。4、导杆机构的动态静力分析。通过参数化的建模，细化机构仿真模型，并给系统加力，写出外加力的参数化函数语句，打印外加力的曲线，并求出最大平衡力矩和功率。5、凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸（基圆半径ro、机架lO2O9和滚子半径rr），并将运算结果写在说明书中。将凸轮机构放在直角坐标系下，在ADAMS软件中建模，画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。要求将从动件运动规律的IF函数语句写在说明书内。6、编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。以上工作完成后准备机械原理部分的答辩。机械设计部分（第六学期期末集中三周进行）1、 确定传动装置的类型，画出机械系统传动简图。2、 选择电动机，进行传动装置的运动和动力参数计算。3、 传动装置中的传动零件设计计算。4、 绘制传动装置中减速器装配图一张（A0）。5、 绘制减速器箱体、齿轮及轴的零件图各一张（A1）。6、 编写设计计算说明书一份。完成以上工作后准备机械设计部分的答辩。机械原理课程设计牛头刨床（2）待续2008-11-21 02:142.5源程序及计算结果1）程序#includestdio.h#includestdlib.h#includemath.hconst double PI=3.14159;double L10;double X10,Y10;double V10,U10;double A10,B10;double F10,W10,E10;double S10,C10;double Sgn(double Xin)double Resf;if(Xin=0) Resf=1.0;if(Xin1e-10)Resf=atan(Yin/Xin);Resf=Resf-(Sgn(Xin)-1)*PI/2;elseResf=PI/2;Resf=Resf-(Sgn(Yin)-1)*Resf;return(Resf);void mcrank(int i,int j,int a,int b,double F9) Fj= Fj+F9;Si=Li*sin(Fj);Ci=Li*cos(Fj);Xb=Xa+Ci;Yb=Ya+Si;Vb=Va-Wj*Si;Ub=Ua+Wj*Ci;Ab=Aa-Wj*Wj*Ci-Ej*Si;Bb=Ba-Wj*Wj*Ci+Ej*Si;int mrpr(int i,int j,int k,int b,int c,int d,int e, int m,double Res3) double A0,B0,C0,X1,Y1,F1,Ar,Ak;double G1,G4,G5,G6,s1,v1,a1;A0=Xb-Xd;B0=Yb-Yd;C0=Li+Lk;G1=A0*A0+B0*B0-C0*C0;if(G10) return(0);s1=sqrt(G1);X1=C0-B0;Y1=A0+m*s1;F1=Angle(X1,Y1);if(F1PI|F10) Fj=2*(F1+Sgn(X1)*PI);if(fabs(F1)0.001) Fj=2*PI;Si=Li*sin(Fj);Ci=Li*cos(Fj);Sk=Lk*sin(Fj);Ck=Lk*cos(Fj);Sj=Lj*sin(Fj);Cj=Lj*cos(Fj);Xc=Xb-Si;Yc=Yb+Ci;Xe=Xc+Cj-s1*cos(Fj);Ye=Yc+Sj-s1*sin(Fj);G6=(Xb-Xd)*cos(Fj)+(Yb-Yd)*sin(Fj);Wj=(Ub-Ud)*cos(Fj)-(Vb-Vd)*sin(Fj)/G6;v1=(Vb-Vd)*(Xb-Xd)+(Ub-Ud)*(Yb-Yd)/G6;Vc=Vb-Wj*Ci;Uc=Ub-Wj*Si;Ve=Vd-Wj*(Sj-Ck);Ue=Ud+Wj*(Cj+Sk);G4=Ab-Ad+Wj*Wj*(Xb-Xd)+2*Wj*v1*sin(Fj);G5=Bb-Bd+Wj*Wj*(Xb-Xd)-2*Wj*v1*cos(Fj);Ej=(G5*cos(Fj)-G4*sin(Fj)/G6;a1=(G4*(Xb-Xd)+G5*(Yb-Yd)/G6;Ar=a1;Ak=2*Wj*v1;Ae=Ad-Ej*(Sj-Ck)-Wj*Wj*(Cj+Sk);Be=Bd+Ej*(Cj+Sk)-Wj*Wj*(Sj-Ck);Res0=s1;Res1=v1;Res2=a1;return(1);int mrrp(int i,int j,int b,int c,int r,int m) double B0,C0,Z1,S1,X1,Y1,F1;double Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,A1,V1;B0=2*(Xr-Xb)*cos(Fj)+2*(Yr-Yb)*sin(Fj);Sj=Lj*sin(Fj);Cj=Lj*cos(Fj);C0=pow(Xr-Xb),2)+pow(Yr-Yb),2)+ pow(Lj,2)- pow(Li,2)-2*(Xr-Xb)*Sj+2*(Yr-Yb)*Cj;if(B0*B0-4*C00) return(0);Z1=sqrt(B0*B0-4*C0);S1=(-B0+m*Z1)/2;Xc=Xr+S1*cos(Fj)-Sj;Yc=Yr+S1*sin(Fj)+Cj;X1=Xc-Xb;Y1=Yc-Yb;F1=Angle(X1,Y1);Fi=F1;Si=Li*sin(Fi);Ci=Li*cos(Fi);Q1=Vr-Vb-Wj*(S1*sin(Fj)+Cj);Q2=Ur-Ub+Wj*(S1*cos(Fj)-Sj);Q3=Si*sin(Fj)+Ci*cos(Fj);Wi=(-Q1*sin(Fj)+Q2*cos(Fj)/Q3;V1=-(Q1*Ci+Q2*Si)/Q3;Vc=Vb-Wi*Si;Uc=Ub+Wi*Ci;Q4=Ar-Ab+Ci*pow(Wi,2)-Ej*(S1*sin(Fj)+Cj)-pow(Wj,2)*(S1*cos(Fj)-Sj)-2*Wj*V1*sin(Fj);Q5=Br-Bb+Si*pow(Wi,2)+Ej*(S1*cos(Fj)-Sj)-pow(Wj,2)*(S1*sin(Fj)+Cj)+2*Wj*V1*cos(Fj);A1=(-Q4*Ci-Q5*Si)/Q3;Ei=(-Q4*sin(Fj)+Q5*cos(Fj)/Q3;Ac=Ab-Ei*Si-Ci*(Wi,2);Bc=Bb+Ei*Ci-Si*(Wi,2);return(1);void main()int ii,index,iFlagea,iFlageb;double p1,F9,Res3,N1,K,M,N,P,T,R;p1=PI/180;L1=90; L2=0; L3=580; L4=0;L5=174; L6=0;X1=0;Y1=350;N1=64;X4=0;Y4=0;X7=0;printf(L1=90; L2=0; L3=580; L4=0;L5=174; L6=0;n);printf(F1DEG X6mm Y6mm V6m/s A6m/s2n);T=sqrt(Y1*Y1-L1*L1);P=T*L3/Y1;R=(L3-P)/2;Y7=L3-R;W1=-N1*PI/30;M=L1/Y1;K=asin(M);F9=0;F1=-PI+K;mcrank(1,1,1,2,F9);iFlagea=mrpr(2,3,4,2,3,4,5,1,Res);if(iFlagea=0)printf(Because of wrong data,the Caculation failedn);F6=0;iFlageb=mrrp(5,6,5,6,7,1);N=X6;X1=-N;Y1=-Y7+Y1;X4=-N;Y4=-Y7;X7=-N;Y7=0;for(ii=0;ii=12;ii+)F1=-PI+K+ii*(-30)*p1;F9=0;mcrank(1,1,1,2,F9);iFlagea=mrpr(2,3,4,2,3,4,5,1,Res);if(iFlagea=0)printf(Because of wrong data,the Caculation failedn);F6=0;iFlageb=mrrp(5,6,5,6,7,1);if(iFlageb=1)printf(%8.2f,%8.2f,%8.2f,%8.2f,%8.2fn,-(F1-K+PI)/p1,X6,Y6,V6/1000,A6/1000);else printf(Because of wrong data,the Caculation failed!n);getch();2）计算结果L1=90; L2=0; L3=580; L4=0;L5=174; L6=0;F1DEG X6mm Y6mm V6m/s A6m/s2 0.00, 0.00, 0.00, -0.00, 7.69 30.00, 17.89, 0.00, 0.42, 5.41 60.00, 61.37, 0.00, 0.67, 2.96 90.00, 118.51, 0.00, 0.78, 0.71120.00, 180.27, 0.00, 0.78, -1.17150.00, 237.76, 0.00, 0.67, -2.50180.00, 280.99, 0.00, 0.41, -3.50210.00, 298.28, 0.00, -0.00, -4.88240.00, 275.04, 0.00, -0.62, -6.73270.00, 200.09, 0.00, -1.25, -4.27300.00, 97.78, 0.00, -1.23, 4.18330.00, 23.38, 0.00, -0.63, 8.41360.00, 0.00, 0.00, -0.00, 7.69机械原理课程设计牛头刨床设计说明书（3）待续 2.6滑块6的位移，速度，加速度随转角变化曲线其位移，速度，加速度随转角变化曲线如图所示： 三设计方案和分析3.1方案一3.1.1方案一的设计图3.1.2方案一的运动分析及评价（1）运动是否具有确定的运动该机构中构件n=5。在各个构件构成的的运动副中Pl=6,Ph=1.凸轮和转子、2杆组成运动副中有一个局部自由度，即F=1。机构中不存在虚约束。.由以上条件可知：机构的自由度 F=3n-(2Pl+Ph-p)-F=1机构的原动件是凸轮机构，原动件的个数等于机构的自由度，所以机构具有确定的运动。（2）机构传动功能的实现在原动件凸轮1带动杆2会在一定的角度范围内摇动。通过连杆3推动滑块4运动，从而实现滑块(刨刀)的往复运动。（3）主传动机构的工作性能凸轮1 的角速度恒定，推动2杆摇摆，在凸轮1 随着角速度转动时，连杆3也随着杆2 的摇动不断的改变角度，使滑块4的速度变化减缓，即滑块4的速度变化在切削时不是很快，速度趋于匀速；在凸轮的回程时，只有惯性力和摩擦力，两者的作用都比较小，因此，机构在传动时可以实现刨头的工作行程速度较低，而返程的速度较高的急回运动。传动过程中会出现最小传动角的位置，设计过程中应注意增大基圆半径，以增大最小传动角。机构中存在高副的传动，降低了传动的稳定性。（4）机构的传力性能 要实现机构的往返运动，必须在凸轮1 和转子间增加一个力，使其在回转时能够顺利的返回，方法可以是几何封闭或者是力封闭。几何封闭为在凸轮和转子设计成齿轮形状，如共扼齿轮，这样就可以实现其自由的返回。机构在连杆的作用下可以有效的将凸轮1的作用力作用于滑块4。但是在切削过程中连杆3和杆2也受到滑块4的作用反力。杆2回受到弯力，因此对于杆2 的弯曲强度有较高的要求。同时，转子与凸轮1 的运动副为高副，受到的压强较大。所以该机构不适于承受较大的载荷，只使用于切削一些硬度不高的高的小型工件。该机构在设计上不存在影响机构运转的死角，机构在运转过程中不会因为机构本身的问题而突然停下。 （5） 机构的动力性能分析。由于凸轮的不平衡，在运转过程中，会引起整个机构的震动，会影响整个机构的寿命。所以在设计使用的过程中应处理好机械的震动问题，可以增加飞轮减少机械的震动，以免造成不必要的损失和危险。（6） 机构的合理性此机构使用凸轮和四连杆机构，设计简单，维修，检测都很方便。同时，机构的尺寸要把握好，如杆2太长的话，弯曲变形就会很大，使杆2承受不了载荷而压断，如果太短的话，就不能有效的传递凸轮1 的作用力和速度。同时。凸轮具有不平衡性，在设计中尽量使凸轮的重量小一些，减小因为凸轮引起的整个机构的不平衡和机器的震动。（7）机构的经济性 该机构使用的连杆和凸轮都不是精密的结构，不需要特别的加工工艺，也不需要特别的材料来制作，也不需要满足特别的工作环境，所以该机构具有好的经济效益，制作方便，实用。不过机器的运转可能会造成一定的噪音污染；凸轮机构为高副机构，不宜承受较大的载荷。 3.2方案二3.2.1方案二的设计图3.2.2方案二的运动分析和评价 （1）运动是否具有确定的运动该机构由齿条、扇形齿轮3、滑块2和杆1组成，其中杆1为主动件。滑块2以移动副的方式和扇形齿轮3连在一起。机构具有3个活动构件。机构中的运动副有原动件1的铰接，1和2的转动副以及2和3的移动副。机构中的运动副全都是低副，且Pl=4.在该机构中没有高副，也不存在局部自由度和虚约束。由此可知： F=3n-(2Pl+Ph-p)-F=1 机构中有一个原动件，原动件的个数等于该机构的自由度。所以，该机构具有确定的运动。（2）机构功能的实现 根据机构图可知，整个机构的运转是由原动件1带动的。杆1通过滑块2带动扇形齿轮3的运动。扇形齿轮3和与刨头连接的齿条啮合。从而实现刨刀的往复运动。（3）机构的工作性能 该机构中原动件1对滑块2的压力角一直在改变。但是原动件1的长度较小，扇形齿轮的半径较大，即原动件1的变化速度对于扇形齿轮3的影响不是很大，同时机构是在转速不大的情况下运转的，也就是说，在扇形齿轮作用下的齿条的速度在切削过程中变化不大。趋于匀速运行。 原动件1在滑块2上的速度始终不变，但是随着原动件1的运转，在一个周期里，BC的长度由小到大，再变小。而BC的长度是扇形齿轮3的回转半径，也就是说，在机构的运行过程中，推程的速度趋于稳定，在刨头回程时，由于扇形齿轮受到齿条的反作用力减小。还有扇形齿轮3的回转半径减小，使扇形齿轮的回程速度远大于推程时的速度。即可以达到刨床在切削时速度较低，但是在回程时有速度较高的急回运动的要求。在刨头往返运动的过程中，避免加减速度的突变的产生。（4）机构的传递性能 该机构中除了有扇形齿轮和齿条接触的两个高副外，所有的运动副都是低副，齿轮接触的运动副对于载荷的承受能力较强，所以，该机构对于载荷的承受能力较强，适于加工一定硬度的工件。同时。扇形齿轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大而出现机构的断裂。 在整个机构