机械原理课程设计-牛头刨床设计.doc

浙江理工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：过程控制与装备工程 设 计 者：崔炳灿 学 号：2011330300609 指导教师：钱 萍 设计时间：2013-6-24- 2013-7-5 机械与自动控制学院目 录1、课程设计的任务与要求 31.1、机械原理课程设计任务书 31.2、机械原理课程设计的参考数据 51.3、机械原理课程设计的目的与要求 51.3.1、机械原理课程设计的目的 51.3.2、牛头刨床的工作原理与机构组成 6 2、课程设计的机构 62.1、齿轮机构设计 62.2、导杆机构的运动分析 82.3、导杆机构的动态静力分析 152.4、凸轮机构设计 173、设计小结 194、参考文献 191、课程设计的任务与要求1.1、机械原理任务书：姓 名：崔炳灿 专 业：过程控制与装备工程班 级：11过程控制与装备工程（2）班 学 号：2011330300609 任务起至日期：2013年 6 月 24 日 至 2013 年 7 月 4日课程设计题目：牛头刨床设计已知技术参数和设计要求：1.已知技术参数图1 牛头刨床机构简图及阻力线图表1 设计数据导杆机构 运动分析工作行程H行程速比系数 K724301108100.360.5180404201.40导杆机构的动态静力 分析22062080001001.2飞轮转动惯量的确50.30.20.2凸轮机构的设计从动件最大摆角推程远休止回程1513042751065齿轮机构的设计10030063.5202.设计要求（1）连杆机构的设计及运动分析，用图解法/解析法进行连杆机构的动态静力分析（2）安装在O2轴上的飞轮设计，转动惯量的确定。（3）凸轮机构的设计，确定凸轮机构基本尺寸，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线（4）齿轮机构设计工作量：完成1张A2图纸3张A3图纸，1份计算说明书工作计划安排：（1）设计准备阶段，1天（2）连杆机构的设计和连杆机构的动态静力分析，22.5天（3）连杆机构运动和连杆机构的动态静力图纸绘制，11.5天（4）飞轮机构的设计和绘图，1.52天（5）凸轮机构的设计和绘图，1.52天（6）齿轮机构设计，1天（7）设计说明书的编写，1.52天（8）答辩：1天指导教师签字： _ 年 月 日 1.2、机械原理课程设计的参考数据表1 机械原理课程设计数据表2013 6.24 33导杆机构 运动分析r/min724301108100.360.518040工作行程H310行程速比系数 K1.46导杆机构的动态静力分析2206208000801.2飞轮转动惯量的确定0.16r/mi50.30.20.2凸轮机构的设计从动件最大摆角15mm13042推程175远休止S10回程65齿轮机构的设计mm10030063.5201.3、机械原理课程设计的目的与原理1.3.1、机械原理课程设计的目的机械原理课程设计是机械类专业学生较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练。其目的在于进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关机械原理课程实际问题的能力，使学生对于机械运动学和动力学的分析与设计有一较完整的概念，具备计算、制图和使用技术资料的能力。在此基础上，初步掌握利用计算机来解决工程技术问题。1.3.2、牛头刨床的工作原理与机构组成牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图。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做往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，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，称回行程，此时要求速度较低并且均匀，以提高生产效率。为此刨刀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通过四杆机构1-9-10-11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。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离），而空回行程中则没用切削阻力。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运转，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。图2 牛头刨床机构简图及阻力线图2、课程设计的机构2.1、齿轮机构的设计已知： 电动机、曲柄的转速 No、N2，皮带轮直径do、do，某些齿轮的齿数z，模数m，分度圆压力角（参见表1）；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。要求： 计算齿轮z2的齿数，选择齿轮副z1z2的变位系数，计算该对齿轮传动的各部分尺寸，以3号图纸绘制齿轮传动的啮合图。根据齿轮传动比的公式：i12 = n1/n2 = z2/z1 = d2/d1 ,参考数据表1中的已知齿轮数，计算出z2 = 38。由于z1 =15zmin =17，所以必须进行正变位x1 ，才能使齿轮z1 不发生根切，为了使齿轮z1 、z2 为等变位啮合，所以齿轮z2 必须进行负变位x2 。且形成等变位：x1 + x1 =0。而变位系数的公式为：x ha*（zmin z）/ zmin 。将数据代入，可得到x10.118mm，x2-0.553mm。所以，我选取了x1 =0.35, x2 =-0.35 任意圆齿厚si=sri/r-2ri/(inv i inv ),分别将齿轮z1 、z2 变位后的数据代入公式中，可分别得到齿轮z1 、z2 的齿顶圆的齿厚si1=2.0 mm，si2=6.46mm变位后齿轮齿顶厚sa 0.25 m（此处m表示为分度圆模数）=1.5mm。 由于是正变位齿轮机构，所以中心距不变，a=m（z1 +z2）/2，代入数据得a=159mm。绘制步骤如下：1、取1:1的比例进行作图。2、根据中心距a=159mm，定出两齿轮的中心位置O1、O2 ，分别以O1、O2为圆心分别作两个齿轮的基圆、分度圆、节圆、齿根圆、齿顶圆。3、作两齿轮基圆内的公切线，交点分别为N1、N2 ，N1N2 为理论啮合线 。N1N2 分别与齿轮z1 、z2 的齿顶圆相交于B1B2 ，则B1B2 为实际啮合线，测量得B1B2=28.5 mm与连心线O1O2的交点为节点P，而P点又与两分度圆的切点相重合，基圆内公切线与过P点的节圆切线间的夹角为啮合角，同时也等于分度圆压力角。4、根据渐开线形成原理，分别画出两齿轮在顶圆与根圆之间的齿一边的齿廓曲线，然后以此为模板，左右对称进行复制描述，齿轮z1 、z2 的齿顶圆的齿厚si1=2.0 mm，si2=6.46mm，并结合齿轮变位后的齿顶圆齿厚，画出完整的齿廓。5、在连心线处画一个完整的齿廓，然后根据齿轮啮合的要求，连续画出两齿轮的3个齿廓。2.2、导杆机构的运动分析已知： 曲柄每分钟转速n2，各构件尺寸及中心位置，且刨头导路x x 位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上（参见图4-2）要求： 作机构的运动简图，并作机构两个位置的速度、进速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动态静力分析一起画在2号图纸上曲柄位置图的做法为取1和8为工作行程起点和终点所对应的曲柄位置，1和712等，是由位置1起，顺方向将曲柄圆周作12等分的位置。表2.导杆机构运动尺寸数据导杆机构 运动分析工作行程H行程速比系数 K724301108100.360.5180404201.40导杆机构的动态静力 分析22062080001001.2作图方法：1）设计导杆机构。 按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块6的导路x-x的位置可根据连杆5传力给滑块6的最有利条件来确定，即x-x应位于B点所画圆弧高的平分线上。图3 导杆机构运动简图2）作机构运动简图。选取比例尺=0.005按表1所分配的两个曲柄位置作机构的运动简图，其中一个位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图3；取滑块6在上极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置8对应于滑块6处于下极限的位置。再作开始切削和中止切削所对应的1和7两位置。共计14个机构位置。3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺=0.02（）比例尺=0.2（），用矢量方程图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形。作图步骤：1、作导杆机构的简图。选取长度比例尺=0.005，作机构在位置2 的运动简图。作图时，必须注意的大小应选得适当，以保证对机构运动完整、准确、清楚的表达，另外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其他相关分析图形的位置。2、进行导杆机构的速度分析。对滑块3在2位置进行速度分析，作速度多边形图。2.2.1、取曲柄在2位置，进行速度分析取构件3和4的重合点A进行速度分析。A3=0.117.536=0.829 m/s列速度矢量方程，得A4= A3+ A4A3 大小 ? ? 方向 O4A O2A O4B取速度极点P，速度比例尺v=0.02(m/s)/mm，作速度多边形，如图4。图4-2位置的速度多边形图BA4A3CBA4A3C P A4 = 190.02= 0.28 m/sA4=A4 / O4 A=0.80rad/s A4A3 = 370.02 = 0.74m/sB =A4O4B/ O4A = 0.65m/s2.2.4、取曲柄在2位置，进行加速度分析先对曲柄2与滑块3重回的A点分析， a A3 = =0.11 7.536=6.25m/s 取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得 aA4 = a A4n + a A4= a A3n + a C科氏 + a A4A3大小 ? 42lO4A ? 24A4A3 ?方向 ? BA O4B AO2 O4B（向左） O4B（沿导路）由已知条件可求得： a C科氏 = 24A4A3 =0.31 m/s2 a A4n =42lO4A = 0.31 m/s2取加速度极点为P,加速度比例尺a=0.2（m/s2）/mm,作加速度多边形, 如图7图7-2位置的加速度多边形图aA4a A3a CBa CaA4A3a Ba C科氏 P用加速度影象法求得a A4 =310.2m/s2 =6.2 m/s2 a B = a A4 lO4B/lO4A=7.37m/s2 取构件5为研究对象，列加速度矢量方程，得 aC = aB + aCBn + aCB大小 ? ?方向 xx CB BC其加速度多边形如图7所示，同理有 aC =36.50.2= 7.3m/s2 2.2.2、取曲柄在7位置，进行速度分析取构件3和4的重合点A进行速度分析。A3= =0.110.83=0.09 m/s列速度矢量方程，得 A4= A3+ A4A3大小 ? ?方向 O4A O2A O4B取速度极点P，速度比例尺v=0.01(m/s)/mm，作速度多边形，如图5。 A4 = 19.50.02 = 0.39 m/sA4=A4 / O4B=0.83rad/sA4A3 = 51.50.01 =0.732 m/s B =A4O4B/ O4A =0.66 m/s取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得 C= B + CB 大小 ? ? 方向 XX O4B BC其速度多边形如图5所示，有 C= =410.01=0.64 m/s2.2.5、取曲柄在7位置，进行加速度分析先对曲柄2与滑块3重回的A点分析， a A3 = =0.09 6.7=4.04 m/s 取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得 aA4 = a A4n + a A4= a A3n + a C科氏 + a A4A3大小 ? 42lO4A ? 24A4A3 ?方向 ? BA O4B AO2 O4B（向右） O4B（沿导路）由已知条件可求得： a A3n = a A3 = 4.04 m/s2a C科氏 = 24A4A3 =0.80 m/s2 a A4n =42lO4A = 0.223 m/s2取加速度极点为P,加速度比例尺a=0.1（m/s2）/mm,作加速度多边形, 如图8 用加速度影象法求得a A4 =20.5 0.2m/s2 =4.1 m/s2 a B = a A4 lO4B/lO4A=7.1 m/s2 取构件5为研究对象，列加速度矢量方程，得 aC = aB + aCBn + aCB大小 ? ?方向 xx CB BC其加速度多边形如图8所示，同理有 aC =36.50.2=7.3 m/s22.2.3、取曲柄在10位置，进行速度分析取构件3和4的重合点A进行速度分析。A3= =0.117.536=0.83 m/s列速度矢量方程，得 A4= A3+ A4A3大小 ? ?方向 O4A O2A O4B取速度极点P，速度比例尺v=0.01(m/s)/mm，作速度多边形，如图6。 A4 = 390.02 = 0.78 m/sA4=A4 / O4B=12 rad/sA4A3 = 210.01 = 0.24 m/s B =A4O4B/ O4A = 1.21 m/s取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得 C= B + CB 大小 ? ? 方向 XX O4B BC其速度多边形如图6所示，有 C= =840.04=3.36m/s2.2.6、取曲柄在10位置，进行加速度分析先对曲柄2与滑块3重回的A点分析， a A3 = =0.09 6.7=4.04 m/s 取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析.列加速度矢量方程,得 aA4 = a A4n + a A4= a A3n + a C科氏 + a A4A3大小 ? 42lO4A ? 24A4A3 ?方向 ? BA O4B AO2 O4B（向右） O4B（沿导路）由已知条件可求得： a A3n = a A3 = 4.04 m/s2 a C科氏 = 24A4A3 =0.88 m/s2 a A4n =42lO4A = 1.21 m/s2取加速度极点为P,加速度比例尺a=0.1（m/s2）/mm,作加速度多边形, 如图9 用加速度影象法求得a A4 = 600.2 m/s2 =12 m/s2 a B = a A4 lO4B/lO4A=30 m/s2 取构件5为研究对象，列加速度矢量方程，得 aC = aB + aCBn + aCB大小 ? ?方向 xx CB BC其加速度多边形如图8所示，同理有 aC =1120.2=22.4 m/s22.4、飞轮的设计根据C程序的知识，先将曲柄各个位置受到的阻力矩计算出来。GIVEN:n=49r/min,LO2A=90mm,LO4B=580mm,LCB=174mm,LO4S4=290mm,LO2O4=350mm,G4=200N,G6=700N,P=4600N,JS4=1.1kgm，FIND: output work, delivery work, increment or decrement of work, torque，Md,WMAX.利用代码在c-free中运行如下代码 #include stdio.h#include string.h#include math.h#include algorithmusing namespace std;const double g = 9.8;const double eps = 1e-8;const double pi = acos(-1.0);const int maxn = 182;const double n = 49;/ ?const double l2 = 90;/ |O2 A|const double l4 = 580;/ |O4 B|const double l5 = 174;/ |B C|const double s4 = 290; / ?const double l24 = 350;/ |O2 O4|const double G4 = 200;/ ?const double G6 = 700;/ ?const double P = 4600;/ ?const double J4 = 1.1;/ ?struct Point double x, y;struct Line double a, b, c;Point O2, O4, A, B, C; / ?double w, H;/ w?, H?double sa, x0;/ sa?x0?double xmaxn;/ ?double vmaxn;/ ?double amaxn;/ ?double wymaxn;double wdmaxn;double dwmaxn;double mmaxn;/ ?double agmaxn;/ ?/* ?double Abs(double);double PP_dis(Point, Point);double PL_dis(Point, Line);Point Vec(Point, Point);Line Turn(Point, Point);double Inag(Point, Point);double Bin(double, double, double);/*void Init(void);/ ?double Cal_x(double);/ ?double Cal_v(double);/ ?double Cal_a(double);/ ?double Cal_m(double);/ ?double Cal_x4(double);/ ?4?double Cal_w4(double);/ ?4?double Cal_a4(double);/ ?4?int main() Init();int i;for (i=1; i maxn; i+) xi = Cal_x(agi) / 1000;vi = Cal_v(agi) / 1000;ai = Cal_a(agi) / 1000;mi = Cal_m(agi) / 1000;for (i=maxn-1; i = 1; i-) xi -= x1;/ ?/*printf(NUM ?x ?v ?an);for (i=1; i maxn; i+) printf(%3d %17.6lf%17.6lf%17.6lfn,i*2, xi, vi, ai);*/ Mydouble Md = 0, maxdW=0;for (i=1; i maxn; i+) Md += mi/180;for (i=1; i maxn; i+) wdi= Md * (i-1)*2*pi/180;wyi=(mi+mi-1)*pi/180+wyi-1;dwi=wyi-wdi;if(maxdWdwi)maxdW=dwi;printf(NUM ? ? ? ?mn);for (i=1; i maxn; i+) printf(%3d %17.6lf%17.6lf%17.6lf%17.6lfn,i*2, wdi,wyi,dwi,mi);printf(Md = %.6lf maxdW = %.6lfn,Md, maxdW);return 0;void Init() int i;/ ? O4 O2 ? ?w = n * 2 * pi / 60;O4.x = 0;O4.y = -(l4 + cos(asin(l2/l24) * l4) / 2;O2.x = 0;O2.y = O4.y + l24;/printf(%.3lf %.3lf %.3lf %.3lfn,O2.x, O2.y, O4.x, O4.y);/ ?sa = 1.5 * pi - acos(l2 / l24);printf(%f,(sa-pi)*180/pi*2);x0 = Cal_x(sa);for (i=1; i maxn; i+) agi = sa - pi/90*(i-1);H = 2*l2*l4/l24;/printf(%lf,x0);printf(H=%.6lf %.6lf %.6lfn, H, 0.05*H, 0.95*H);double Cal_x(double angle) A.x = cos(angle) * l2 + O2.x;A.y = sin(angle) * l2 + O2.y;double p = l4 / PP_dis(A, O4);B.x = (A.x - O4.x) * p + O4.x;B.y = (A.y - O4.y) * p + O4.y;C.x = B.x - cos( asin(Abs(B.y/l5) ) * l5;C.y = 0;return C.x;double Cal_v(double angle) double ret, t = 0.000001;ret = (Cal_x(angle - t*w) - Cal_x(angle) / t;return ret;double Cal_a(double angle) double ret , t = 0.000001;ret = (Cal_v(angle - t*w) - Cal_v(angle) / t;return ret;double Cal_x4(double angle) double ret;A.x = cos(angle) * l2 + O2.x;A.y = sin(angle) * l2 + O2.y;Point dp = Vec(O4, A);ret = pi/2 - atan2(dp.x, dp.y);return ret;double Cal_w4(double angle) double ret, t = 0.000001;ret = (Cal_x4(angle-t*w) - Cal_x4(angle) / t;return ret;double Cal_a4(double angle) double ret, t = 0.000001;ret = (Cal_w4(angle-t*w) - Cal_w4(angle) / t;return ret;double Cal_m(double angle) double f54, f34, tmp, ret;double tx = Cal_x(angle), tv = Cal_v(angle), ta = Cal_a(angle);f54 = -G6/g*ta / 1000;if ( tv 0 tx-x0 0.05*H-eps tx-x0 0.95*H+eps ) f54 -= P;Cal_x(angle);f54 /= cos( asin(Abs(B.y/l5) );tmp = f54 * PL_dis(O4, Turn(B, C) / 1000;tmp += G4*B.x/2000;tmp += -J4*Cal_a4(angle);tmp += - G4/g*Cal_a4(angle)*l4/1000*l4/1000;f34 = tmp / PP_dis(O4, A) * 1000;Cal_x(angle);ret = -f34 * cos(Inag(Vec(O2, A), Vec(O4, A) * l2;return ret;double Abs(double x) return x 0 ? x : -x;double PP_dis(Point a, Point b) / ?return sqrt(a.x-b.x)*(a.x-b.x) + (a.y-b.y)*(a.y-b.y);double PL_dis(Point p, Line ln) / ?return Abs(ln.a*p.x+ln.b*p.y+ln.c)/sqrt(ln.a*ln.a+ln.b*ln.b);Point Vec(Point a, Point b) b.x -= a.x;b.y -= a.y;return b;Line Turn(Point sp, Point ep) / ?Line ln;ln.a = sp.y - ep.y;ln.b = ep.x - sp.x;ln.c = sp.x*ep.y - ep.x*sp.y;return ln;double Inag(Point a, Point b) double ma, mb, ret;ma = sqrt(a.x*a.x + a.y*a.y);mb = sqrt(b.x*b.x + b.y*b.y);ret = acos( Abs(a.x*b.x + a.y*b.y)/ma/mb );return ret;double Bin(double l, double r, double goal) int cnt=0;double mid; while ( cnt+ 1000 ) mid = (l+r) / 2;if ( Cal_x(mid) goal )l = mid;elser = mid;return mid; 代入相应的设计数据得到如下的结果 29.643642H=414.418605 20.720930 393.697674NUM ? ? ? ?m 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 4 18.724097 0.054613 -18.669484 3.129115 6 37.448194 0.214179 -37.234015 6.013320 8 56.172291 0.470391 -55.701900 8.666560 10 74.896388 0.815425 -74.080963 11.102411 12 93.620485 1.241918 -92.378567 13.333846 14 112.344582 1.742940 -110.601642 15.372600 16 131.068679 2.311943 -128.756735 17.228898 18 149.792776 2.942777 -146.849998 18.915222 20 168.516873 3.629622 -164.887251 20.438085 22 187.240970 4.366954 -182.874016 21.807902 24 205.965067 5.149521 -200.815545 23.029913 26 224.689164 5.972344 -218.716819 24.114389 28 243.413261 6.830668 -236.582592 25.063938 30 262.137358 20.602334 -241.535023 763.994396 32 280.861454 48.006068 -232.855386 806.123908 34 299.585551 76.854561 -222.730990 846.772978 36 318.309648 107.096660 -211.212988 885.971674 38 337.033745 138.682153 -198.351592 923.743755 40 355.757842 171.561662 -184.196180 960.113367 42 374.481939 205.686644 -168.795296 995.104028 44 393.206036 241.009261 -152.196775 1028.732871 46 411.930133 277.482424 -134.447709 1061.025421 48 430.654230 315.059740 -115.594490 1091.996209 50 449.378327 353.695440 -95.682887 1121.666340 52 468.102424 393.344368 -74.758056 1150.049903 54 486.826521 433.961962 -52.864559 1177.166795 56 505.550618 475.504278 -30.046340 1203.032576 58 524.274715 517.927935 -6.346780 1227.663905 60 542.998812 561.190061 18.191249 1251.073333 62 561.722909 605.248300 43.525391 1273.277845 64 580.447006 650.060842 69.613836 1294.291659 66 599.171103 695.586388 96.415285 1314.130005 68 617.895200 741.784121 123.888921 1332.805088 70 636.619297 788.613721 151.994424 1350.333360 72 655.343394 836.035399 180.692005 1366.728636 74 674.067491 884.009835 209.942345 1382.004109 76 692.791588 932.498145 239.706557 1396.171395 78 711.515685 981.461903 269.946219 1409.245311 80 730.239782 1030.863258 300.623476 1421.243788 82 748.963879 1080.664781 331.700903 1432.173330 84 767.687976 1130.829466 363.141491 1442.051391 86 786.412073 1181.320788 394.908715 1450.888258 88 805.136170 1232.102676 426.966507 1458.699625 90 823.860267 1283.139519 459.279253 1465.496072 92 842.584363 1334.396073 491.811709 1471.288115 94 861.308460 1385.837552 524