机械毕业设计58牛头刨床机构的分析与综合

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 (c)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=310 mm； 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： 66.33146.1 146.118011180 kk导杆长度：41 3 1 0 1 5362 2 s i n 1 6 . 8 3s i n2BOHl mm 连杆长度：BCl=0.28 4BOl=150mm 曲柄长度 :2 2 4 s i n 3 8 0 * s i n 1 6 . 8 3 1 1 02A O O Oll 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3，刨头可能的Z1 Z2 Z3 Z4 皮带传动比 i0=3 齿轮传动比 i12=i34=2 由电动机传出的转速为 960转 /分，经过皮带轮减速度变为240，再经过齿轮减速最后输出的速度为 60 转 /分。 最大 压力角位置是导杆 B 和 B ，设压力角为 1 ， 2 （见下图）。根据几何关系3=12 。由于 2 与 1 ，3呈背离关系，即 2 增加则 1 ，3减小且3 1 。则要使机构整体压力最小，只要有 2 =3，当刨头处于导杆摆弧平均置处 1 = 2 ，则 BCBOll )2c o s1(21a r c s in 42 所以 4 4 411(1 c o s ) 5 3 6 * 5 3 6 (1 c o s 1 6 . 8 3 ) 5 3 6 1 1 . 5 5 2 4 . 52 2 2C O B O B Oy L l m m 2） .机构运动简图的绘制 选取一长度比例尺，机构运动简图的绘图工作要求在计算机上使用 CAD 完成。 如图所示 牛头刨床结构简图曲柄连杆导杆滑块注：极 位 夹 角 ： 3 3 . 6 6连 杆 ： 1 5 0导 杆 ： 5 3 6曲 柄 ： 1 1 0高度（ ） : 5 2 4 . 5六 .运动分析及公式推理 1、导杆的运动分析 要求： 导杆机构的运动分析。根据已定出的尺寸参数及原动件转速 n,用解析法求出当曲柄转角 1 从刨头处于最左侧起，沿转动方向没隔 10 度计算一组运动参数，其中包括各构件的角位置，角速度，角加速度以及刨头的位移（以最左侧为零点），速度和加速度；并用计算机辅助设计在同一副图中绘出刨头的位移曲线，速度曲线和加速度曲线，并分析结果合理性 步骤： 分析： 解：如图建立一直角坐标系，并标出各杆矢及其方位角 1） 由封闭形 O2AO402可得： 472l l svvv （7l为机架） 分别在 X， Y 轴上投影可得： 2 2 4 4c o s c o sls （ 1） 7 2 2 4 4+ s i n = S s i n ll （ 2） 2）由封闭图形2OBCG2O可得： 4 5 c7+ = + sl l lv v uv v （7l为4oG 的距离） 分别在 X， Y 轴上投影得； 4 4 5 5 cc o s + c o s = sll（ 3） 4 4 5 5 7 s i n + s i n = l l l（ 4） 联解（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）得： 4=arctan7 2 222sincoslll 2 0, /2 3/2 ,2 4= + arctan7 2 222sincoslll 2 /2,3/2 5=arcsin7 4 45l -l sin l 2 0, /2 3/2 ,2 5= - arcsin7 4 45l -l sin l 2 /2,3/2 *C 点的位移：cS= l4cos4+ l5cos54S= l2cos2/ cos44 2 2 2 4S s i n ( )wl &4 2 2 2 4 4c o s ( ) /w w l s5 4 4 4 5 5c o s / ( c o s )w w l l*C 点的速度：CV=55444 c o s )sin( L22 4 2 4 44 41 s i n ( ) 2w l w SS& + -a= 55444255524445 c o s c o ss ins in L LLL *C 点加速度：ca=5525544245444 c o s )c o s ()s in ( LLl 七 .静力分析 1) 对曲柄 ,由平衡条件有： 21yFxF=0, 21xF+2oxF=0； yF=0, 21yF+2oyF=0； 2OM=0；21xFl1 sin2-21yFl1 cos2-TN =0 2）对导杆， 又平衡条件有： xF=0, F 4Ox+F43x -F23 sin4 =0 ； yF=0, F 4Oy+F43y + F23 cos4 -m2 g=0； 4oM=0, - F43x l3 sin4 + F43y l3 cos4 -1/2 m2 g l3 cos4 + F23 s3 =0 2) 对滑块 , 由平衡条件有 xF=0, F32 sin4 -F12x =0 yF=0, - F32 cos4 -F12y =0 4)对连杆，由平衡条件有 xF=0, -F34x -Fmax =0； yF=0, Fcy -F34y =0； 4oM=0， Fcy l4 cos5 + Fmax l4 sin5 =0 综上所述联立方程求得 F34x =- Fmax Fcy =- Fmax tan5 F34y =- Fmax tan5 F23 =（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） / s3 F 4Ox=- Fmax +（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） sin3 / s3 F 4Oy= m2 g- Fmax tan5 -（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） cos4 / s3 F12x =-（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） sin4 / s3 F12y =（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） cos4 / s3 2oxF= F12x 2oyF= F12y TN =（ Fmax l3 sin4 - Fmax tan5 l3 cos4 +1/2 m2 g l3 cos4 ） l1 cos(2 -4 )/ s3 *将数据和公式输入 Excel 工作表中 分析结果如下所示： 1 sE VE Ae Tn 0 0.298729 -0.24545 -4.51172 237.131038 10 0.290233 -0.3631 -3.76994 350.511561 20 0.278721 -0.46299 -3.12032 446.48377 30 0.264661 -0.54675 -2.54718 526.641623 40 0.248486 -0.61542 -2.03402 592.020781 50 0.230604 -0.66971 -1.56591 643.36697 60 0.211407 -0.71026 -1.13009 681.334402 70 0.191267 -0.73768 -0.71589 706.598142 80 0.170539 -0.7527 -0.31438 719.888218 90 0.149559 -0.75603 0.081998 721.959183 100 0.12864 -0.74835 0.479849 713.509279 110 0.108081 -0.73014 0.885383 695.071567 120 0.088172 -0.70159 1.305135 666.876199 130 0.069202 -0.66242 1.74684 628.725946 140 0.051477 -0.61179 2.22037 579.87771 150 0.035333 -0.5482 2.738595 518.957241 160 0.021161 -0.46945 3.317877 443.926956 170 0.009419 -0.37272 3.977598 352.142908 180 0.000651 -0.25478 4.737474 240.555985 190 -0.00451 -0.11245 5.610193 106.129839 200 -0.00535 0.056635 6.585477 -53.450385 210 -0.00111 0.252876 7.601282 -238.72898 220 0.008926 0.47322 8.502137 -447.07892 230 0.025328 0.709307 8.999347 -670.95587 240 0.048335 0.945399 8.676895 -895.86521 250 0.077623 1.156691 7.11571 -1098.5718 260 0.112061 1.310184 4.172992 -1247.6325 270 0.149559 1.360472 0.265523 -1299.1553 280 0.187248 1.322778 -3.65222 -1266.6619 290 0.222085 1.170655 -6.63417 -1123.8799 300 0.251645 0.949724 -8.22689 -913.84331 310 0.274604 0.702124 -8.57306 -676.86138 320 0.290714 0.460738 -8.108 -444.78541 330 0.300424 0.243026 -7.25293 -234.82227 340 0.304484 0.054093 -6.28714 -52.287257 350 0.303682 -0.10753 -5.35452 103.93678 360 0.298729 -0.24545 -4.51172 237.130962 各线图如下： 刨头的位移曲线-0.0500.050.10.150.20.250.30.350 10 20 30 40sE刨头的速度曲线-1-0.500.511.50 10 20 30 40VE刨头的加速度曲线-10-8-6-4-202468100 10 20 30 40Ae平衡力矩的变化曲线如下 平衡力矩的变化曲线-1500-1000-500050010000 10 20 30 40 Tn 参考文献 1.