曲柄式牛头刨床机械传动设计.doc

曲柄式牛头刨床机械传动设计摘 要 近年来，随着计算机技术水平的提高，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，特别是机械制造行业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所取代。牛头刨床从机械式和液压式逐渐变为数控牛头刨床。数控牛头刨床除了拥有良好的自动化和高效率，而且它还有一套安全检测系统，能够较好地处理复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效率的自动化机床，特别是对于大约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，显出其特有的灵活性。 本文首先利用三维solidworks软件建立了牛头刨床机械传动的三维模型，对曲柄结构提出新的设计思想。利用数字化设计的特点，结合solidworks中的三维模型，以solidworks软件为核心，建立了牛头刨床的运动方式，并对牛头刨床的主要零部件的运动特性进行了分析，建立了牛头刨床的实体模型。关键词：牛头刨床，数字化设计，仿真，solidworks，实体模型建立。 目 录第一章 绪论11.1国内外刨削加工现状及发展趋势11.1.1 国外刨削加工现状11.1.2 国内刨削加工现状11.1.3 国内外刨削设备发展现状21.1.4 国内外刨削设备配套趋势31.2本课题研究意义、主要内容和方法41.2.1 课题研究意义41.2.2 主要工作内容51.2.3 课题研究方法61.2.3 课题研究方法61.3数字化设计的基本概念61.3.1 传统设计与数字化设计61.3.2 数字化设计过程的特点71.3.3 数字化设计实现方法和手段71.3.4 数字化设计研究与发展的技术前沿91.4 本章小结11第二章 牛头刨床的总体设计122.1 设计参数及要求122.2 牛头刨床介绍122.2.1 牛头刨床简介122.2.2 牛头刨床的主要结构132.2.3 牛头刨床的运动情况142.2.4 牛头刨床的工作原理142.3运动方案的确定152.3.1 运动方案152.3.2 曲柄摇杆机构介绍162.4 设计的主要步骤212.5 总体设计222.6 本章小结23第三章 机械部分的参数及校核243.1 曲柄式牛头刨床的速度、加速度的计算243.1.1 牛头刨床导杆机构尺寸243.1.2 牛头刨床导杆机构的运动分析243.2 电机的选择与计算303.2.1 步进电动机的组成、特点及分类303.2.2 步进电动机的工作原理、主要参数及特性313.3 本章小结34第四章 solidworks软件介绍354.1 solidworks功能简介354.2 solidworks软件的特点364.3 本章小结37第五章 零部件的建模与设计385.1 床身的设计385.2 连杆的设计395.2.1 曲柄的设计395.2.2 摇杆的设计405.2.3 连杆的设计415.2.4 导轨的设计425.2.5 销钉的设计445.3 本章小结45第六章 总结与展望466.1 论文总结466.2 工作展望47参考文献48致谢49第一章 绪论刨削加工，就是在刨床上，通过刨刀与工件间作相对的切削运动，改变毛胚的尺寸和形状，使之成为合格零件。刨削加工，一般适用于单件、成批生产中，对零件上各类平面、槽和直线形曲面等的刨削。刨削工作，就其基本工作内容来说，可以刨各类型面：平面、平行面、垂直面、台阶面、直角形沟槽、斜面、燕尾形工件，T形槽、V形槽、曲面、孔内表面、齿条及复合表面等。上述各类型面，在多数机器零件上都是常见的，例如机床上的床身、工作台、拖板、刀架、滑枕及平口钳等。所以，刨削加工在机械制造工艺中，与其它工种一样占据着重要的地位1.1国内外刨削加工现状及发展趋势1.1.1 国外刨削加工现状 在国外的刨削加工中，采用智能化数控牛头刨床，引进自适应控制技术，根据切削条件的改变，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最好工作状态，从而得到较高的加工精度和较好的表面粗糙度，同时也可以提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。数控牛头刨床除了拥有良好的自动化和高效率，它还有一套安全检测系统。虽然数控牛头刨床安全检测系统造价很高，它的安全系统价格比较昂贵，但质量方面要好一些，国内的数控系统虽然价格相对较低，在某些方面与国外还是有一些差距。1.1.2 国内刨削加工现状从中国有了牛头刨床以后，刨床的发展几乎总是停留在机械、液压和数控这几个阶段发展，整体的发展情况并不十分乐观，与国际市场上的差距还很大，国外机床的发展已经脱离了单一品种，向复合机床发展。像牛头刨床这种中小机床又单一功能的机床几乎没有什么发展计划和方向。牛头刨床是一种中小机床，它主要是粗加工机床，主要加工一些精度要求不太高的零部件。但像模具零部件也还是可以加工的，相比插床它有很大的价格优势，精度也差不多，所以选择牛头刨床来进行加工模具的厂家比较多。牛头刨床除了大家熟知的优点以外，它还有以下几个方面的情况大家可以了解一下：1 一般的机床在走刀系统内装有过载安全机构，当由于操作不慎或者受到外力的影响，和切削超载时，走刀将自行打滑，不会损坏机件，而且保证机床的正常运转。2 牛头刨床滑枕和床身导轨间以及具有速度的齿轮副和主要的滑动导轨面，都有油泵打出的润滑油进行循环润滑，且可以根据大小进行调节油量大小3 机床内部装有离合器及制动停车机构，因此在变换速度，启动机床和停车时，可不需要切断电源，制动停车机构能使滑枕当离合器脱开时的惯性冲程量小于10毫米。1这是我们大家所熟知的牛头刨床，中国在这方面的发展从最初的机械式，早期的在机床性能及精度方面都不是太好，后来慢慢发展程有很多个档位很多个进刀量。机床的重量在不断增加。后来又发展出来液压牛头刨床，生产效率又进一步提高，但是由于受到温度影响比较大所以在全国并没有推广开来。到了21世纪，尤其是最近两年牛头刨床有向数控方面发展，进一步提高加工效率，还解放了人力。这就是国内的现状，下一步应该在精度方面进一步缩小与发达国家的差距。1.1.3 国内外刨削设备发展现状2012-2016年我国牛头刨床行业市场需求量预测：2006-2011年国内牛头刨床产品市场价格走势分析：1.1.4 国内外刨削设备配套趋势随着国际上计算机技术突飞猛进的提高，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展 运行高速化 加工高精化 功能复合化 控制智能化 体系开放化 驱动并联化 交互网络化 1、运行高速化、加工高精化速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速2、控制智能化 随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造也生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面： 加工过程自适应控制技术 通过检测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辨识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态：并根据这些状态实时修调加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行安全性。1 加工参数的智能化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的加工参数的智能优化与选择器，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。 智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术： 根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位的技术 智能故障自修复技术： 指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。13、体系开放化 定义： 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。 【 开放式数控系统的特点： 系统机构具有标准化与多样化和互换性的 特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系 统“积木式”的集成 【开放式结构CNC 的优点： 向未来技术开放 标准化的人机界面 向用户特殊要求开放4、驱动并联化 特点： 并联结构机床是现代机器人与传统加工 技术相结合的产物 由于它没有传统机床所必须的床身、立 柱、导轨等制约机床性能提高的结构。 具有现代机器人的模块化程度高、重量 轻和速度快等优点。 5、网络化 支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。 网络资源共享 数控机床的远程监视，控制 数控机床的远程培训与教学 数控装备的数字化服务（数控机床故障的远 程诊断、远程维护、电子商务等）1.2本课题研究意义、主要内容和方法1.2.1 课题研究意义 牛头刨床课程设计是我们学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是机械原理课程的一个教学环节。其目的在于进一步加强我们所学的理论知识，培养我们独立解决有关本课程实际问题的能力，使我们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，具体计算、solidworks制图和使用技术资料的能力。在此基础上，初步掌握牛头刨床的设计，并能使用solidworks解决设计中的技术问题。机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要实践环节。其基本目的在于：（）、进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本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设计有一较完整的概念。（）、使学生得到拟定运动方案的训练，并具有初步设计选型与组合以及确定传动方案的能力。 （）、通过课程设计，进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力1.2.2 主要工作内容1.） 为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，行程速比系数K在1.4左右。2.） 为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。 3.） 设计要求： 曲柄转速n2在64r/min, 刨刀的行程H在300mm左右为好， 机架：380mm, 切削阻力约为9000N 本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。牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1-1a。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特性的导杆机构。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19-10-11与棘轮带动螺旋机构，使工作台连同工件做一次进给运动，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大约0.05H的空刀距离，图1-1b）,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。1.2.3 课题研究方法 机械原理课程设计的方法大致可分为图解法和解析法两种。图解法几何概念较清晰、直观；解析法精度较高。根据教学大纲的要求，本设计主要应用图解1.2.3 课题研究方法 本设计的方法大致可分为图解法和解析法两种。图解法几何概念较清晰、直观；解析法精度较高。根据教学大纲的要求，本设计主要应用图解法进行设计1.3数字化设计的基本概念1.3.1 传统设计与数字化设计 从设计过程的总体结构看，数字化设计与传统设计的过程和思路大致相仿，即二者都是与设计人员思维活动相关的智力活动，是一个分阶段、分层次、逐步逼近解答方案并逐步完善的过程。但是，二者在设计活动中所采用的设计手段、工作及管理方式等方面是不同的，其表现如表3.1所示。 从表3.1可以看出，由于计算机技术、信息技术、网络技术等的飞速发展，使得设计过程中各个设计阶段所采用的设计工具、设计理念、设计模式等发生了深刻的变化，从手工绘图到计算机绘图、从纸上作业到无纸作业、从串行设计到并行设计、从单独设计到协同设计等。因此，数字化设计是利用数字化技术对传统产品设计过程的改造、延伸与发展。 表3.1 传统设计与数字化设计的比较比较内容传统设计数字化设计设计方式手工绘图计算机绘图设计工具绘图板、丁字尺、圆规、铅笔、橡皮等计算机、网络、CAD/Solidworks、绘图机、打印机等产品表示二维工程图纸、各种明细表等三维CAD模型、二维CAD电子图版等设计方法经验设计、手工计算、封闭收敛的设计思维基于三维的虚拟设计、智能设计、可靠性设计、有限元分析、优化设计、动态设计、工业造型等现代设计方法工作方式串行设计、独立设计并行设计、协同设计管理方式纸质图档、技术文档管理基于PDM的产品数字化管理仿真方式物理样机数字样机、物理样机特点过早进入物理样机阶段，从设计到物理样机反复修正个人经验、手工计算带来的设计错误，设计周期长，成本高形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观及色彩设计等采用数字样机实现，设计错误少，设计周期短，成本低1.3.2 数字化设计过程的特点 产品数字化设计过程具备以下的特点： （1）广泛采用CAx 工具：CAx软件的应用是数字化产品设计的基础，这些软件工具的应用表明制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。 （2）面向产品全生命周期：数字化产品设计必须考虑产品生命周期的各个环节，包括设计、分析、装配、试验、加工、维修、销售、服务等。设计过程中，个环节的相关人员从各自角度及早发现问题，并提出修改意见。 （3）基于知识的设计：产品设计的每一步都渗透着设计者的知识和经验，知识获取是其中最为重要、最为繁重，也是最需要爱大范围中进行广泛合作的过程。 (4) 跨地域: 制造的全球化使得参与设计过程各个阶段的设计人员分别来自不同的部门、地区，甚至不同的国家，为了实现设计过程中的相互协调，产品设计人员可以在PDM支持的网络环境下，并行协同地完成产品设计、制造活动。 （5） 并行性： 在产品设计过程中，下游设计人员，如工艺设计人员，可以对产品模型的可制造、可装配性进行评价，通过PDM向设计人员及时反馈评价结果或修改建议；生产制造人员可以通过对加工过程的仿真模拟来检验工艺路线的可行性和合理性，向工艺人员反馈仿真结果或修改意见。2 （6） 协同性：在设计过程中，不同阶段、不同学科或是不同部门、不同地区的设计人员经常需要进行协同交往，因此，数字化设计需要在线交互的通信工具的支持。 （7） 群体性： 产品设计过程中，涉及多领域、多学科知识的集成，整个开发过程往往不是一个人、一个部门或是一个企业所能完成的，而是多个领域的设计专家共同协作完成的。 （8） 异构性： 数字化设计中所采用的操作系统及相应的CAD/Solidworks等软件工具可能是不相同的：计算机配置、网络环境等硬件平台也可能是不相同的。因此，数字化设计是在异构环境中运行的。1.3.3 数字化设计实现方法和手段 数字化产品设计离不开先进的设计理论、方法和数字化设计手段的支持。设计理论是对设计过程的系统行为和基本规律的科学总结： 设计方法是指导产品设计的具体实施指南，是使产品满足设计原则的依据：设计手段是实现人的创造性思想的工具和技术，在现代设计方法中，计算机技术，信息技术、软件技术、数据库技术和网络技术的发展对设计方法和设计手段的变革起到了决定性的作用。以计算机为工作平台的数字化设计工具被广泛应用于设计过程的各个阶段，取代了传统手工设计使用的图版、丁字尺、圆规等，使得设计效率、设计水平和设计质量得到了全面提高。产品设计过程中采用的设计手段与方法主要包括以下内容。 一、 计算机辅助设计技术 CAD技术产生于20世纪50年代后期。它是一种应用计算机软、硬件系统在工程和产品设计的各个阶段和过程中，为设计人员提供各种快速、有效的产品设计工具和手段，加快和优化设计过程和设计结果，以达到最佳设计效果的一种技术，是工程技术人员以计算机与CAD软件为工具，结合各自的专业知识，对产品进行设计、分析和编写技术文档、优化设计方案，并绘制出产品或零件图的过程。CAD一词，习惯上指应用于几何建模和结构设计的计算机辅助设计技术，其功能一般有几何建模、特征建模、物性计算等，以及一般软件使用操作，数据存储、显示和输出等。CAD系统的发展和应用使传统的、依靠手工绘图的产品设计方法发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。通常这样的软件系统包括以下功能。4 1、 三维建模 三维模型展现了产品在三维空间中的真实形状，是设计过程中设计思想的直观反映。三维模型的建立是基于计算机几何造型技术发展起来的，它是在设计方案确定以后，借助CAD系统提供的造型方法确定产品零部件的结构形状、数量和相互配置关系，并以一定的方式在计算机内部存储起来，同时把设计结果呈现给设计者进行修改判定。在传统的手工设计或基于二维的设计中，只能得到产品或零部件的投影图，没有产品的三维模型，无法预知产品设计中的潜在错误和不合理结构，也无法分析产品的装配性能、结构性能和动力学性能等，致使设计质量和设计周期无法得到有效保障。在数字化产品设计中，引用三维建模技术可以获得产品零部件的实体模型，并对其进行虚拟的综合设计和分析。在三维建模技术的支持下，产品设计不再停留在传统的原理符号设计阶段，而逐步由二维平面设计转向三维模型设计。2 2、计算机辅助工业设计 传统的产品设计主要是面向功能的设计，往往忽略产品的造型、肌理、色彩、装饰、人机因素等。随着市场竞争的日益激烈，可供顾客选择的产品空间越来越大，顾客除了选择产品的使用功能外，更加注重产品的外观、色彩、宜人性等个性化特征。这些往往成为产品的主要卖点，同时也使得产品具有更高的附加值。 计算机辅助工业设计（CAID）技术是工业设计理论与CAD技术的有机结合，它是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术。CAID技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，运用工业设计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述，充分发挥计算机快速、高效的优点，以及设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力。 在数字化产品设计中，工业设计的思想贯穿于设计的各个阶段，在产品的定义阶段就需要考虑产品的外观、色彩等多样性特征；在方案设计阶段，将产品的工业造型、色彩等外形特征提前呈现给顾客；在技术设计和详细设计阶段则需要考虑在满足产品外观、材质、宜人性等约束下的原理和结构设计 3、数字化预装配 数字化预装配是数字样机和虚拟设计的重要组成部分。预装配的内容包括产品的装配建模、装配零件之间的约束关系及间隙分析、装配规划、可装配性分析与评价等。产品数字化预装配是在产品数字化定义的基础上，利用计算机模拟产品装配的过程，检查产品的可装配性，它主要用于产品设计过程中及时进行静动态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查等。通过数字化预装配过程，可以使设计者在开发的初期阶段就能够对所设计的产品进行分析与协调，提高设计的速度与质量。 数字化与装配的主要功能有两方面。一是实现虚拟装配过程的协调和管理，以可视化的形式规划、展示和验证虚拟装配工艺过程，通过人机协同的装配工艺规划算法，生成装配顺序与路径，进行装配过程的仿真与协调，实现各级工作的有序进行；二是实现数字样机的分析与优化，使设计人员能够对数字预装配的数字样机进行浏览、检查和运动模拟，分析并优化装配件的设计，实现结构分析、运动模拟和数字样机优化，包括空间结构优化、机构运动优化、装配模拟优化以及数字样机的综合优化 目前大型的CAD系统都具有数字化预装配的功能，不仅能够对产品进行数字化预装配，而且还能进行装配环境的仿真，准确反映装配操作、装配空间以及工装夹具对装配工作的影响 4、 虚拟现实技术 虚拟现实是将人的想象力与电子学、信息科学相结合的一项综合技术，利用计算机技术构建一种特殊的仿真环境，这种环境并不是真实存在的，但用户可以借助各种传感系统与它进行自然的交互，仿佛身临其境一般 虚拟现实技术具备自主性、交互性和沉浸感三个基本特征。虚拟设计是以虚拟现实技术为基础，结合产品设计CAD 的一种手段，应用前景十分广阔。在产品的方案设计和技术设计阶段，通过三维虚拟环境，设计人员能够直接操纵产品和零件，进行各种形状的建模和修改，利用虚拟现实的漫游特征和实时交互性，相关人员可以对产品原型的各个方面进行评价。这样在产品的设计初期就可以得到各方面的意见，从而保证了设计质量.2 5、 计算机辅助工艺规划 计算机辅助工艺规划是实现CAD/CAM一体化，建立集成制造系统的桥梁。CAPP是一种通过计算机技术，以系统化、标准化的方法，辅助确定零件或产品从毛胚到成品的制造工艺流程规划方法与技术。它通过加工工艺信息的输入，利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。与传统的手工工艺过程设计相比，CAPP能够显著提高工艺文件的质量和工作效率，减少工艺编制工作对工艺人员技能的依赖，缩短生产准备周期，便于保留企业生产经验、建立工艺知识库，改进工艺方法、引入新工艺1.3.4 数字化设计研究与发展的技术前沿 1. 并行设计技术 进入20世纪90年代后，设计阶段的重要性越来越被人们所认识，并行工程的概念应运而生。并行工程的定义可以使用1986年美国国防分析研究所在R-338研究报告中提出的定义： 并行工程是对产品及其相关过程进行并行、一体化技术的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求，以减少产品开发过程下游的设计更改，缩短整个产品的开发过程周期。并行工程中的产品模型是以三维实体几何模型为基础的包括物理信息、工艺信息、成本信息、装配信息及其他管理信息的集成的模型，并行工程的核心是并行设计。 并行设计是以并行工程的思想贯穿于产品设计过程的一种集成化设计方法，遵循的原则是以产品开发为中心，并综合考虑产品生命周期的各阶段，涉及设计流程的更改。 工程设计本质上是一个顺序性、协调性很强的工作过程。处于产品生命周期前端的设计阶段不但需要为下游的环节提供完整信息，而且需要来自下游环节的反馈信息以对设计阶段的不足提出修改意见。因此，并行设计的着眼点是把过程设计中传统的顺序性和并行设计中的并行性合理地协调起来，使设计者从一开始就考虑产品生命周期的所有因素，以便能够实现提高质量、缩短开发周期、降低成本等综合指标。 并行设计的并行性在计算机环境下必须具有可操作性。从设计活动来看，要使设计活动并行起来，需要对设计流程进行有效管理，将设计活动中可并行的活动确定下来，在整个设计过程中重新安排各个活动，定义完成各项活动的步骤顺序，协调各自过程的相互关系，解决它们之间的冲突。从产品模型来看，模型的信息应可修改和更新，特别是针对产品外形的几何模型，在根据下游需求修改后，模型不需重构而是在新参数下更新。从组织模型来说，并行设计的参与人员是以团队的组织形式工作，设计团队包括了个领域的专家，每个领域的专家负责本领域的开发工作以及与其他领域的协调。2 在设计过程中，下游活动中的输入数据、信息来源于前面环节的输出结果。在串行工作方式中，这个输出结果不可能在前面环节的进行过程中就获得，因此需要等到前面环节任务完成才能开始本活动的工作，造成了时间上的延迟。在并行设计时当前工作小组可以在前面工作小组的任务尚未完成时，就启动当前活动，这个时候获得的信息是不完备的，但却是当前活动所必须的。在本活动中，根据这些信息进行的设计可能会因信息是不完备的，从而导致设计结果会随着前面结果的变化而变化。在开发过程中，各环节的模型与信息也是不断完善的过程，直到设计过程全部完成。要保证这个过程的实现，系统必须具有支持并行设计的下列功能： （1）能够对下游环节进行信息的发布：在一个环节的进行过程中，能够对当前环节的中间结果信息进行 发布，这些信息包括几何模型、产品数据信息、文档等。信息发布的时机可以借鉴成熟度的思路来控制。例如：按照一个几何模型完成的百分比或者按照主要功能完成的程度，定义一个阀值，超过该值，可以发布一个预发布版本。这个预发布版本发布给下游的活动，下游活动可以进行初步的工艺工装设计和制造准备。 （2）下游信息的反馈：下游信息反馈到上游，不同环节反馈的信息不同，包括文档信息，数据库信息，模型信息。 （3）对设计过程的信息进行管理： 管理设计过程各环节的信息，包括中间信息、发布信息、信息之间的关联等。 （4）对设计的更新：各阶段的设计小组每次收到新的发布信息后，能够对原有设计进行更新。设计更新有两种方式，一种是自动方式，每次新的信息到来后，系统自动进行更新；另一种采用人工交互更新的方式。 2、制造仿真与虚拟样机技术 仿真是模型在计算机上的运行，产品制造中所涉及的模型大致可以分为三类，即产品模型、制造系统模型和开发过程模型。仿真技术的应用以这三类模型为中心展开，在产品制造中的应用也包括以产品模型为中心的仿真、以制造系统模型为中心的仿真和以产品开发过程模型为中心的仿真等三个方面，这三方面的应用随着制造企业信息化进程的发展而发展，总的趋势是由局部到全局，由分散到集成，并更加注重可视化技术的应用及与用户之间的交互。 （1）以产品模型为中心的仿真包括产品的静态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配性分析。 在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特征，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品本身的仿真，如CAE，是仿真技术在制造业应用的基本方面。 （2）以制造系统模型为中心的仿真包括对于复杂制造装备的仿真，对于复杂制造系统的仿真。仿真的目的在于确定设备能力和运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。 （3）以开发过程模型为中心的仿真包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。在设计阶段，产品的性能和成本就基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要性，以及设计过程中多学科协作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和仿真越来越受到人们的重视。 为实现三类模型及其仿真的综合集成，需要扩展传统的产品数字化模型。虚拟样机是利用计算机仿真技术建立与物理样机相似的模型，通过对该模型进行评估和测试，从而获取关于候选的物理模型设计方案的特性。例如通过基于实体可视化的仿真分析，模拟在真实工作环境条件下的运动和动力特性，最终得到最优设计方案。虚拟样机设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更经济、更全面地了解产品性能的方法。虚拟样机是基于三维CAD的产物，但不仅仅是计算机内部所有零部件的装配组合。一个完整的虚拟样机应包含所有零部件的三维CAD模型及各级装配体，其中三维模型应参数化、相关、适合于变形设计、适合于部件模块化，三维装配体适合运动结构分析、有限元分析、优化设计分析，并且包含三维整机的检测与试验等内容。1.4 本章小结 本章主要介绍了刨削加工在国内外的情况，阐述了刨床的发展趋势及市场前景。在牛头刨床上主要运用的数控技术方面的发展成果，和数字化设计过程在加工中的运用。第二章 牛头刨床的总体设计2.1 设计参数及要求根据设计对该简易冲床的要求，主要设计参数及要求为：1） 曲柄转速n2在64r/min, 2） 刨刀的行程H在300mm左右为好，3） 机架：380mm, 切削阻力约为9000N4） 为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，行程速比系数K在1.4左右。5） 要求性能良好，结构简单，工作平稳，效率高，寿命长2.2 牛头刨床介绍2.2.1 牛头刨床简介图1牛头刨床外形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，电动机经行星轮系和齿轮Z4、 Z5减速带动曲柄2转动。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头和刨刀作往复运动。刨头向左时，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。刨头右行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产力 中小型牛头刨床的主运动，大多采用曲柄摇杆机构(见曲柄滑块机构)传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。机床的主参数是最大刨削长度。牛头刨床主要有普通牛头刨床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。普通牛头刨床(见图)由滑枕带着刨刀作水平直线往复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加一仿形机构，用于加工成形表面，如透平叶片。移动式牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身(卧式)或立柱(立式)上移动，适用于刨削特大型工件的局部平面。因为利用往复运动的刀具切割已固定在机床工作平台上的工件一般用来加工较小工件)。机床的刀架状似牛头，故名牛头刨床。2.2.2 牛头刨床的主要结构 图2-1 牛头刨床主要结构 如图所示，1、工作台，用于放置加工工件。2、刀架，用于安装并放置刨刀。3为滑枕。4、曲柄摆杆机构。5、摆杆齿轮。6、带传动机构。7、电动机。8、床身。9、齿轮变速机构。10、圆盘。11、销子。12、曲柄连杆机构。13、棘轮机构。2.2.3 牛头刨床的运动情况 电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄和固结在其上的凸轮。刨床工作时，由导杆机构带动刨头和刨刀做往复运动。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，利用空回形成的时间，凸轮通过四杆机构与棘轮带动螺旋机构，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，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运转，固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。2.2.4 牛头刨床的工作原理 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。刨床工作时, 如图(2-1）所示，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；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阻力。切削阻力如图(b）所示。O2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr图（2-1）2.3运动方案的确定2.3.1 运动方案方案分析:1. 机构具有确定运动.自由度为F=3n-(2Pl+Ph)=35-(27+0)=1;2. 通过曲柄带动摆杆导杆机构和滑块使刨刀往复运动,实现切削功能,能满足功能要求.3. 工作性能,工作行程中刨刀速度较慢,变化平缓,符合切削要求,摆动导杆机构使其有急回作用,可满足任意行程速比系数k的要求;4. 传递性能,机构传动转角为90,传动性能好,能承受较大的载荷,机构运动链较长,传动间隙较大;5. 动力性能,传动平稳,冲击震动较小6. 结构和理性,结构简单合理,尺寸和质量也较小,制造和维修也较容易7. 经济性,无特殊工艺和设备要求,成本较低.综上所述,选该方案.2.3.2 曲柄摇杆机构介绍2.3.2.1平面四杆机构的基本类型 最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。它的应用非常广泛，是组成多杆机构的基础。全部由回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。对于铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的，因此可按两连架杆的运动形式将铰链四杆机构分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。下面主要介绍一下曲柄摇杆机构。2.3.2.2 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。在这种机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。此种机构应用广泛，如下图2-3所示牛头刨床横向进给运动，图2-3-1所示搅拌机构，图2-3-2所示缝纫机所示即为此种机构。图 2-3 牛头刨床横向进给运动图 2-3-1 搅拌机构图 2-3-2 缝纫机2.3.2.3 曲柄摇杆机构的主要特性 （一）急回运动特性 图2-4所示为一曲柄摇杆机构，设曲柄AB为原动件，在其转动一周过程中，有两次与连杆共线，这时摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D.摇杆在两极限位置间的摆角为。机构在两个极为时，原动件AB所处两个位置之间所夹的锐角称为极为夹角。如图2-4所示，当曲柄以等角速度w1顺时针转时，摇杆由位置C1D摆到C2D，摆角是。设所需时间为t1,C点的平均速度为.当曲柄继续转过时，摇杆又从位置回到,摆角仍然是，设所需时间为,C点的平均速度为.由于摇杆往复摆动的摆角虽然相同，但是相应的曲柄转角不等，即，而曲柄又是等速转动的，所以有,因而.它表明摇杆在摆回时具有较大的平均速度。摇杆的这种性质称为急回运动特性。未为了表明急回运动的急回程度，通常用所谓行程速度变化系数K来衡量，即如已知K，即可以求得极位夹角上述分析表明：当曲柄摇杆机构在运动过程中出现极位夹角时，机构便具有急回运动特性。角越大，K值越大，机构的急回运动特性也越显著。所以可通过分析机构中是否存在极位夹角及的大小，来判定机构是否具有急回运动及急回运动的程度。在一般机械中，. (二)压力角和传动角 在图2-5所示的四杆机构中，若不考虑各运动副中的摩擦角及构件重力和惯性力的影响，由主动件AB经过连杆BC传递到从动件CD上点C的力，将沿BC方向。力F可分解为沿受力点C的速度方向的分力及垂直方向的分力.设力F与受力点C的速度方向之间所夹锐角为，则,.其中是推动从动件CD运动的有效分力，而只能使铰链C和产生径向压力。由上式可知越大，径向压力也越大，故称角为压力角。在摩擦副中产生较大的阻力，当不能克服这个阻力时，从动件不能运动，机构自锁。压力角的余角称为传动角，用表示，（连杆BC与从动件CD所夹的锐角）。由上式可见，角越大，则有效分力越大，而越小，因此对机构的传动越有利。所以在连杆机构中常用传动角的大小及变化情况来表示机构传力性能的好坏。 在机构的运动过程中，传动角的大小是变化的。当曲柄AB转到与机架重叠共线和拉直共线时，传动角出现极值和。这两个角大小分别为： 比较这两个位置的传动角，即可求得最小传动角。为了保证机构的传动性能良好，设计时通常应使;在传递力矩较大时，则应使,对于一些受力很小或不常使用的操作机构，则可允许传动角小些，只要不发生自锁即可。图 2-5 压力角和传动角 （三）死点位置 曲柄摇杆机构中，若摇杆为主动件，当从动件与连杆共线时，机构的传动角为零，此时不论驱动力F有多大，其有效分力=0,机构的这种位置称为机构的死点位置。如图2-6-1 所示的缝纫机脚踏板驱动机构，就是利用皮带轮的惯性作用使机构通过死点位置的。图 2-6-1 缝纫机踏板 死点位置对传动不利，但对夹紧和防松有利。如图2-6铰链四杆机构，当工件5被加紧时，铰链中心B、C、D共线，工件加在杆1上的反作用力无论多大，也不能使杆3转动。这就保证在去掉外力F之后，仍能可靠地夹紧工件。当需要取出工件时，只需向上扳动手柄，即能松开夹具。2.4 设计的主要步骤 1）先通过去厂里面熟悉冲床主要有哪些机构组成，了解清楚后在对其各部分进形设计、绘制。 2）利用Solidwords软件对测绘数据进行建模处理，并绘制出相应的工程图。研究其相互之间的配合关系。 3）利用Solid words软件对已建模的各个部分零件进行装配配合，组成模拟模型，完成整体设计。 4）最后在分析冲床各个部件的作用及运动情况，对机床进行运动学仿真，模拟真实机床的运动情况。 5）分析研究，看是否有需要改进的地方，完成最终设计。2.5 总体设计曲柄式牛头刨床主要是由床身、连杆、曲柄、过渡连杆四大部分组成，而它们是我这次设计的主要内容。再配合挡圈销子以及导向导轨等组合形成曲柄摇杆机构，以便完成所设计的曲柄式牛头刨床。建立模型如下图2-5所示 图2-5总装配图牛头做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及电动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄摇杆机构运动规律的主要任务就是研究牛头头的运动规律。2.6 本章小结这一章节是对全功能牛头刨床的机械部分总体设计，机械部分总体设计是非常重要的环节。在对它的整体结构进行设计时，我首先要对牛头刨床了解清楚，然后再构思出牛头刨床的整体结构，构思好了之后，就要进行