牛头刨床刨刀的往复运动机构

机械机械原理原理课程设计课程设计 计算说明书计算说明书 课题名称 牛头刨床刨刀的往复运动机构 姓 名 院 别 工学院 学 号 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设 1201 指导教师 2014 年 6 月 7 日 工学院课程设计评审表工学院课程设计评审表 学生姓名专业机械设计制造及其自动化年级 2012 级级 学号 设计题目牛头刨床刨刀的往复运动机构 评价内容评价指标 评分 权值 评定 成绩 业务水平 有扎实的基础理论知识和专业知识 能正确设计机构运动方案 或正 确建立数学模型并运用 matlab 进行仿真 对所设计机构的特定位置进 行运动分析和动态静力分析 独立进行设计工作 能运用所学知识和 技能去发现与解决实际问题 能正确处理设计数据 能对课题进行理 论分析 得出有价值的结论 40 论文 设 计说明书 图纸 质 量 论述充分 结论严谨合理 设计方法正确 分析处理科学 文字通顺 技术用语准确 符号统一 编号齐全 书写工整规范 图表完备 整 洁 正确 图纸绘制符合国家标准 计算结果准确 工作中有创新意 识 对前人工作有改进或突破 或有独特见解 40 工作量 工作态度 按期完成规定的任务 工作量饱满 难度较大 工作努力 遵守纪律 工作作风严谨务实 20 合计 100 指导 教师 评语 目目 录录 1 设计任务书设计任务书 4 1 1 设计题目 4 1 2 牛头刨床简介 4 1 3 牛头刨床工作原理 4 1 4 设计要求及设计参数 6 1 5 设计任务 7 二 导杆机构的设计及运动分析二 导杆机构的设计及运动分析 8 2 1 机构运动简图 8 2 2 机构运动速度多边形 9 2 3 机构运动加速度多边形 11 三 导杆机构动态静力分析三 导杆机构动态静力分析 14 3 1 静态图 14 3 2 惯性力及惯性力偶矩 14 3 3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲柄平衡力 15 心得与体会心得与体会 21 参考文献参考文献 22 一 设计任务书一 设计任务书 1 11 1 设计题目 牛头刨床刨刀的往复运动机构设计题目 牛头刨床刨刀的往复运动机构 1 21 2 牛头刨床简介 牛头刨床简介 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 1 31 3 牛头刨床工作原理 牛头刨床工作原理 牛头刨床是一种刨削式加工平面的机床 图 1 所示为较常见的 一种机械运动的牛头刨床 电动机经皮带传动和两对齿轮传动 带 牛头刨床外形图牛头刨床外形图 动曲柄 2 和曲柄相固结的凸轮转动 由曲柄 2 驱动导杆 2 3 4 5 6 最后带动刨头和刨刀作往复运动 当刨头右行时 刨刀进行切削 称为工作行程 当刨头左行时 刨刀不切削 称为 空回行程 当刨头在工作行程时 为减少电动机容量和提高切削质 量 要求刨削速度较低 且接近于匀速切削 在空回行程中 为节 约时间和提高生产效率 采用了具有急回运动特性的导杆机构 此 外 当刨刀每完成一次刨削后 要求刨床能利用空回行程的时间 使工作台连同工件作一次进给运动 以便于刨刀下一次切削 为此 该刨床采用凸轮机构 双摇杆机构经棘轮机构和螺旋机构 图中未 示出 带动工作台作横向进给运动 A B C x y s5 s3 Xs5 E D Y S5 1 2 3 7 5 6 n1 F r YFr 4 图图 1 1 牛头刨床机构简图牛头刨床机构简图 0 05H0 05H H Sc Fmax F 图图 2 2 刨刀阻力曲线刨刀阻力曲线 图图 3 3 曲柄位置图曲柄位置图 1 41 4 设计要求及设计参数 设计要求及设计参数 设计要求 设计要求 1 绘图问题 A1 图纸一张 A1 图纸 1 张 绘图工具一套 2 绘图要求 作图准确 布置匀称 比例尺合适 图面整洁 线 条尺寸应 符合国家标准 3 计算说明书要求 计算程序清楚 叙述简要明确 文字通顺 书写端 正 设计参数 设计参数 设计内容符号数据单位 n160 minr lAC380 lAB110 lCD540 lDE0 25lCD LCs30 5lCD xs5240 导杆的运动分析 ys550 mm 导杆机构动态静力 计算 G3200N G5700 Fr7000 yFr80mm Js31 1 2 kgm 1 51 5 设计任务 设计任务 用图解法对牛头刨床的连杆机构进行运动分析和动力分析 要 求画出 A1 图纸一张 A2 图纸一张 写出计算说明书一份 二 导杆机构的设计及运动分析二 导杆机构的设计及运动分析 2 12 1 机构运动简图 机构运动简图 图图 2 12 1 机构运动简图机构运动简图 1 选方案选方案 在连杆机构中 曲柄有 30 个连续等分 1 30 个 位置 见图 3 选取选取 4 4 位置位置进行设计及运动分析 取长度比例尺 0 004 l m s mm 2 取构件 2 和导杆 3 垂直 即构件 5 在最左方 时为起始位置 1 用量角器量取 4 1 12 36 度 两个工作行程的极限位置 1 和 E 点两极限位置如图虚线 极限位置距离 h 312mm 机构运 18 动简图如图 2 1 所示 2 22 2 机构运动速度多边形 机构运动速度多边形 图图 2 22 2 机构运动速度多边形机构运动速度多边形 根据机构运动简图 进行速度分析 根据同一构件上相对速度 原理列速度矢量方程式 得 B3 B3B2 B2 大小大小 方向方向 CB CB BC BC AB AB 计算 计算 n 60r min 1r s 2 n 2 rad s n 60r min 1r s 2 n 2 rad s B2B2 l lABAB 2 rad s 0 11m 0 22 m s 2 rad s 0 11m 0 22 m s 速度多边形 速度多边形 在图上任取速度极点 P 速度比例尺 v v B2B2 PbPb1 1 0 220 22 m m s s 120 120 0 006 m s mm 0 006 m s mm 过点 p 作直 线pb1 长度为 120 垂直杆 AB 代表 B2的方向线 过点 p 作垂直 杆 CB 的直线 代表 B3 再过点 b1作直线平行于 BC 代表 B3B2 的方向线 这两方向线交点为 b3 则矢量 pb3和b1b3分别代表 B3和 B3B2 其大小分别为 B3B3 v v pb pb3 3 0 006 m s mm 62 0 37m s 0 006 m s mm 62 0 37m s B3B2B3B2 v v b b2 2b b3 3 0 006 m s mm 101 0 6m s 0 006 m s mm 101 0 6m s 根据影像相似原理求出 D D CB CD pbCB CD pb3 3 pd pd 即 106 5 135 62 pd106 5 135 62 pd 解得 pd 78 pd 78 D D v v pd 0 006 m s mm 78 0 468pd 0 006 m s mm 78 0 468 m sm s 方向在 pb3的延长线上 再根据同一构件上相对速度原理列速度矢量方程式 得 E E EDED D D 大小大小 方向方向 导路导路 ED ED CD CD 速度多边形 速度多边形 pd 78 方向在 pb3的延长线上 再过点 P 作水平线 代表点 E 的速度方向 再过点 d 作杆 ED 的垂直线 这两方向线交于 点 e 则矢量 pe 和 de 分别代表 E及 ED 其大小分别为 E E v v pe 0 006 m s mm 75 0 45m s pe 0 006 m s mm 75 0 45m s EDED v v de 0 006 m s mm 20 0 12m s de 0 006 m s mm 20 0 12m s 因为 4 位置为工作行程 故刨头在此过程中匀速即 S5 E 根据重心得加速度影像相似原理求出 S3 CSCS3 3 CD PS CD PS3 3 Pd Pd 即即 67 5 135 PS67 5 135 PS3 3 78 78 解得 PSPS3 3 39 39 S3S3 v v PS PS3 3 0 006 m s mm 39 0 234 0 006 m s mm 39 0 234 m sm s 方向在 Pd 上 机构运动速度多边形如图 2 2 所示 2 32 3 机构运动加速度多边形 机构运动加速度多边形 由理论力学可知 点 B3的绝对加速度与其重合点 B2的绝对加 速度之间的关系为 a an n B3 B3 a at tB3B3 a a B2B2 a ak k B3B2B3B2 a a r rB3B2B3B2 方向方向 B B3 3 C C B B3 3C C B B2 2 A A B B3 3C C B B3 3C C 大小大小 2 2 3 3VB3B2VB3B2 计算计算 由图2 1 结构运动简图得 l lB3CB3C 106 5 106 5 106 5 0 004m mm 426 0 426m106 5 0 004m mm 426 0 426m l 由图2 2 机构运动速度多边形求出 V VB3B3 v v pbpb3 3 0 06 m s mm 62mm 0 37m s 0 06 m s mm 62mm 0 37m s 3 3 v v3 3 l lb b3 3c c 0 37m s 0 426m 0 87rad s 0 37m s 0 426m 0 87rad s 故a an n B3 B3 2 23 3 l lB3CB3C 0 87rad s 0 87rad s 2 2 0 426m 0 32m s 0 426m 0 32m s2 2 2 n 2 rad s 2 n 2 rad s l lABAB 110mm 0 11m 110mm 0 11m 故 a a B2 B2 2 rad s2 rad s 2 2 0 11m 4 34m s 0 11m 4 34m s2 2 由图2 2机构运动速度多边形求出 V VB3B2B3B2 v v b b2 2b b3 3 0 006 m s 101mm 0 6m s 0 006 m s 101mm 0 6m s 故故 a ak k B3B2 B3B2 2 2 3 3V VB3B2 B3B2 2 0 87rad s 0 6m s 1m s 2 0 87rad s 0 6m s 1m s2 2 在一般情况下 a rB3B2 an B3B2 atB3B2 但是目前情况下 由 于构件2和构件3组成移动副 所以an B3B2 0 则 a rB3B2 atB3B2 其方向平行于相对移动方向 ak B3B2 是哥氏加速度 对于平面运 动之内 ak B3B2 2 3VB3B2 哥氏加速度ak B3B2的方向是将VB3B2 沿 2的转动方向转90度 即图2 3中的 b k 的方向 在上面的矢 量方程式中只有atB3和a rB3B2 的大小为未知 故可用图解法求解 加速度多边形 加速度多边形 从任意极点 连续作矢量 b 2 120mm 和 b 2k 代表a B2和ak B3B2 其加速度比例尺ua a B2 b 2 0 036 m s2 再过 作矢量 b3 代表an B3 然后过 k 作直线 k b3 平行于线段 CB3代表a rB3B2 的方向线 并 过点 b3 作直线 b3 b3 垂直于线段 CB3 代表atB3的方向线 它们相交于点 b3 则矢量 b 3便代表 aB3 机构运动加速度 多边形如图2 3所示 图图2 32 3 机构运动加速度多边形机构运动加速度多边形 由机构运动加速度多边形可求出 a at tB3 B3 b b3 3 b b3 3 u ua a 72 5 72 5 0 036 0 036 m sm s2 2 2 61m s 2 61m s2 2 a a r rB3B2 B3B2 k b k b3 3 u ua a 55 0 036 55 0 036 m sm s2 2 1 98m s 1 98m s2 2 再根据加速度影像相似原理 得 CB CD bCB CD b3 3 d d3 3 即即 106 5 135 72 5 d106 5 135 72 5 d3 3 解得解得 d d3 3 93 93 CSCS3 3 CD S CD S3 3 d d3 3 即即 67 5 135 S67 5 135 S3 3 93 93 解得解得 S S3 3 46 5 46 5 故 a aD3D3 d d3 3 u ua a 93 93 0 0360 036 m sm s2 2 3 348m s 3 348m s2 2 a as s3 3 S S3 3 u ua a 46 5 46 5 0 0360 036 m sm s2 2 1 674m s 1 674m s2 2 因此位置为工作进程 故 E 点和重心 S5点匀速前进 故无加速度 三 导杆机构动态静力分析三 导杆机构动态静力分析 3 13 1 静态图静态图 图图 3 13 1 机构位置状态图机构位置状态图 3 23 2 惯性力及惯性力偶矩惯性力及惯性力偶矩 因重心 S5无加速度 故 S5点无惯性力 Fi 及惯性力偶矩 Mi 下面求重心 S3的惯性力 Fi及惯性力偶矩 Mi 惯性力 惯性力 FiFis3s3 m m a as3s3 G G3 3 g g a aS3 S3 G G3 3 g g u ua Sa S3 3 200N200N 9 8N 9 8N 0 036 0 036 m sm s2 2 46 5 46 5 34N34N 方向 as ans ats 它决定了 Fi 的方向 因Fis3 m3 as3 故Fi3及F i3的方向与图 2 3 中的 S3 代表 as3 的方向 的方向 相反 惯性力偶矩 惯性力偶矩 MiMis3s3 J JS3 S3 S3 S3 J JS3 S3 a at tCD CD l lCDCD 1 1 0 036 1 1 0 036 m sm s2 2 93 0 54m 93 0 54m 6 28N m 6 28N m 作用线间距离为 h h Mih Mis3s3 F Fi3i3 6 28N m 6 28N m 34N34N 200 200 变速转动的构件都同时具有惯性力 Fi 和惯性力偶矩 Mi 故它们均 可用一等于 Fi3的总惯性力 F i3来代替 按照比例尺 0 004l 确定 Fi3与 F i3之间的图上距离 将 Fi3和 F i3在静力图上 m s mm 表示 如图 3 1 所示 3 33 3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲 柄平衡力柄平衡力 将机构拆分成若干杆组 以基本杆组为研究对象 画出作用在其上 的所有外力 如图 3 2 a b c 所示 a b c 图图 3 23 2 杆组拆分及静力分析杆组拆分及静力分析 将机构拆分为两个二级杆组 一个机架 图 图 a a 导杆 4 和刨头 5 为杆组 组成三个运动副 一个移动副和 两个转动副 E D 动力静态分析 动力静态分析 杆件 ED 为二力杆 故在点 D 构件 3 对构件 4 的作用 力 R34方向在 ED 的延长线上 刨头受到机架 7 竖直向上的压力 R75 已知 Fr 及 G5的方向和大小 R34和 R75的方向已知 大小未知 故用力的封闭多边形来求解 R34和 R75的大小 力的封闭多边形 力的封闭多边形 下面借助图 3 2 a 来画力的封闭多边形 图图3 33 3 力的多边形力的多边形 首先确定力的比例尺 F Fr 100 7000N 100 70N 在图上任 取一点 a 为起点 过 a 点向右作水平线长度为100 至点 b 代表 Fr 的大小和方向 然后过 b 点向下作竖直线长度为 G5 F 700N 70N 10 至点 c 代表 G5的大小和方向 再过 c 点作平行于力 R34方向线上的平行线 最后过 a 点作竖直线 这两条方向线相交于一点 d 故有向线段 cd 代表力 R34的大小和方 向 有向线段 da 代表 R75的大小和方向 故 R R3434 l lcdcd F F 100 70N 7000N 100 70N 7000N R R7575 l ldada F F 15 5 70N 1085N 15 5 70N 1085N GS5 Fr 及 R34的大小及受力位置已确定 而 R75的大小已确定 位 置未确定 这样下面确定刨头的受正压力 R75的位置 利用合力偶 矩等于零来求解 力矩平衡 力矩平衡 在图 3 2 a 中量得 hr 20 hG 60 对点 E 取矩 得 M ME E 0 0 Fr hrFr hr G G5 5 h hG G R R7575 h h7575 0 0 h h7575 Fr hrFr hr G G5 5 h hG G R R7575 7000N 20 7000N 20 700N 60 700N 60 1085N 1085N 167 167 所以 Fr 的位置距离点 E 长度为 167 处 图 3 2 b 导杆 3 与滑块 2 组成一个杆组和 3 个运动副 一个移 动副和两个转动副 动力静态分析 动力静态分析 杆 3 的点 D 受到杆 4 的一个力 与 R34大小相等 方向相反 距离重心位置 h 处受到一个总惯性力 F i3 受到杆 1 对 滑块 2 的拉力 F12 受到一个竖直向下的重力 GS3 受到一个运动副反 力 Rc R43 F i3及 GS3大小和方向已知 F12方向已知 大小未知 Rc 大小及方向均未知 所以 首先根据力矩平衡求出力 F12的大小 然后根据力的封闭多边形求出力 Rc 的大小及方向 力矩平衡 力矩平衡 M MC C 0 F 0 F1212 h h1212 G Gs3s3 h hG G F F i3i3 h hi3i3 R R4343h h4343 0 0 F F1212 G Gs3s3 h hG G F F i3i3 h hi3i3 R R4343h h4343 h h1212 200N 64 200N 64 34N 464 34N 464 7000N 516 7000N 516 428 8506N 428 8506N 力的封闭多边形 力的封闭多边形 下面借助图 3 2 b 来画力的封闭多边形 力的比例尺和前面的一致 F F Fr 100 700