机械原理课程设计牛头刨床西南大学

1、机械原理课程设计（论文）题目:牛头刨床课程设计学生姓名专 业 机械类学 号班 级 2012 级02班指导教师杨玲成 绩工程技术学院2013 年7月西南大学工程技术学院课程设计（论文）目 录1. 引言 .2. 机构的选型 2.1 主执行机构的选型 2.2 辅助执行机构的选型 .3. 原动机的选用 4. 拟定传动系统方案5. 绘制系统工作循环图6. 机构尺度参数确定7. 主执行机构的运动分析（计算机编程） 8. 主执行机构的运动分析及动态静力分析（作图法） 8.1 主执行机构的运动分析 .8.2 主执行机构的动态静力分析9. 凸轮机构的曲线设计 9.1凸轮机构位移曲线的设计 9.2 凸轮机构轮廓曲

2、线的设计 10. 飞轮设计和原动机功率的校核 参考文献-3 -机械原理课程设计任务书学生姓名设计题目:专业年级2012级机械类牛头刨床图1设计要求及设计参数要求主执行机构工作行程切削平稳、压力角较小。进给机构压力角不超过许用值。设计参 数如表1所示。表1牛头刨床设计参数题号12345678910主执行机构曲柄转速ni48495052504847556056机架Lac380350430360370400390410380370刨刀行程H310300400330380350390310310320行程速比系数K1.461.401.401.441.531.341.501.371.461.48连杆与导

3、杆之比Lde/Lcd0.250.280.300.270.300.280.270.250.280.26工作阻力F(N)4500460047004000410052004200400060005000导杆质量m3(kg)20202220222426282622导杆转动惯量JS3(kgm )1.11.11.21.21.21.31.21.11.21.2滑块质量m5(kg)70708080809080708060进给机构r从动件最大摆角w15°15°15°15°15°15°15。15s15°15。凸轮从动件杆长(mm)12513513

4、0122123124126128130132推程许用压力角oq推程40°40°40°40°40°40°40 340 s40°40 3回程许用压力角叫回程50°50°50°50°50。50°50 350 s50。50。滚子半径r r(mm)15151515151515151515刀具半径L(mm)0.080.080.080.080.080.080.080.080.080.08刨刀阻力曲线如图 2所示。刨刀在切入、退出工件时均有0.05H的空载行程。FiF maxiS0.05H0

5、.05HH图2刨刀阻力曲线设计任务1）完成各执行机构的选型与主执行机构设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确 定各级传动比，画出主执行机构的机构运动简图。2）按工艺要求进行执行系统协调设计，画出执行机构的工作循环图；3）对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证， 并根据计算机计算结果画出刨刀位移线图，速度线图和加速度线图；4）用图解法对主执行机构的一个位置进行动态静力分析；5）用图解法绘制控制工作台横向进给的凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线；6）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与该机现有传统设计不问的创新设计方案

6、。（选做）提交材料1） 设肝算说明书一份（含解析法计算结果与相应线图）；2） 1号图一张（主执行机构运动简图及运动分析和动态静力分析）；3） 3号图一张（凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线）；指导教师签名：2013年6月6日说明：1.此表由指导教师完成，用计算机打印（ A4纸）。2.请将机械设计课程设计任务书装订在机械设计课程设计（论文）的第一页。西南大学工程技术学院课程设计 (论文)牛头刨床设计西南大学工程技术学院，重庆4007161.引言:牛头刨床是一种用丁平面切削加工的机床。刨床工作时，如图（1-1）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

7、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）所示图（1-1）设计数据:主执行机构曲柄转速ni47机架Lac390刨刀行程H390行程速比系数K1.50连杆与导杆之比Lde/Lcd0.27工作阻力F(N)4200导杆质里m3(kg)26导杆转动惯量JS3(kgm2)1.2沁块质里m5(kg)80进给机构从动件最大摆角w15°凸轮从动件杆长(mm)126推程许用压力角闵推程40°回程许用压

8、力角a回程50 °滚子半径(mm)15刀具半径c(mm)0.082机构的选型2.1主执行机构的选型牛头刨床是一个复杂的系统，需要结合课程设计的特点。课程设计要求主执行机构实 现刨刀往复运动。下面几种机构都能够实现刨刀的往复运动。所选择的机构要满足以下要求：1、工作行程大：要求机构是行程扩大机构；2、工作阻力较大：要求机构在具体较大的力增益的区间工作；3、正向运动的大部分时间有工作阻力：要求机构在具有急回特性；4、正向运动的极短时间有工作阻力：要求机构在具有较大的力增益的区间工作。根据设计任务书要求，对牛头刨床的行程急回特性、受力以及运动规律等方面要 求进行综合考虑，主执行机构型式应该

9、选择方案一较合理。2.2辅助执行机构的选型辅助执行机构的指控制工件运动的机构（如工作台进给机构、送料机构）和调节 机构（如行程调节机构和位置调节机构）。2.2.1控制工件运动的辅助执行机构的选型课程设计中控制工件运动的辅助执行机构的选型应该考虑一下几点：（1）与主执行机构有着相同的工作周期。这就要求辅助执行机构与主执行机构 的运动严格协调，这就意味着辅助执行机构与主执行机构尽量用同一个原动件。(2)辅助执行机构是“将连续转动转换成间歇运动”机构。间歇运动时机械 原理中“其他常用机构”章节的内容。间歇运动机构有：间歇滚轮传动机构、棘轮 机构、推勾式送料机构。2.2.2调节机构的选型(1) 行程调

10、节：行程调节机构是完成“执行构件行程能在一定范围内人工无级 调整”这一功能的机构。理论上，“将连续转动转换成往复运动”的四杆机构都可以“通过适当调节杆长来改变输出构件的行程”。用螺旋机构就能改变杆长。有些构建 杆长的变化对输出运动范围的影响极其显著，比如曲柄。(2) 位置调节：用螺旋机构即可调节两个构件的相对位置。3原动机的选用表1常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点三相异步电动机结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、坚固 耐用；能保持包速运行及经受较频繁的启动、反转及制动； 但启动转矩小，调速困难。一般机械系统中应用最多。同步电动机能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网

11、吸收无功功率，运行可靠，保持包速运行；但结构较异步电动机复杂， 造价较高，转速不能调节。适用丁大功率离心式水泵和通风 机等。直流电动机能在包功2进行调速，调速性能好，调速范围宽，启动转 矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格较局；机械特 性较软、需宜流电源。控制电动机能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而 平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速 特性均为直线。广泛用丁工业控制、军事、航空航天等领域。内燃机功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求局、排气 污染环境、噪声人、结构复杂。多用丁工程机械、农业机械、 船舶、车辆等。液压马达可获得很大的动力和转矩，运动速

12、度和输出动力、转矩调整 控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压 油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密封不 良时，污染工作环境；液压系统制造装配要求高。气动马达工作介质为空气，易远距离输送、无污染，能适应恶劣环境、 动作速度快；但工作稳正性较差，噪声:大；输出转矩不大， 传动时速度较难控制。适用丁小型轻载的工作机械。我们在课程设计中选择的原动机是三相交流异步电动机。根据传动系统的设计中的总传动比及分配问题，还有输出功率、效率计算确定电机的型号为Y2-112M-6。Y2-112M-6电机额定功率 2.2kW,额定电流5.6A,转速940r/min，效率79% 转 动惯量0

13、.0138 kg m2，参考质量45kg。4拟定传动系统方案传动系统的作用是实现增速、减速和变速，有时也用作实现运动形式的转换， 并 且在传递运动的同时，将原动件的输出功率和转矩传递给执行机构。 大多数情况是选 择若干种传动装置或机构合理地加以组合配置， 构成一个传动系统，才能实现预期的 工作要求。传动类型选择原则1）执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配2）考虑工作要求传递的功率和运转速度3）有利丁提高传递效率4）尽可能结构简单的单级传动装置5）考虑结构布置6）考虑经济性7）考虑机械安全运转条件原动机的转速为nd =940r/min，执行机构原动件的设计转速为n=47r/min ,

14、则传 动装置系统的总传动比为i=nd =940/47=20传动装置或机构的传动比有i=i1 - i2 i3in且系统为减速传动时，宜使i1 < i2in,并使相邻两级传动比相差不要太大。故选择两级直齿圆柱齿轮传动，传动比分别为4和5,即i= i1 . i2=4X 5。5. 绘制系统工作循环图1）选择定标构件。由丁两执行构件的工作循环的周期是相同的，即在导杆机构 -7 -西南大学工程技术学院课程设计（论文）的曲柄旋转3600的时间内完成一个工作循环。并且导杆机构的曲柄既是切削运动的 执行机构的原动件乂是工作台组合部分的运动源头，故选择曲柄作定标构件，显然是 恰当的。2）作一圆环表示曲柄在一

15、个工作循环中的转角，根据导杆机构的行程速比系数K,求出其极位火角u=36° ,从而可将圆环分为两部分：圆环的上半部分的圆心角为 180° +。=216° ,对应刨刀工作时曲柄的转角；下半部分表示刨刀空回行程时曲柄的 转角。大小为144°。3）在前述圆环之外再画一圆环，表示进给运动组合部分中，曲柄摇杆机构的曲柄在一个工作行程中的转角。以内圆环中所表示的刨刀运动规律为基准， 并在外环中 安排好工作台停动时间所对应的曲柄的转角位置 e =2。，则摇杆推动棘轮转动部分所对应的圆心角为180° - （8 +2* ） =140° ,棘轮不动的时间

16、所对应的圆心角为 220°（包括凸轮的远休止、回程和近休止阶段）。那么，由此二圆环所组成的循环图可形 象、准确地表示出对而执行构件之间运动协调配合的要求图2系统工作循环图6. 机构尺度参数确定表2牛头刨床设计原始参数曲柄转速n147机架Lac390刨刀行程H390行程速比系数K1.50连杆与导杆之比lde / lcdDECD0.27由以上结构运动简图可设 CB长为&、构件3的转角如、构件4的转角04、E点的线 位移sE、AB杆长11、CD杆长l3、DE杆长l4、CG杆长l6、CG的长度l；、构件1的转角斜。1、导杆的最大摆角. K=1.50'=J1180 =36K 1

17、2、AB杆长l1=36° Lac =390mm.-l1 =LACsin 芬=120.5mm3、初始位置gmctan 土 =72.8。4、BC长 s3由勾股定理知：s3 = 408.3mm5、CD干长s3.刨刀行程为H, 乂为使RRP干组的压力角较小，滑块5的导路与D在两极位位置处的连线的距离应等丁导路线与 D所在弧线水平线的距离，以此可确定 CD杆长l3. c H /2-s3 = 631mm3sin 26、CG干长16. 中一. 中、16 13 cos + (13 - I3 cos ) /2390mm227、DE杆长14Lde / Lcd =0-27- 14=0.25*638.47=

18、170.4mm8、构件4的转角04、E点的线位移se由上结构运动简图建立一直角坐标系，并标出各杆欠量及方位角。所以为此我们可利用封闭图形CDEGC由此可得：1314 = 16 Me写成投影方程为：13 cos % 14 cos4 - sE = 013 sin。3 14 sin i4 = 16由以上两方程可解的：sE=16.6mm04=175.8°9、构件1的转角叫,曲柄转速 n1=47r/min吗=2* 兀 * n1/60=5rad/s表3牛头刨床在初始位置参数X(1)XX(3)X(4)X(5)X(6)XX(8)X(9)X(10)&(mm)e 3(° )也(

19、6; )Se(mm)11(mm)13(mm)14(mm)1 AC(mm)F1 6(mm)气(mm)408.372.8175.816.6120.5631170.4390615.557. 主执行机构的运动分析（计算机编程）先建立一直角坐标系，并标出各杆欠量及方位角。其中共有四个未知量缶、S、 &及Se。为求解需建立两个封闭欠量方程， 为此需利用两个封闭图形 ABC级CDEGC由此可得，写成投影方程为:皓 T = &3 1 = l6SEs3 cos 习=11 cosis3sin 习=16 11 sin 叫13 cos & 14 cos %sE = 013 sin % 14 s

20、in 知=16'33446(1-1)(1-2)-11 -解上面方程组，即可求得e3、64、s3及Se四个位置参数，其中62=63即可得以下速度和加速将上列各式对时间取一次、二次导数，并写成矩阵形式,度方程式。速度方程式:cosu3sin%300-s3sin u3 s3 cos 弓 -hsin% 13 cosu300-14 sinu414 cosu40S10-1S3- Lsinf11 cos81 0_0 一(1-3)机构从动件的位置参数矩阵:cos% sin% 0 _0f sin %S3 cos%T3 si313 cos%0一 14 sin14 cos&01 0 _ 1机构从动件

21、的的速度列阵:机构原动件的位置参数矩阵:Mls3w4J T1 sin 口111 cos。0!。一西南大学工程技术学院课程设计 (论文)W1 :机构原动件的角速度加速度方程式:E10口 3-1件40_% 一cos% -s3sin30sin e3s3 co浪00l3sin%l4sine40 l3cos 习l4cos 矗L-w3 sin %w3 cos%00-s3 sin 习- s3w3 cos习 0Ls3 cos% - s$w3 sin u30-l3w3 cosu3- l4w4 cos &_l3w3sin 习_l4w4siw4Mls3Wi(1-4)一顷 cos-l1wi sin%0I 0机

22、构从动件的位置参数矩阵求导:-w3 sin 03-s3 sin 03 - s3w3 cosB300 1W3cos但us3 cost -&W3 sin 03000T3W3 cos&-l4w4 cos640°-l3w3 sin83 l4w4sin840-0LvE -一；s3机构从动件的的加速度列阵:«3I l1w1 cosu I-l1w1 sin0I 0性4机构原动件的位置参数矩阵求导:主程序(matlab ):%头刨床运动分析主程序%x(1)代表 &；%x(2) 代表构件3的转角 ；%x(3)代表构件4的转角04 ；%x(4)代表E点的线位移se；%x

23、(5)代表 l1 ；%x(6)代表 l3;%x(7)代表 L;%x(8)代表 l6;%x(9)代表 16；%x(10)代表构件1的转角耻。x= 0.4083 72.8*pi/180 175.8*pi/180 0.0166 0.1205 0.631 0.1704 0.390 0.61550；%赋初值dr=pi/180;% 度转化为弧度dth=10*dr;w1=5;% 每 10 度计算一个点for i=1:37y=ntpc(x); %调用从动件位置方程求解函数ntpc(自编)s3=y(1);theta3=y (2) ;theta4=y(3);se=y(4); %得到位置参数。%将各位置参数用向量储

24、存，便丁后面绘图，角度用度表示ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y (3)/dr;sse(i)=y(4) ;%®行速度分析A=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0;sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0;0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1;0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0;%A机构从动件的位置参数B=-x(5)*sin(x(10);x(5)*cos(x(10);0;0;%B机构原动件的

25、位置参数列阵yy=w1*inv(A)*B;% 公式1-3求解，yy表示机构从动件速度歹U阵，inv(A)是A的 逆阵vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4);%将各速度参数以向量的方式表示，以便后面绘图dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy (3) ;dvse(i)=yy(4);%dA从动件位置参数矩阵对时间一次求导%进行角速度分析dA=-w3*sin(theta3) -vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3) 0 0;w3*cos(theta3) vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(

26、theta3) 0 0;0 -x( 6)*w3*cos(theta3) -x *w4*cos(theta4) 0;0 -x(6) *w3*sin(theta3) -x(7) *w4*sin(theta4) 0;%dB就是原动件位置参数列阵对时间一次求导dB=-x (5) *w1*cos(x(10);-x (5) *w1*sin(x(10);0;0;KK=-dA*yy+w1*dB; %KK 为公式 1-4 右端ya=inv(A)*KK;% 公式1-4求解，ya为从动件加速度歹U阵%将各加速度以向量表小as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya (2) ;atheta4(i)=ya(3)

27、;ase(i)=ya(4);x(10)=x(10)+dth; %计算下一个点x(1)=s3;x(2)=theta3;x(3)=theta4;x(4)=se;end峻制运动参数曲线subp1ot(2,2,1);%选择第1个子窗口plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%绘制位置线图subplot(2,2,2);plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%绘制速度线图subplot(2,2,3);plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase); %绘制加速度线图眼个函数是关丁牛头刨床位置方程求解，可得： s3,theta3

28、,theta4,sE 四个运动变 量。子程序：function y=ntpc(x)%x(1)代表 &%x(2) 代表构件3的转角 ；%x(3)代表构件4的转角e4 ；%x(4)代表E点的线位移sE;%x(5)代表 l1 ；%x(6)代表配%x(7)代表 L;%x(8)代表皓；%x(9)代表魅；%x(10)代表构件1的转角叫。检赋初值；这些初值来自丁主程序。s3=x (1);theta3=x(2);theta4=x(3);se=x(4);epsilon=1e-6;% 设置求解精度为10-6洌矩阵的形式表示位置方程组(4x1的矩阵)f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(1

29、0);s3*sin(theta3)-x( 5)*sin(x(10)-x(8);x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se;x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);洌牛顿-辛普森法求解while norm(f)>epsilon%J位置方程组的雅可比矩阵，即从动件位置参数矩阵J=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0;sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0;0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1;0 x(6)*cos(theta3) x(

30、7)*cos(theta4) 0;dth=inv(J)*(-1.0*f); %计算增量，进行迭代，inv(J) 为J的逆阵s3=s3+dth(1);theta3=theta3+dth(2);theta4=theta4+dth(3);se=se+dth(4);f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8);x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se;x(6) *sin(theta3)+x (7)*sin(theta4)-x(9);norm(f);%若未达精度，会继续迭代。end%俞

31、出4个参数y(1)=s3;y(2)=theta3;y(3)=theta4;y(4)=se;3、将程序输入matlab中就可得到E点的位移、速度和加速度的运动线图(图 图4、图5)。-15 -图3 位置线图西南大学工程技术学院课程设计（论文）图4速度线图图5加速度线图8.主执行机构的运动分析及动态静力分析（作图法）建立直角坐标系，并标出各杆欠量及方位角。利用两个封闭图形ABC级CDEGC(令 S3=l BCll =1aBI3 =1cDI4 =l ED 16 =l ACl 6 = l CG )投影方程式为s cos83 = Il cosf( 1 )sin% =k +1$诳(2)l3 cos% +|

32、4 cos4 Se =0(3)hsin% +庭响=皓(4) 8.1 主执行机构的速运动分析1.速度分析：（具体值及欠量图见A1号图）图解法验证当曲柄角度为60°时的运动分析:,方向垂直丁因构件1和2在B处的转动副相连，故VB1 =VB2,其大小等丁切1lABAB线。取构件2和3的重合点B进行速度分析。列速度欠量方程，得VB3 = VB2 VB3B2大小 ？ V ?方向 V V V通过图解法可求得vB3 , B3点与D点同在构件3上，故lCB / lCD = VB3 / VD则可求的D点速度。取4构件作为研究对象，列速度欠量方程，得Ve = vd ' Ved大小？/?方向 V

33、V V再通过图解法，得到E点的速度。2.加速度分析：（具体值及欠量图见A1号图）因构件1和2在B点处的转动副相连，故aB2 =aB1 =lAB团2，方向垂直与AB取2、3构件重合点B为研究对象，歹0加速度欠量方程得：ntkra3 = aB3 aB3 = aB2 ' aB3B2 aB3B2大小：？/?方向：? VVVVV作加速度欠量图，可求得a3乂 a。/ a3 -1 CD /1CB , 则可得aD。取4构件为研究对象，歹0加速度欠量方程，得aE = a。, aED ' aED大小？/?方向VVVV由加速度欠量图可求得E点加速度aE。8.2 主执行机构的动态静力分析取4为研究对象，分离4、5构件进行动态静力分析，已知 G5 = m5g , aE = a5, F15 = -m5aE。设Fr34与水平导轨的火角为 依，可测得依的大小。由、Fx =F|5 "R34COS： Fr =0、Fy = Fr5Fr34 Sin ： - G5 = 0可得FR34和FR5 .分离2、3构件进行动态静力分析，已知FR43 = FR34 , G3 = m3g。由此可得：Fi3=m3a3, M|3 = Js3%-19 -西南大学工程技术学院课程设计（论文）根据 Mc=G3hiFwh2F R43h3M |3FRi2h4 =