牛头刨床机构设计

1、+西安科技大学高新学院课程设计报告机电信息学院程机械原理课程设计机械设计制造及其自动化级 机单1101班 名 刘亚娟 号 1102060708指导教师程安宁 日 期 2013年7月19日+任务书姓名刘亚娟学号1102060708专业班级机单1101班题目：牛头刨床的设计完成时间：2013年7月19日具体内容及进度要求：具体内容：1）根据牛头刨床的工作原理，拟定 23个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。2）根据给定的数据确定机构的运动尺寸。要求用图解法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。3）导杆机构的运动分析。将导杆机构放在直角坐标系下，建立参数化的数学模型，编程分

2、析出刨头6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度，画出运动曲线，并打印上述各曲线图。要求将主程序编制过程详细地写在说明书中。4）导杆机构的动态静力分析。通过建立机构仿真模型，并给系统加力，编制程序，打印外加力的曲线，并求 出最大平衡力矩和功率。5）凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮的基 本尺寸（基圆半径ro、机架|。2。9和滚子半径rr），并将运算结果写在说明书中。将凸 轮机构放在直角坐标系下，编制程序，求出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运 动规律和凸轮机构仿真模型。6）编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、 设计计算过程等。进度要求：7月8日查阅资料、熟悉题目7月

3、9,10日方案分析、比较7月11,12日平面机构尺度综合、运动分析7月15， 16日平面动态静力分析7月17,18日绘制方案图、整理设计说明书7月19日答辩指导教师程安宁2013年7月19日成绩教师+牛头刨床机构设计牛头刨床是平面切削加工机床，如图1。电动机经皮带和齿轮驱动曲柄2和固结在其上的凸轮8带动刨头6和刨刀7作往复运动。切削，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，刨头左行时为空回行程，要求有急回作用以提高生产率。回程时，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11同工件作进给，以便刨刀继续切削。临一«6图1牛头刨床结构及阻力线图下f扌L祜K，N电渤机与棘轮带动螺旋机构

4、（图中未画），使工作台连F *F.刨头在工作行程H中，受到很大的切削阻力，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；而空回行程XH/0.05H0.05HJf,fi图2牛头刨床工作阻力线图中则没有切削阻力。如图2,因此刨头在整个运动循环中，受力变化是程时很大的，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小电动机容量。一.牛头刨床执行机构牛头刨床的执行机构由导杆机构图3牛头刨床执行机构和凸轮机构组成，完成刨刀的往复运动和间歇移动。如图3+刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀切削。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

5、工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，其运动循环如图 4。图4运动循环图二.执行机构方案选择功能元局部解标记目标1234567急摆凸偏导曲双摆回加工动导杆轮机构置曲柄杆机构柄摇杆曲柄机动导杆A机构+摇杆滑块机+对心机构+构+曲机构+摇杆滑滑块机构曲柄滑摇杆滑柄滑块齿轮齿块机构构块机构块机构机构条机构工曲曲不槽凸作台间柄摇杆柄摇杆宀上 完全齿轮机构轮间歇B歇移动机构+机构+轮机构+齿轮运动+棘齿条棘轮机+齿轮齿条齿轮齿机构构+齿齿条条轮齿条牛头刨床主机构的形态学矩阵方案一:有两个四杆机构组成。使b>a,构件1,2,3,6 ，便构成摆杆导杆机构，基本参数 b/a=入。构件3,4,5,

6、6，构成摇杆滑块机构。该方案结构简单，加工方便，能承受较大载荷，且具有急回特性，其形成速比系数 k=( 180+ 0 )/(180- 0 ),其中 0 =2arcsinF1+(1/入)。只要正确选择合适的摇杆 CD长度，即可满足行程H的要求。导杆机构 有较大的转动角，传动性能良好；机构横向与纵向运动尺寸都不太大，比较合理。工作行程中，刨刀的速度比较慢，而且变化平缓，符合要求。方案二:由凸轮机构和摇杆滑块机构组成。虽然该方案中凸轮机构可使从动件获得任 意的运动规律，但是凸轮制造复杂、表面硬度要求高，因此加工和热处理费用较大。方案采用了高副接触，只能承受较小载荷，且表面 磨损较快，磨损后凸轮的廓线

7、形状即发生变化。由于滑块具有急回运动性质，凸轮机构受到的冲击较大。滑块的行程H比较大，调节比较困难，必然使凸轮机构的压力角过大；而为了减小压力角，必须增大基圆半径，导致凸轮和整个机构十分庞大。为保持凸轮和从动件始终接触,需用力封闭或几何封闭，结构复杂。方案三:为表中A3方案，为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸a，b，e。该方案结构较第一种方案简单，也具有急回特性，由于 8 =arcose(a+b) -arccose/ (b-a)，增大a和e或者减小b均使增大K。但是，增大e或减小b会 使滑块速度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加， 且会使最小传动角Ymin减小，传动性能变差。方案四:为表中

8、A 6方案，有两个四杆机构组成。构件1、2、3、4组成双曲柄机构，构件3、4、5、6构成曲柄滑块机构。该方案具有急回作用，由于 Bi=arcta n(c/d),而 2=180-8 因此 K=(180-少”伏可见增大c或者减小d都能使K减小，而a与b的尺寸与K无卩关。机构的横向与纵向尺寸均较大，且 A与D传动轴均应悬臂安装，否则机构运动时，轴与曲柄将发生干涉。作往复运动的滑'块6以及做平面复杂运动的连杆 EF和BC动平衡困难。+比较上述刨刀急回加工方案可知，实现给定的刨刀运动要求以采用方案 一为宜。工作台间歇移动距离调整采用 B1方案，即可调曲柄尺寸的曲柄摇杆机构+棘齿条机构，最后可得到

9、系统解为 A1+B1。如图5三.尺寸选择牛头刨床的原始数据：刨削平均速度Vm（ mm/s）=580;行程速度变化系数K=1.5;刨刀冲程H （mm） =400；切削阻力Fr （ N）=4000；空行程摩擦阻力（N） =200；刨刀越程量AS（ mm）=20；刨头重量（N） =620；机器运转速度许用不均匀系数杆件比重（N/m）=300；痕=0.05；机构的尺寸0Lbo2LAO2LbcL0Q2H36647mm120mm162mm389mm400mm兀n,+60Vmm =52.2r/m in1H (1+)K四.主机构尺度综合及运动分析机构位置划分简图 等分为12等分，取上述方案的第2位置和第7位置

10、进行运动分析“2”位置速度分析“2 ”位置加速度分析1）、曲柄位置“2”做速度、加速度分析（列矢量方程、画速度图、加速度图）取曲柄位置“ 4”进行速度分析。取构件3和4的重合点A进行速度分析。 有3 1=5.62 rad/s 其转向为逆时针方向。a）速度分析 对A点：Va4用速度影像法VA4A3(4-1)方向:丄BO4丄O2A/O4B大小:式中:VA4X pa4Va44打O4AVa4 =0.6048m/s4=0.887rad/sVA4A3=41 也4B4皿4XIO4BVa4A3=0.3902 m/sVb4 =0.5676 m/s对于C点:VcVb+V CB(4-2)+方向/XX'丄O4

11、B丄BC大小式中Vc = H x| pcVcB=卩声 IbCVc =0.4789 m/sUilbcVcb =0.1064 m/s矶=0.788rad/sb)加速度分析对于A点：用加速度影像法aKaA4A3 =0.830 m/s 2aA4 =aA4 +aA=A4aA3+aA4A3+aA4A3 (4-3)方向：A -0丄 O4B AT O2丄O4B/O4B大小：V?VV?式中：2aA3=B2Gaa：A3=2 豹 4Va4A3aA3=4.064m/s2aA。T Io4aaA4A3alkaaA4 =0.346 m/s 2IaB=aA4 莓O4BaCB= IBCO4AaA4 =2.190 m/s 2aB

12、 =3.224 m/s2 aCB =0.084 m/s 25 =3.065 m/s 2ac =aB +n .aCB +aCB(4-4)方向：/ XX' BT O4C T B丄BC大小：?VV?式中：ac = 4a1 p'c'aCBaI n"c'对于C点:(2)对位置7进行速度和加速度分析aC =3.139 m/s2+“7”位置速度分析“7 ”位置加速度分析(a)速度分析用速度影像法对A点:Va4VA3SA(4 5)方向:丄BO4丄O2A/O4B大小:式中:X pa4Va4Io4aVA4 =0.6048m/s 4=0.311rad/sVa4A3 I 也4

13、B = V B4=O4 X |o4bVA4A3=0.064m/sVB5=0.199m/s对于C点：Vc=Vb+V CB方向：/XX'丄O4B丄BC大小：？V?式中：Vc = 4| X| pcVcB=片咒 IbCVc=0.181m/sVcB=0.064m/s_ VcB5 =(4-6)U|l bc%=0.311rad/s(b)加速度分析 对于A点：用加速度影像法+aA4 =nIaA4+a；aA3+k丄aA4A3+aA4A3 (4-7)方向:丄O4B丄O4B/O4B大小:式中：_2 I3人3_时2 1O2Aa：A3=2豹4 VA4A3aA3=4.064 m/s 2n 2 IaA4 =

14、4;4 ©AtaA4aA4A3 = 4alkaKaA4A3 =0.368 m/s 2naA4 =0.038 m/staA4 =4.109 m/s_21aA4 =豹4 Io4BaB=aA41 O4An2aCBf IbCaA4 =4.064 m/s 2naCB =0.064 m/s2对于C点ac =aB+aCB +aCB方向：/XX'B 7 O4C 7 B大小：？VV式中：ac = »a Ip'c'丄BC?aCB = »a ln"c'(4-8)aC =6.311 m/s2五.主机机构的动力分析取上述方案一的第2位置和第7位置进

15、行受力分析+Fit“2”位置的力的多边形“7”位置的力的多边形1)取 已知：对“2”位置进行受力分析“2”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析:G 6=520NFi6 =- Ge/g X ac 刀 Fx= F i4 +Fr- F r4s=0(1-1 )(1-2)由此可得：F r4=4891.6N由分离3,4构件进行运动静力分析：已知 :F R54=Fr45由此可得：F 14 = - G 4/g X a 4M>4=-J s4 - a s4=-0.9984 X 3.35=21.74 N.m (1-4)(1-3)无 M O 4 = G4 Xhs + F |4咒人2 + F R54 X

16、hs + M | 4 F R23 X h4 = 0(1-5)其中h1 ,h2,h3,h4分别为G4,F|4, Fr54,Fr23作用于O4的距离（其大小可以测得），可以求得:Fr23=6983.4N由力的多边形可知：Fox =2169.7N, F oy =1286.06N对曲柄2进行运动静力分析,Fr32作用于O2的距离为h,其大小为0.15m由此可得曲柄上的平衡力矩为:M=FR32 X h=401.55N.m(1-7)方向为逆时针2）对位置“ 7”进行受力分析取“7点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析:已知： G6=520NFi6 =- G 6/g X ac(1-8)由此可得：F r

17、4f256.93N由分离3,4构件进行运动静力分析：已知： FR54=Fr45(1-9)由此可得：F 14 = - G 4/g X a 4Ms4=-J S4 a s4=4.456N. m (1-10)方向与a 4运动方向相反(逆时针)2 M O 4 = G4 xhj + 卩|4人2 +F R54 X hs + M I 4 F R23 xh4=0( 1-11 )其中hi，h2，h3，h4分别为G4,Fi4,Fr54, Fr2 3作用于O4的距离(其大小可以测得)，可以求得：Fr23=281N由力的多边形可知:Fox =444.765N, F oy=169.508N对曲柄2进行运动静力分析，Fr3

18、2作用于02的距离为h，其大小为0.08m由此可得曲柄上的平衡力矩为:M=FR32 X h=7.03N.m方向为逆时针六.求刨头的位移，速度和加速度曲线位移与时间，速度与时间，加速度与时间曲线由以上三条曲线，位移与时间，速度与施加，加速度与时间曲线，可以 看出牛头刨床的运行过程，c点的运动情况。九.心得与体会机械原理课程设计是机械设计制造及其自动化专业教学活动中不可或缺 的一个重要环节。作为 一名机械设计制造及其自动化大二的学生，我觉得有 这样的实训是十分有意义的。在已经度过的一年半的生活里我们大多数接触的 不是专业课或几门专业基础课。在课堂上掌握的仅仅是专业基础理论面， 如何 去面对现实中的

19、各种机械设计？如何把我们所学的专业理论知识运用到实践 当中呢？我想这样的实训为我们提供了良好的实践平台。两周的机械原理课程设计就这样结束了，在这次实践的过程中学到了很 多东西，既巩固了上课时所学的知识， 又学到了一些课堂内学不到的东西, 领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质， 更深切的体会到人与 人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生 了良性的变化。其中在创新设计时感觉到自己的思维有一条线发散出了很多线，想到很 多能够达到要求的执行机构，虽然有些设计由于制造工艺要求高等因素难以用 于实际，但自己很欣慰能够想到独特之处。 这个过程也锻炼了自己运用所学知

20、识对设计的简单评价的技能；而手工画图时认识到了一件事情中的每个环节的 认真都是重要的，哪怕是一个数的马虎或粗略那都会给以后的任务带来更大的 误差甚至错误，所以作为一个设计人员来说细心是最重要的， 之后才可以谈其 他；当用TB设计时让自己熟悉了一种新的软件，为以后的设计打下了基础;用CAD画机构运动简图、速度图、加速度图、力分析图时不仅要求准确无误的 画出来，还要根据每步的画图来算出下一个结果， 虽然这个工程量比较大，花 的时间最多，但这对我来说也是一个考验与检验，其中用到了自己课外学习CAD勺很多知识，并且对其进行了巩固，让自己水平和速度更上一层楼。除了自己的个人提高，团队的合作是最重要的。在

21、社会这样一个大群体里面，沟通自然是为人处世的基本，如何协调彼 此的关系值得我们去深思和体会。在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很 大，有些人很有责任感，把这样一种事情当成是自己的重要任务， 并为之付出 了很大的努力，不断的思考自己所遇到的问题。 而有些人则不以为然，总觉得 自己的弱势其实在生活中这样的事情也是很多的， 当我们面对很多问题的 时候所采取的具体行动也是不同的， 这当然也会影响我们的结果。很多时候问 题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态， 而不是看我们过去的能力到底 有多强，那是一种态度的端正和目的的明确，只有这样把自己身置于具体的问 题之中，我们才能更好的解决问题。在这种相互协调合作的过程中，口角的斗争在所难免，关键是我们如何 的处理遇到的分歧，而不是一味的计较和埋怨，当然其中表达能力是最重要的。这不仅仅是在类似于这样的协调当中，生活中的很多事情都需要我们有这样的处理能力，面对分歧大家要消除误解、相互理解、增进