牛头刨床设计

1、*学院机械原理课程设计课程名称 机械原理课程设计题目名称 牛头刨床 学生学院 * 专业班级 机械设计制造及其自动化*班 学 号 * 学生姓名 * 指导教师 * 日 期 2010-7-15 目录机械原理课程设计0一、机械原理课程设计题目及要求11.工作原理12.设计要求13.设计数据（第一组数据）24.设计内容及工作量2二、连杆机构对比3第一个方案3第二个方案3第三个方案4三、机构运动尺寸4四、导杆机构的运动分析51.图解法51）速度分析52）加速度分析72.解析法9五、导杆机构的动态静力分析111.图解法112.解析法14六、凸轮机构设计191)确定凸轮机构的基本尺寸192)凸轮廓线的绘制24

2、七、小结25参考文献26一、机械原理课程设计题目及要求1.工作原理牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。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。2.设计要求电

3、动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为5。要求导杆机构的最大压力角应为最小值；凸轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。3.设计数据（第一组数据）导杆机构运动分析转速n2(r/min)48机架lO2O4(mm)380工作行程H(mm)310行程速比系数K1.46连杆与导杆之比0.25导杆机构动态静力分析工作阻力Fmax(N)4500导杆质量m4 (kg)20滑块6质量m6 (kg)7

4、0导杆4质心转动惯量 Js4 (kg m2)1.1凸轮机构设计从动件最大摆角max15从动件杆长 lO9D(mm)125许用压力角 40推程运动角 75远休止角 10回程运动角 754.设计内容及工作量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

5、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lo2o9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。二、连杆机构对比第一个方案因为其自由度F=3*5-2*7=1，机构具有确定的运动。此方案以滑块机构替代转动机构，增加了摩擦，以曲柄机构带动的刨刀需加一个较大的力，动力性

6、能较差。第二个方案因为其自由度F=3*5-2*7=1, 机构具有确定的运动。其冲击振动较大，零件易磨损，维护较难，对设备要求较高，导致成本增加。第三个方案因为其自由度F=3*5-2*7=1, 机构具有确定的运动。与原方案相比，结构同样简单，但由于此方案中刨头会受到曲柄转动时向上的力，不利于力的传动。三、机构运动尺寸1.导杆机构尺寸根据原始数据，行程速比系数K=1.46，则原动件杆4的极位夹角 曲柄2 导杆4 连杆5 2.机构简图最终算出各尺寸， 运用AutoCAD画出机构简图四、导杆机构的运动分析1.图解法1）速度分析红色实线表示机构的左右极限位置，黑实线为一般位置，。速度分析从A点开始，取重

7、合点进行求解。已知点的速度：其方向垂直于,指向与的转向一致。由运动合成原理可知，重合点有方向： 大小： ? ?取极点p，按比例尺作速度图（与机构简图绘在同一图样上），如图所示：求出构件4（3）的角速度和构件4上B点的速度以及构件4与构件3上重合点A的相对速度。因为导杆4角速度所以 对构件5上B、C点，列同一构件两点间的速度矢量方程：方向： 大小： ? ?（滑块6的速度）滑块6位移 2）加速度分析由运动已知的曲柄上A()点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点的加速度。因为所以大小： ? ?方向： A A /取极点，按比例尺作加速度图（与机构简图和速度分析矢量图绘在同一图样上），如

8、图所示：用影像原理求得构件4上B点和质心点的加速度和，用构件4上A点的切向加速度求构件4的角加速度。因为所以构件4的角加速度大小： ？ ？方向：/水平轴 CB 刨头6的加速度 2.解析法通过Solidworks 及Cosmosmotion建立机构仿真模型, 可得出刨头6的位移曲线图刨头6的速度曲线图刨头6的加速度曲线图五、导杆机构的动态静力分析1.图解法首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力（与反向）、构件4的惯性力矩（与反向，逆时针）、构件4的惯性力平移距离（方位：向上）、构件6的惯性力（与反向）。1、取构件5、6基本杆组为示力体因构件5为二力杆，只对构件6作受力分析即可，首先列力平衡方程

9、：大小： ？ ？方向： /水平轴 /水平轴 /BC按比例尺作力多边形，如图，求出运动副反力和。2、取构件3、4基本杆组为示力体首先取构件4，对点列力矩平衡方程（反力的大小和方向为已知），求出反力：再对构件4列力平衡方程，按比例尺作力多边形，如图。求出机架对构件4的反力：大小： ？方向： /BC ？3、取构件2为示力体2.解析法1）通过SolidWorks 以及COSMOSMotion建立机构仿真模型，得出X方向上的切削力随时间的变化曲线曲柄与机架的约束铰链外的反作用力的X、Y方向的分量以及合力幅值曲柄与机架的约束铰链外的反作用力矩的幅值2）Excel解析法根据公式推导：通过Excel可得出角速

10、度，角加速度，速度，加速度，位移，最大平衡力矩曲线，依次如下六、凸轮机构设计1)确定凸轮机构的基本尺寸选推杆的运动规律为二次多项式运动规律，即等加速等减速运动规律。其运动规律表达式为：等加速段： ()等减速段： ()由以上两个表达式求得： () ()最大摆角时有： 如所示为摆杆盘形凸轮机构同向转动的尖底摆杆盘形凸轮机构，当推程尖底与凸轮轮廓上任一点接触时，摆杆摆角为为摆杆的初始摆角，P点为摆杆和凸轮的相对瞬心，此时机构的压力角和传动角如图所示。由于摆杆和凸轮在瞬心点P的速度相等得：(a+OP) =OP， (1)则 OP/(OP+a)= 。 (2)将(1)式分子分母同乘整理得：OP(1-)=a

11、(3)由式(3)求出OP代入式(1)右边得： a+OP=A/(1-) (4)在三角形AP中由正统定理有： (5)将式(4)代入式(5)中得： (6)用代入式(6)中得： (7)过点O作O/P，则，再由式(2)得 ，等式(7)正是的正弦定理。将等式(6)中的展开得：tan= (8)由等式(8)求得 (9)将代入式(9)得: (10)如果在图中所示位置的接触点处的压力角正好满足，比较式(10)和式(7)可知，直线便是在此位置时满足式(10)以等到式成立的边界。可以证明直线左边的阴影所示区域为保证摆杆运动规律和摆杆长度不变的a和的解域。在推程的各个位置都有这样的解域，这些解域的交集便是推程时a和的解

12、域。回程时， 0，压力角a0，传力条件变成-tan，由此可导出满足传力条件性能的条件： (11)将代入式(11)得： (12)同理出可以求出回程时的a和的解域，推程和回程的解域的交集便是该凸轮机构保证传力性能好的a和的解域，如图所示的是一个用作图法求出的同向型凸轮机构的a和的解域。由图可知，的线图是在摆杆的各个以A为圆心的以L=为半径的圆弧线上取点如图中，推程时沿着此位置时的摆杆直线内侧量取线段，得，过作直线使之与直线倾斜角；同理，回程时也可沿着摆杆直线外侧量取回程时的线段，得，作直线使之与直线反向倾斜角。一般地,阴影区由多个位置时的边界线围成，显然，选取的点数多，a和的解域就精确。这要，凸轮

13、的转动中心O可以在阴影区域内选择，连接OA便得到待求的基本尺寸a=OA， 。如图所示求得的机架长度a=145mm, 54mm。选取凸轮机构为滚子从动件凸轮机构。滚子半径=(0.10.5) ，取=5.4mm。2)凸轮廓线的绘制选定角度比例尺，摆杆的角位移曲线，如图所示，将其中的推程和回程角位移曲线横坐标分成若干等分。选定长度比例尺，作以O为圆心以OB=为半径的基圆；以O为圆心，以OA=a为半径作反转后机架上摆杆转动中心的圆。自A点开始沿-方向把机架圆分成与图中横坐标相应的区间和等分，得点，再以为圆心，以AB=L为半径作弧与基圆交于点，得线段。自线段开始，分别作，使它们分别等于图中对应的角位移，得

14、线段。将点连成光滑曲线，它就是所求理论轮廓线。实际轮廓线可用前述滚子圆包络线的方法作出，如图所示。七、小结本次课程设计对我们来说是非常有意义的，通过这次课程设计，我们从中得到很多收益。虽然时间不到十天略显得有点仓促一些，但每天都过得很充实的课程设计。由于我们的理论知识不够扎实，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。在大家的热情帮助下，使我找到了信心。通过查阅很多相关文献，一步一步做下去，不懂就找同学一起讨论，克服了重重困难，但还是难免有疏忽或遗漏的地方。通过这次课程设计，对牛头刨床的工作原理及其内部的传动机构以及机构选型、运动方案的确定以及对导杆机构进行运动分析有了初步详细精确话的了解，在此期间，也让我们熟练了AutoCAD，也学了一下SolidWorks，更最重要的是让我们巩固了专业知识