牛頭刨床設(shè)計

1、*學(xué)院機(jī)械原理課程設(shè)計課程名稱 機(jī)械原理課程設(shè)計題目名稱 牛頭刨床 學(xué)生學(xué)院 * 專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化*班 學(xué) 號 * 學(xué)生姓名 * 指導(dǎo)教師 * 日 期 2010-7-15 目錄機(jī)械原理課程設(shè)計0一、機(jī)械原理課程設(shè)計題目及要求11.工作原理12.設(shè)計要求13.設(shè)計數(shù)據(jù)（第一組數(shù)據(jù)）24.設(shè)計內(nèi)容及工作量2二、連桿機(jī)構(gòu)對比3第一個方案3第二個方案3第三個方案4三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動尺寸4四、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析51.圖解法51）速度分析52）加速度分析72.解析法9五、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析111.圖解法112.解析法14六、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計191)確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸192)凸輪廓線的繪制24

2、七、小結(jié)25參考文獻(xiàn)26一、機(jī)械原理課程設(shè)計題目及要求1.工作原理牛頭刨床是一種靠刀具的往復(fù)直線運(yùn)動及工作臺的間歇運(yùn)動來完成工件的平面切削加工的機(jī)床。圖1為其參考示意圖。電動機(jī)經(jīng)過減速傳動裝置（皮帶和齒輪傳動）帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)）完成刨刀的往復(fù)運(yùn)動和間歇移動。刨床工作時，刨頭6由曲柄2帶動右行，刨刀進(jìn)行切削，稱為工作行程。在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距離，工作阻力F為常數(shù)；刨刀左行時，即為空回行程，此行程無工作阻力。在刨刀空回行程時，凸輪8通過四桿機(jī)構(gòu)帶動棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)帶動螺旋機(jī)構(gòu)使工作臺連同工件在垂直紙面方向上做一次進(jìn)給運(yùn)動，以便刨刀繼續(xù)切削。2.設(shè)計要求電

3、動機(jī)軸與曲柄軸2平行，刨刀刀刃E點與鉸鏈點C的垂直距離為50mm，使用壽命10年，每日一班制工作，載荷有輕微沖擊。允許曲柄2轉(zhuǎn)速偏差為±5。要求導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的最大壓力角應(yīng)為最小值；凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角應(yīng)在許用值之內(nèi)，擺動從動件9的升、回程運(yùn)動規(guī)律均為等加速等減速運(yùn)動。執(zhí)行構(gòu)件的傳動效率按0.95計算，系統(tǒng)有過載保護(hù)。按小批量生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計。3.設(shè)計數(shù)據(jù)（第一組數(shù)據(jù)）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析轉(zhuǎn)速n2(r/min)48機(jī)架lO2O4(mm)380工作行程H(mm)310行程速比系數(shù)K1.46連桿與導(dǎo)桿之比0.25導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)動態(tài)靜力分析工作阻力Fmax(N)4500導(dǎo)桿質(zhì)量m4 (kg)20滑塊6質(zhì)量m6

4、 (kg)70導(dǎo)桿4質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量 Js4 (kg ·m2)1.1凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計從動件最大擺角max15°從動件桿長 lO9D(mm)125許用壓力角 40°推程運(yùn)動角 75°遠(yuǎn)休止角 10°回程運(yùn)動角 75°4.設(shè)計內(nèi)容及工作量1. 根據(jù)牛頭刨床的工作原理，擬定23個其他形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（連桿機(jī)構(gòu)），并對這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析對比。2. 根據(jù)給定的數(shù)據(jù)確定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸。要求用圖解法設(shè)計，并將設(shè)計結(jié)果和步驟寫在設(shè)計說明書中。3. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析。將導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)放在直角坐標(biāo)系下，建立參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型，編程分析出刨頭6的位移、速度、加速度及導(dǎo)桿4的

5、角速度和角加速度，畫出運(yùn)動曲線，并打印上述各曲線圖。要求將主程序編制過程詳細(xì)地寫在說明書中。4. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析。通過建立機(jī)構(gòu)仿真模型，并給系統(tǒng)加力，編制程序，打印外加力的曲線，并求出最大平衡力矩和功率。5. 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)所給定的已知參數(shù)，確定凸輪的基本尺寸（基圓半徑ro、機(jī)架lo2o9和滾子半徑rr），并將運(yùn)算結(jié)果寫在說明書中。將凸輪機(jī)構(gòu)放在直角坐標(biāo)系下，編制程序，求出凸輪機(jī)構(gòu)的實際廓線，打印出從動件運(yùn)動規(guī)律和凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型。6. 編寫設(shè)計說明書一份。應(yīng)包括設(shè)計任務(wù)、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計計算過程等。二、連桿機(jī)構(gòu)對比第一個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1，機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。此

6、方案以滑塊機(jī)構(gòu)替代轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，增加了摩擦，以曲柄機(jī)構(gòu)帶動的刨刀需加一個較大的力，動力性能較差。第二個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1, 機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。其沖擊振動較大，零件易磨損，維護(hù)較難，對設(shè)備要求較高，導(dǎo)致成本增加。第三個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1, 機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。與原方案相比，結(jié)構(gòu)同樣簡單，但由于此方案中刨頭會受到曲柄轉(zhuǎn)動時向上的力，不利于力的傳動。三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動尺寸1.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)尺寸根據(jù)原始數(shù)據(jù)，行程速比系數(shù)K=1.46，則原動件桿4的極位夾角 曲柄2 導(dǎo)桿4 連桿5 2.機(jī)構(gòu)簡圖最終算出各尺寸， 運(yùn)用AutoCAD畫出機(jī)構(gòu)簡圖四、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析1.圖解法1）

7、速度分析紅色實線表示機(jī)構(gòu)的左右極限位置，黑實線為一般位置，。速度分析從A點開始，取重合點進(jìn)行求解。已知點的速度：其方向垂直于,指向與的轉(zhuǎn)向一致。由運(yùn)動合成原理可知，重合點有方向： 大?。?? ?取極點p，按比例尺作速度圖（與機(jī)構(gòu)簡圖繪在同一圖樣上），如圖所示：求出構(gòu)件4（3）的角速度和構(gòu)件4上B點的速度以及構(gòu)件4與構(gòu)件3上重合點A的相對速度。因為導(dǎo)桿4角速度所以 對構(gòu)件5上B、C點，列同一構(gòu)件兩點間的速度矢量方程：方向： 大小： ? ?（滑塊6的速度）滑塊6位移 2）加速度分析由運(yùn)動已知的曲柄上A()點開始，列兩構(gòu)件重合點間加速度矢量方程，求構(gòu)件4上A點的加速度。因為所以大?。?? ?方向：

8、A A /取極點，按比例尺作加速度圖（與機(jī)構(gòu)簡圖和速度分析矢量圖繪在同一圖樣上），如圖所示：用影像原理求得構(gòu)件4上B點和質(zhì)心點的加速度和，用構(gòu)件4上A點的切向加速度求構(gòu)件4的角加速度。因為所以構(gòu)件4的角加速度大小： ？ ？方向：/水平軸 CB 刨頭6的加速度 2.解析法通過Solidworks 及Cosmosmotion建立機(jī)構(gòu)仿真模型, 可得出刨頭6的位移曲線圖刨頭6的速度曲線圖刨頭6的加速度曲線圖五、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析1.圖解法首先依據(jù)運(yùn)動分析結(jié)果，計算構(gòu)件4的慣性力（與反向）、構(gòu)件4的慣性力矩（與反向，逆時針）、構(gòu)件4的慣性力平移距離（方位：向上）、構(gòu)件6的慣性力（與反向）。1、取構(gòu)

9、件5、6基本桿組為示力體因構(gòu)件5為二力桿，只對構(gòu)件6作受力分析即可，首先列力平衡方程：大?。?？ ？方向： /水平軸 /水平軸 /BC按比例尺作力多邊形，如圖，求出運(yùn)動副反力和。2、取構(gòu)件3、4基本桿組為示力體首先取構(gòu)件4，對點列力矩平衡方程（反力的大小和方向為已知），求出反力：再對構(gòu)件4列力平衡方程，按比例尺作力多邊形，如圖。求出機(jī)架對構(gòu)件4的反力：大?。?？方向： /BC ？3、取構(gòu)件2為示力體2.解析法1）通過SolidWorks 以及COSMOSMotion建立機(jī)構(gòu)仿真模型，得出X方向上的切削力隨時間的變化曲線曲柄與機(jī)架的約束鉸鏈外的反作用力的X、Y方向的分量以及合力幅值曲柄與機(jī)架的約

10、束鉸鏈外的反作用力矩的幅值2）Excel解析法根據(jù)公式推導(dǎo)：通過Excel可得出角速度，角加速度，速度，加速度，位移，最大平衡力矩曲線，依次如下六、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計1)確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸選推桿的運(yùn)動規(guī)律為二次多項式運(yùn)動規(guī)律，即等加速等減速運(yùn)動規(guī)律。其運(yùn)動規(guī)律表達(dá)式為：等加速段： ()等減速段： ()由以上兩個表達(dá)式求得： () ()最大擺角時有： 如所示為擺桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)同向轉(zhuǎn)動的尖底擺桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)推程尖底與凸輪輪廓上任一點接觸時，擺桿擺角為為擺桿的初始擺角，P點為擺桿和凸輪的相對瞬心，此時機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動角如圖所示。由于擺桿和凸輪在瞬心點P的速度相等得：(a+OP) =OP， (1)

11、則 OP/(OP+a)= 。 (2)將(1)式分子分母同乘整理得：OP(1-)=a (3)由式(3)求出OP代入式(1)右邊得： a+OP=A/(1-) (4)在三角形AP中由正統(tǒng)定理有： (5)將式(4)代入式(5)中得： (6)用代入式(6)中得： (7)過點O作O/P，則，再由式(2)得 ，等式(7)正是的正弦定理。將等式(6)中的展開得：tan= (8)由等式(8)求得 (9)將代入式(9)得: (10)如果在圖中所示位置的接觸點處的壓力角正好滿足，比較式(10)和式(7)可知，直線便是在此位置時滿足式(10)以等到式成立的邊界?？梢宰C明直線左邊的陰影所示區(qū)域為保證擺桿運(yùn)動規(guī)律和擺桿長

12、度不變的a和的解域。在推程的各個位置都有這樣的解域，這些解域的交集便是推程時a和的解域?；爻虝r， <0，壓力角a<0，傳力條件變成-tan，由此可導(dǎo)出滿足傳力條件性能的條件： (11)將代入式(11)得： (12)同理出可以求出回程時的a和的解域，推程和回程的解域的交集便是該凸輪機(jī)構(gòu)保證傳力性能好的a和的解域，如圖所示的是一個用作圖法求出的同向型凸輪機(jī)構(gòu)的a和的解域。由圖可知，的線圖是在擺桿的各個以A為圓心的以L=為半徑的圓弧線上取點如圖中，推程時沿著此位置時的擺桿直線內(nèi)側(cè)量取線段，得，過作直線使之與直線傾斜角；同理，回程時也可沿著擺桿直線外側(cè)量取回程時的線段，得，作直線使之與直線

13、反向傾斜角。一般地,陰影區(qū)由多個位置時的邊界線圍成，顯然，選取的點數(shù)多，a和的解域就精確。這要，凸輪的轉(zhuǎn)動中心O可以在陰影區(qū)域內(nèi)選擇，連接OA便得到待求的基本尺寸a=OA， 。如圖所示求得的機(jī)架長度a=145mm, 54mm。選取凸輪機(jī)構(gòu)為滾子從動件凸輪機(jī)構(gòu)。滾子半徑=(0.10.5) ，取=5.4mm。2)凸輪廓線的繪制選定角度比例尺，擺桿的角位移曲線，如圖所示，將其中的推程和回程角位移曲線橫坐標(biāo)分成若干等分。選定長度比例尺，作以O(shè)為圓心以O(shè)B=為半徑的基圓；以O(shè)為圓心，以O(shè)A=a為半徑作反轉(zhuǎn)后機(jī)架上擺桿轉(zhuǎn)動中心的圓。自A點開始沿-方向把機(jī)架圓分成與圖中橫坐標(biāo)相應(yīng)的區(qū)間和等分，得點，再以為圓

14、心，以AB=L為半徑作弧與基圓交于點，得線段。自線段開始，分別作，使它們分別等于圖中對應(yīng)的角位移，得線段。將點連成光滑曲線，它就是所求理論輪廓線。實際輪廓線可用前述滾子圓包絡(luò)線的方法作出，如圖所示。七、小結(jié)本次課程設(shè)計對我們來說是非常有意義的，通過這次課程設(shè)計，我們從中得到很多收益。雖然時間不到十天略顯得有點倉促一些，但每天都過得很充實的課程設(shè)計。由于我們的理論知識不夠扎實，再加上平時沒有什么設(shè)計經(jīng)驗，一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。在大家的熱情幫助下，使我找到了信心。通過查閱很多相關(guān)文獻(xiàn)，一步一步做下去，不懂就找同學(xué)一起討論，克服了重重困難，但還是難免有疏忽或遺漏的地方。通過這次課程設(shè)計，對牛頭刨床的工作原理及其內(nèi)部的傳動機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)選型、運(yùn)動方案的確定以及對導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析有了初步詳細(xì)精確話的了解，在此期間，也讓我們熟練了AutoCAD，也學(xué)了一下SolidWorks，更最重要的是讓我們鞏固了專業(yè)