機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（牛頭刨床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析）

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（機(jī)械電子工程2022級(jí)1-6班）指導(dǎo)教師：魏軍英楊通王明燕山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)制系2024年12月20日牛頭刨床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析一、設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)設(shè)計(jì)目的進(jìn)一步鞏固和加深學(xué)生所學(xué)的《機(jī)械原理》課程的理論知識(shí)，培養(yǎng)其分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；使之對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的分析和設(shè)計(jì)有一較完整的概念，掌握齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高學(xué)生的計(jì)算、制圖和使用技術(shù)資料的能力。設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)針對(duì)牛頭刨床的工作機(jī)構(gòu)，完成帶傳動(dòng)和齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配及齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算；完成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用矢量方程圖解法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，用動(dòng)態(tài)靜力分析法進(jìn)行力分析；完成凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以上任務(wù)要求完成：1號(hào)圖紙一張，2號(hào)圖紙一張，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。設(shè)計(jì)中要做到計(jì)算準(zhǔn)確，步驟清楚，書(shū)寫(xiě)端正，圖的布置要?jiǎng)蚍Q，圖中線條、尺寸標(biāo)注均應(yīng)符合制圖標(biāo)準(zhǔn)。二、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)1、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介牛頭刨床是一種常用的平面切削加工機(jī)床。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)曲柄2和固結(jié)在其上的凸輪8。圖1牛頭刨床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖刨床工作時(shí)，由導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4-5-6帶動(dòng)刨頭6和刨刀7作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刨頭右行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程，此時(shí)要求速度較低且均勻，以減小電機(jī)容量和提高切削質(zhì)量；刨頭左行時(shí)，不進(jìn)行切削，稱為空回行程，此時(shí)速度較高，以節(jié)省時(shí)間提高生產(chǎn)率。為此刨床采用有急回作用的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。刨刀每切削完一次，利用空回行程的時(shí)間，凸輪8通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)1-9-10-11與棘輪帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)（圖中未畫(huà)），使工作臺(tái)連同工件作一次進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以便刨刀繼續(xù)切削。刨頭在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段0.05H的空刀距離，如圖2），而空行程中則沒(méi)有切削阻力。因此刨頭在整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中，受力變化是很大的，影響了主軸的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，故需安裝飛輪來(lái)減小主軸的速度波動(dòng)，以提高切削質(zhì)量和減少電動(dòng)機(jī)容量。圖2刨頭運(yùn)動(dòng)行程中的切削阻力2、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速及導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)整個(gè)機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)帶傳動(dòng)和二級(jí)齒輪傳動(dòng)后驅(qū)動(dòng)如圖3所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的曲柄2具有的轉(zhuǎn)速為n2，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將曲柄2的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榕俚兜闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刨刀行程為H，行程速度變化系數(shù)為K。圖3牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸及其他數(shù)據(jù)分別為如下方案，如下表1-1~表1-6所示。（每班分3組，每組9-10人，共用一套數(shù)據(jù)，共同設(shè)計(jì)一個(gè)方案，每組計(jì)算18或20個(gè)位置點(diǎn)，每人計(jì)算2個(gè)位置點(diǎn)。其中有五個(gè)特殊位置點(diǎn)，應(yīng)由5位同學(xué)每人選擇一個(gè)位置點(diǎn)。因均分位置點(diǎn)不夠，在各組中相應(yīng)增加45、105、165等。）表1-1機(jī)電2022-1班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1410751.413604200.51.52100.36502001101/24220=2\*ROMANII1430601.433704400.51.21800.35801701151/28180=3\*ROMANIII1450701.454104500.51.82400.37202301051/22240表1-2機(jī)電2022-2班（27人）用數(shù)據(jù)（每組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1420651.443904300.51.52300.37001901101/24210=2\*ROMANII1470751.403804500.51.42200.36601801051/25200=3\*ROMANIII1460721.454204100.51.22000.36401601201/30240表1-3機(jī)電2022-3班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1350721.403704300.51.52150.36602101151/24220=2\*ROMANII1370661.423804200.51.21850.35901801201/28180=3\*ROMANIII1390681.444004400.51.82450.37102201101/22240表1-4機(jī)電2022-4班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1430671.453904400.51.52350.37201951151/24210=2\*ROMANII1440761.434004100.51.42250.36801851101/25200=3\*ROMANIII1460701.414104500.51.22050.36501701251/30240表1-5機(jī)電2022-5班（27人）用數(shù)據(jù)（每組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1330741.413604300.51.52200.36702101201/24220=2\*ROMANII1310651.423804200.51.21900.36001901101/28180=3\*ROMANIII1360681.454104400.51.82350.37002201151/22240表1-6機(jī)電2022-6班（28人）用數(shù)據(jù)（1組10人，2-3組9人）方案電機(jī)轉(zhuǎn)速nd(r/min)n2(r/min)KH(mm)(mm)(Kg.m2)G4(N)G6(N)XS(mm)yp(mm)δμp(N/mm)=1\*ROMANI1430661.4439004200.51.52250.37102001151/24210=2\*ROMANII1450741.434204400.51.42300.36701901101/25200=3\*ROMANIII1430721.464204500.51.22250.36501701251/30240其中：---導(dǎo)桿4對(duì)重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。----鉸鏈與鉸鏈之間的距離，如圖3所示。---刀架重心S位置的橫向坐標(biāo)點(diǎn)（在鉸鏈C的右方），如圖4所示。---切削力作用點(diǎn)的縱向坐標(biāo)點(diǎn)，如圖4所示。-----刨床的速度不均勻系數(shù)。----切削阻力的比例尺。注意：切削阻力，（如圖2所示，為20mm。）圖4刀架位置參數(shù)（2）凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表2-1凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-1班（28人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII42=3\*ROMANIII36表2-2凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-2班（27人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII39=3\*ROMANIII41表2-3凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-3班（28人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI37=2\*ROMANII39=3\*ROMANIII42表2-4凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-4班（28人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI43=2\*ROMANII38=3\*ROMANIII10表2-5凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-5班（27人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI38=2\*ROMANII37=3\*ROMANIII10表2-6凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)—機(jī)電2022-6班（28人）方案最大壓力角[]推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角行程h/mm=1\*ROMANI39=2\*ROMANII36=3\*ROMANIII42三、設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速，對(duì)帶傳動(dòng)和兩級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)比分配，高速級(jí)齒輪傳動(dòng)及低速級(jí)齒輪傳動(dòng)均采用漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪，齒輪中心距要求為整數(shù)，總的傳動(dòng)比誤差±5%。1、齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算利用給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速nd與導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)速n2，計(jì)算帶傳動(dòng)與兩級(jí)齒輪傳動(dòng)的總傳動(dòng)比i。根據(jù)計(jì)算得到的總傳動(dòng)比，對(duì)各級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)比分配。式中，i1為帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比，1.5＜i1＜3；i2為高速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，1.8＜i2＜5；i3為低速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，1.8＜i3＜5。2、高速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)根據(jù)分配的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)高速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，計(jì)算大小齒輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及重合度。（小齒輪齒數(shù)20~40，大齒輪按傳動(dòng)比計(jì)算。模數(shù)從標(biāo)準(zhǔn)系列中選擇，范圍3~5mm。）3、低速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)根據(jù)分配的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)低速級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，計(jì)算大小齒輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)及重合度。（小齒輪齒數(shù)20~40，大齒輪按傳動(dòng)比計(jì)算。模數(shù)從標(biāo)準(zhǔn)系列中選擇，范圍3~5mm。）（二）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析計(jì)算并繪制出機(jī)構(gòu)在指定位置的位移、速度、加速度圖，受力圖，匯總各位置的結(jié)果，繪制位移、速度、加速度曲線、平衡力矩曲線，等效阻力矩曲線以及等效驅(qū)動(dòng)力矩曲線。根據(jù)上述得到的數(shù)據(jù)，確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JF。1、繪機(jī)構(gòu)位置圖已知：、、、；要求：按長(zhǎng)度比例尺畫(huà)出機(jī)構(gòu)中導(dǎo)桿的兩個(gè)極端位置（用雙點(diǎn)劃線表示）和1～2個(gè)由教師指定的中間位置（用粗實(shí)線表示）。步驟：（1）計(jì)算極位夾角及擺角：，（2）計(jì)算導(dǎo)桿長(zhǎng)度：（3）選長(zhǎng)度比例尺，作相對(duì)應(yīng)位置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖：1）由導(dǎo)桿左端位置（編號(hào)為0）開(kāi)始，按30°等分，將曲柄一周分為12個(gè)位置，并按順時(shí)針依次編號(hào)，再找出五個(gè)特殊位置點(diǎn)（曲柄端點(diǎn)A處在最上點(diǎn)位、最下點(diǎn)位，導(dǎo)桿4的位置處在最右，構(gòu)件6距其極限位置為0.05H的和點(diǎn)），并給每個(gè)位置編寫(xiě)序號(hào)（注：位置點(diǎn)數(shù)不夠的根據(jù)前面給出的位置點(diǎn)補(bǔ)齊，若某特殊位置點(diǎn)與均分點(diǎn)位置太近，則視情況將均分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲柄角度調(diào)整5°~10°）。2）刨頭移動(dòng)導(dǎo)路x—x位于導(dǎo)桿端點(diǎn)B所作圓弧高度的平均線上。2、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析已知：n2、各構(gòu)件的尺寸及位置。要求：按速度比例尺繪制指定位置的速度圖、按加速度比例尺繪制指定位置的加速度圖，并計(jì)算構(gòu)件4的運(yùn)動(dòng)參數(shù)角速度和角加速度。步驟：用矢量方程圖解法，對(duì)指定位置作機(jī)構(gòu)的速度圖（自定）。確定出，并計(jì)算。用矢量方程圖解法，對(duì)指定位置作機(jī)構(gòu)的加速度圖（自定）。確定出C點(diǎn)的加速度，并計(jì)算構(gòu)件4的角加速度。（注意：哥氏加速度）。將計(jì)算結(jié)果與本組其他同學(xué)的計(jì)算結(jié)果匯總，并填入?yún)R總表表3中。繪制滑塊6的s-

α、v-

α、a-

α線圖。表3機(jī)構(gòu)在各位置點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)位置參數(shù)01234567891011桿2轉(zhuǎn)角0°30°sCmmm/srad/sm/s2rad/s2m/s2注：（表中有17個(gè)位置點(diǎn)，9-10人組在各組中自主增加45、105、165等。）3、動(dòng)態(tài)靜力分析已知：構(gòu)件的重量、，導(dǎo)桿4繞重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，切削阻力（數(shù)值見(jiàn)圖2和表1）。要求：繪制指定位置的受力分析圖、計(jì)算各運(yùn)動(dòng)副中反作用力及曲柄所需要的平衡力矩。 步驟：（1）確定各慣性力及慣性力矩。（2）劃分構(gòu)件組，對(duì)各組進(jìn)行受力分析。（3）作力多邊形，并確定各運(yùn)動(dòng)副反力。（4）確定曲柄所需要的平衡力矩。（5）將計(jì)算結(jié)果填入表4中。表4指定位置處各運(yùn)動(dòng)副中的反力及所需的平衡力矩參數(shù)位置0123﹕4、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定已知：機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)、飛輪安裝在曲柄軸上，驅(qū)動(dòng)力矩為常數(shù)。要求：確定飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。步驟：匯總各點(diǎn)位置需加于曲柄的平衡力矩，并填入表5中。表5各位置對(duì)應(yīng)的平衡力矩、等效阻力矩、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及動(dòng)能位置參數(shù)01234567891011繪制等效阻力矩曲線（見(jiàn)圖5（a）） 等效阻力矩的數(shù)值，與曲柄力分析圖上的平衡力矩大小相等，但方向相反。注意在作曲線時(shí)，若方向與（）方向相同則取為“正”，否則取為“負(fù)”，選取比例尺。繪制等效驅(qū)動(dòng)力矩曲線（見(jiàn)圖5（a））根據(jù)一個(gè)周期中，驅(qū)動(dòng)功和阻抗功相等的原則，在圖上以比例尺畫(huà)出曲線。繪制剩余力矩曲線（見(jiàn)圖5（b））繪制動(dòng)能增量（盈虧功）曲線（見(jiàn)圖5（c））由圖，用坐標(biāo)紙數(shù)格法或按圖解積分法確定各位置（）的動(dòng)能增量（盈虧功），并用一定比例尺繪曲線,注意圖能量比例尺為（），即每個(gè)小格（）代表的焦耳的數(shù)量。繪制除飛輪以外的各構(gòu)件的動(dòng)能曲線（見(jiàn)圖5（d））以曲柄2為等效構(gòu)件，按下式計(jì)算各位置等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其動(dòng)能。并將和的計(jì)算結(jié)果匯總填入表5，然后用選定的比例尺畫(huà)出曲線。繪制曲線（即曲線）繪制曲線，即繪制曲線。在圖上，用比例尺繪制曲線，其中，詳見(jiàn)圖5（c）。確定最大動(dòng)能差在曲線上，找出最大動(dòng)能點(diǎn)。量出其垂直高度（見(jiàn)圖5（c）），則：計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（三）凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（表2-1及2-2數(shù)據(jù)）凸輪機(jī)構(gòu)采用直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪與曲柄2為一個(gè)構(gòu)件。設(shè)計(jì)步驟：1、根據(jù)具體情況，選擇對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)或偏置直動(dòng)滾子推桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)；2、推程和回程選用不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并繪制推桿位移、速度和加速度運(yùn)動(dòng)線圖；3、確定基圓半徑r0；4、確定滾子半徑rr，并判斷是否會(huì)凸輪工作廓線出現(xiàn)變尖現(xiàn)象或失真現(xiàn)象；5、計(jì)算推程的最大壓力角max；6、繪制凸輪廓線。圖5各曲線圖（僅供參考）附頁(yè)：機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第一頁(yè)內(nèi)容學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)班級(jí)姓名一、課程設(shè)計(jì)題目：牛頭刨床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析二、課程設(shè)計(jì)主要參考資料：（1）孫桓.機(jī)械原理[M].第九版.北京：高等教育出版社，2021.（2）（至少3篇參考文獻(xiàn)）（3）