機械原理課程設(shè)計--牛頭刨床

1、錄第一章 設(shè)計的任務(wù)與原始參數(shù)- 3 -1.1設(shè)計任務(wù)- 3 -1.2 原始參數(shù)- 4 -第二章 運動方案設(shè)計·- 5 -2.1減速裝置的選擇- 5 -2.2刨刀切削運動的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)- 5 -第三章 電動機的選擇- 6 -3.1 確定電機功率Pd- 6 -3.2 根據(jù)Pd查得電動機部分型號表選擇電動機- 7 -第四章 傳動比分配- 8 -4.1計算傳動比i和選定減速裝置- 8 -第五章 減速機構(gòu)設(shè)計- 9 -5.1 總體方案圖- 9 -5.2 減速零件參數(shù)- 10 -第六章 主機構(gòu)設(shè)計- 12 -1.1機構(gòu)運動簡圖及標(biāo)號- 12 -1.2 極位夾角、曲柄1（桿AB）角速度及各桿件長度計

2、算- 12 -第七章 主機構(gòu)運動分析- 14 -7.1.位置分析- 14 -7.2.速度分析- 15 -7.3.加速度分析- 15 -7.4矩陣計算及繪圖- 15 -7.5輸出圖像及數(shù)據(jù)表格- 19 -第八章 主機構(gòu)受力分析- 21 -8.1 位置1：1=0- 21 -8.2 位置2：1=90- 24 -8.3 位置3：1=270- 26 -第九章 主機構(gòu)的速度波動調(diào)節(jié)- 29 -9.1 等效驅(qū)動力矩及飛輪質(zhì)量的計算- 29 -9.2 運用excel函數(shù)及繪圖處理matlab輸出的數(shù)據(jù)- 30 -第十章 小結(jié)- 32 -10.1 心得體會- 32 -10.2 參考文獻- 32 -10.3 致謝

3、- 32 -第一章 設(shè)計的任務(wù)與原始參數(shù)1.1設(shè)計任務(wù)l 題目：牛頭刨床l 工作原理：牛頭刨床是一種常用的平面切削加工機床，電動機經(jīng)帶傳動、齒輪傳動（圖中未畫出）最后帶動曲柄1（見圖1）轉(zhuǎn)動，刨床工作時，是由導(dǎo)桿機構(gòu)1-2-3-4-5帶動刨頭和刨刀作往復(fù)運動，刨頭5右行時，刨刀切削，稱工作行程，此時要求速度較低并且均勻；刨頭左行時，不進行切削，稱空回行程，此時速度較高，以節(jié)省時間提高生產(chǎn)率，為此刨床采用有急回作用的導(dǎo)桿機構(gòu)。圖1牛頭刨床的工藝功能要求如下：1）刨削速度盡可能為勻速，并要求刨刀有急回特性。2）刨削時工件靜止不動，刨刀空回程后期工件作橫向進給，且每次橫向進給量要求相同，橫向進給量很

4、小并可隨工件的不同可調(diào)。3）工件加工面被拋去一層之后，刨刀能沿垂直工件加工面方向下移一個切削深度，然后工件能方便地作反方向間歇橫向進給，且每次進給量仍然要求相同。4）原動機采用電動機。l 設(shè)計步驟：運動方案設(shè)計 電動機的選擇 齒輪機構(gòu)設(shè)計 （m=47） 主機構(gòu)設(shè)計 主機構(gòu)運動分析（矩陣 解析法） 主機構(gòu)受力分析（可用圖解法） 主機構(gòu)的速度波動調(diào)節(jié) 小結(jié) 編制說明書1.2 原始參數(shù)刨削平均速度 Vm =530 mm/s 行程速度變化系數(shù)K=1.46刨刀沖程 H=320 mm 切削阻力 Fr=3500 N空行程摩擦阻力 175 N 刨刀越程量 S=16 mm刨刀重量 550 N 桿件線密度 220

5、kg/m機器運轉(zhuǎn)速度許用不均勻系數(shù) =0.05 圖2第二章 運動方案設(shè)計·2.1減速裝置的選擇原動機采用電動機，轉(zhuǎn)速較快，故電機轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)運動需要通過減速裝置再傳給刨刀切削運動的執(zhí)行機構(gòu)，來使動力速度達到設(shè)定值，定軸輪系結(jié)構(gòu)簡單緊湊，決定選用定軸輪系作為減速裝置。 2.2刨刀切削運動的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)按照原始條件，原動機采用電動機，電機轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)運動經(jīng)過減速傳動裝置后再傳給刨刀切削運動的執(zhí)行機構(gòu)，所以它應(yīng)具備將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成雙向移動的功能，常用于實現(xiàn)這一功能的執(zhí)行機構(gòu)有以下幾種： （1）移動從動件凸輪機構(gòu)：易實現(xiàn)工作行程為勻速及具有急回特性的要求，但受力差，易磨損，行程大時基圓大，凸輪尺寸大

6、，較難平衡和制造。 （2） 平面連桿機構(gòu)：受力好，磨損小，工作可靠，且具有急回特性，但只能實現(xiàn)近似均速運動。 （3） 齒條機構(gòu)：可實現(xiàn)工作行程為勻速移動的要求，但行程開始及終止時有沖擊，適用于大行程而不宜小行程，且必須增加換向變速機構(gòu)才能得到急回運動。 （4） 螺旋機構(gòu)：能得到均速移動的工作行程，且為面接觸，受力好，但行程開始和終止時有沖擊，安裝和潤滑較困難，且必須增設(shè)換向和變速機構(gòu)，才能得到急回運動。 （5） 組合機構(gòu)：如凸輪連桿組合機構(gòu)，能實現(xiàn)給定的運動要求，但具有凸輪機構(gòu)存在的缺點，且設(shè)計制造較復(fù)雜。綜上所述，刨刀切削運動采用平面六桿機構(gòu)。第三章 電動機的選擇3.1 確定電機功率Pd 1

7、) 根據(jù)機構(gòu)位置、切削阻力Fr及空程阻力Fr1確定一個運動循環(huán)中阻力矩所做的功。Wr=Fr×(H-2S)+ Fr1×(H+2S) (3-1)Wr =1069.6 J 2) 計算刨刀切削運動所需的功率 Pr= Wr ×kVm / H (1 +k) (3-2) Pr =1051.393 W 3) 考慮到機械摩擦損失及工件橫向進給運動所需功率(估算其效率為80%)Pd=1/0.8 *Pr (3-3) Pd =1314.2 W 3.2 根據(jù)Pd查得電動機部分型號表選擇電動機型 號額定功率 額定電流 轉(zhuǎn)速 效率 功率因數(shù) 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流最大轉(zhuǎn)矩噪聲振動速度 重量額定轉(zhuǎn)矩額

8、定電流額定轉(zhuǎn)矩1級2級kWAr/min%COS倍倍倍dB(A)mm/sKg同步轉(zhuǎn)速 3000r/min 2 級Y80M1-20.751.8283075.00.842.26.52.366711.817Y80M2-21.12.5283077.00.862.27.02.366711.818Y90S-21.53.4284078.00.852.27.02.370751.822Y90L-22.24.8284080.50.862.27.02.370751.825Y100L-236.4288082.00.872.27.02.374791.834Y112M-248.2289085.50.872.27.02.37

9、4791.845Y132S1-25.511.1290085.50.882.07.02.378831.867同步轉(zhuǎn)速 1500r/min 4 級Y80M1-40.551.5139073.00.762.46.02.356671.817Y80M2-40.752139074.50.762.36.02.356671.817Y90S-41.12.7140078.00.782.36.52.361671.825Y90L-41.53.7140079.00.792.36.52.362671.826Y100L1-42.25143081.00.822.27.02.365701.834Y100L2-436.814308

10、2.50.812.27.02.365701.835Y112M-448.8144084.50.822.27.02.368741.847Y132S-45.511.6144085.50.842.27.02.370781.868同步轉(zhuǎn)速 1000r/min 6 級Y90S-60.752.391072.50.72.05.52.256651.821Y90L-61.13.291073.50.72.05.52.256651.824Y100L-61.5494077.50.72.06.02.262671.835Y112M-62.25.694080.50.72.06.02.262671.845Y132S-637.2

11、96083.00.82.06.52.266711.866Y132M1-649.496084.00.82.06.52.266711.875Y132M2-65.512.696085.30.82.06.52.266711.885Y160M-67.51797086.00.82.06.52.069751.8116Y160L-61124.697087.00.82.06.52.070751.8139 綜合選擇 Y90L-4電動機，額定功率1.5KW，轉(zhuǎn)速1400r/min.第四章 傳動比分配4.1計算傳動比i和選定減速裝置電機軸轉(zhuǎn)速nd比執(zhí)行機構(gòu)原動件（曲柄AB）的轉(zhuǎn)速n1大得多，其比值，所以其間必須配置減

12、速機構(gòu)，可以根據(jù)i值選定減速機構(gòu)的類型組合。i= (4-1)=22.94因傳動比較大，普通輪系傳動比不高，故決定采用電動機V帶輪2K-H型行星齒輪系負號機構(gòu)組成第五章 減速機構(gòu)設(shè)計5.1 總體方案圖l 傳動效率：對滾動軸承 b=0.99 聯(lián)軸器c=0.99 V帶輪 v=0.94 2K-H型行星齒輪系 2k-h=0.98總=c·b·v·b·c·2k-h (5-1)總=0.8855.2 減速零件參數(shù)結(jié)合減速方案及查閱機械設(shè)計手冊得：V帶輪基準(zhǔn)直徑: 小輪 Dd1=31.5mm，大輪 Dd2=125mm滑移系數(shù): =0.015 傳動比 (5-2) 考

13、慮到齒數(shù)大于100的齒輪滾切時，會因找不到合適的掛輪而影響加工，查閱NGW型行星齒輪傳動齒數(shù)表得:Z1=20，Z2=37，Z3=94 傳動比 (5-3) (5-4) (5-4)4.0287*5.7=22.96非常接近原先設(shè)計的減速機構(gòu)傳動比齒輪詳細參數(shù)如下：齒輪 Z1 Z2 Z3齒數(shù) 2037 94模數(shù)m444壓力角()202020分度圓直徑d(mm) 80148376齒頂高ha(mm)444齒根高hf(mm)555齒全高h(mm)999齒頂圓直徑da(mm)88156368齒根圓直徑df(mm)70138366基圓直徑db(mm)75.1754139.0745353.3244齒距p(mm)1

14、2.5664 12.5664 12.5664基圓齒距（法向）pb(mm) 11.8085 11.808511.8085齒厚s(mm)6.28326.28326.2832第六章 主機構(gòu)設(shè)計1.1機構(gòu)運動簡圖及標(biāo)號圖41.2 極位夾角、曲柄1（桿AB）角速度及各桿件長度計算極位夾角 (6-1)=33.65853659刨刀工作行程的刨削平均速度 (6-2)曲柄1角速度1=6.17623 rad/s轉(zhuǎn)速 (6-3)=61.03903試定l6=0.3m,其它各桿件長度可以根據(jù)左右兩極限位置的三角關(guān)系計算，可以很方便精確地使用matlab計算，并且可以在修改桿件l6的值時馬上算得其它各桿件的值，源代碼如下

15、：clear;k=1.46;l6=0.3;h1=320;h=0.5*h1; %刨刀沖程 theta0=(0.5*pi*(k-1)/(k+1);%極位夾角的一半（弧度）l1=sin(theta0)*l6;l3=h/sin(theta0); l4=(l3-(h/tan(theta0)/(2*sin(theta0);l61=l3*cos(theta0)+l4*sin(theta0); %計算各桿長度save jisuanl; %寫入到文件中供后面計算矩陣使用結(jié)果如下：（單位：m）l1l3l4l6l610.0868560.55640.0408750.30.5408第七章 主機構(gòu)運動分析7.1.位置分析

16、如圖3所示，由于這里有四個未知量，為了求解需要建立兩個封閉的矢量方程。由封閉圖形ABCA可寫出一個矢量方程l6+l1=S3 (7-1)分別在x y軸上投影得方程組1l1 = s3 (7-2)l6+ l1= s3 (7-3)由上式得s3 = (7-4) = s3 ) (7-5)由封閉圖形CDEGC可寫出一個矢量方程l3+l4= +sE (7-6)分別在x y軸上投影得方程組2： l3 + l4 = sE (7-7)l3 + l4 = (7-8) 由上式得 = (7-9)sE = l3 + l4 (7-10)7.2.速度分析 將式1和2對時間t求一次導(dǎo)數(shù)，得速度關(guān)系,并寫成矩陣形式， =17.3.

17、加速度分析 將式1和2對時間t求二次導(dǎo)數(shù)，得速度關(guān)系,并寫成矩陣形式， = - +17.4矩陣計算及繪圖matlab程序如下：（為使結(jié)果更加精確，將前面寫入到文件里的數(shù)據(jù)直接加載過來）clear;w1=6.17623;load jisuanl; %載入前面保存的數(shù)據(jù)文件，包含參數(shù)l1 l3 l4 l6 l61等for n=1:3601;theta1(n)=(n-1)*pi/1800;s3(n)=sqrt(l1*cos(theta1(n).2+(l6+l1*sin(theta1(n).2);theta3(n)=acos(l1*cos(theta1(n)/s3(n);theta4(n)=pi-as

18、in(l61-l3*sin(theta3(n)/l4);se(n)=l3*cos(theta3(n)+l4*cos(theta4(n); %位移及角位移表達式A1=cos(theta3(n),-s3(n)*sin(theta3(n),0,0; sin(theta3(n),s3(n)*cos(theta3(n),0,0; 0,-l3*sin(theta3(n),-l4*sin(theta4(n),-1; 0,l3*cos(theta3(n),l4*cos(theta4(n),0;B1=w1*-l1*sin(theta1(n);l1*cos(theta1(n);0;0;D1=A1B1;v23(n)

19、=D1(1);w3(n)=D1(2);w4(n)=D1(3);ve(n)=D1(4);A2=cos(theta3(n),-s3(n)*sin(theta3(n),0,0; sin(theta3(n),s3(n)*cos(theta3(n),0,0; 0,-l3*sin(theta3(n),-l4*sin(theta4(n),-1; 0,l3*cos(theta3(n),l4*cos(theta4(n),0;B2=-w3(n)*sin(theta3(n),(-v23(n)*sin(theta3(n)-s3(n)*w3(n)*cos(theta3(n),0,0; w3(n)*cos(theta3(

20、n),(v23(n)*cos(theta3(n)-s3(n)*w3(n)*sin(theta3(n),0,0; 0,-l3*w3(n)*cos(theta3(n),-l4*w4(n)*cos(theta4(n),0; 0,-l3*w3(n)*sin(theta3(n),-l4*w4(n)*sin(theta4(n),0;C2=w1*-l1*w1*cos(theta1(n);-l1*w1*sin(theta1(n);0;0;B=B2*D1+C2;D2=A2B;a23(n)=D2(1);a3(n)=D2(2);a4(n)=D2(3);ae(n)=D2(4);end;theta11=theta1*1

21、80/pi;y=theta3*180/pi;theta4*180/pi;w=w3;w4;a=a3;a4;figure (1);subplot(2,1,1);ax=plotyy(theta11,y,theta11, se); axis auto;grid on;title('位移線圖');xlabel('ittheta1');set(get(ax(1),'ylabel'),'string','角位移/(circ)');set(get(ax(2),'ylabel'),'string',&

22、#39;位移/m)');text(22,190,'theta_4');text(22,140,'S_E');text(22,90,'theta_3'); %標(biāo)注曲線subplot(2,2,3);ax=plotyy(theta11,w,theta11,ve);grid on;axis auto;title('速度線圖');xlabel('ittheta1');set(get(ax(1),'ylabel'),'string','角速度/(rad/s)');set(

23、get(ax(2),'ylabel'),'string','速度/(m/s)')text(22,3.5,'omega_4');text(22,1.5,'omega_3');text(22,-1,'V_E');subplot(2,2,4);ax=plotyy(theta11,a,theta11,ae); grid on;axis auto;title('加速度線圖');xlabel('ittheta1');set(get(ax(1),'ylabel'),

24、'string','角加速度/(rad/s2)');set(get(ax(2),'ylabel'),'string','加速度/(n/s2)');text(10,25,'alpha_4');text(10,0,'alpha_3');text(10,-45,'alpha_E');F=theta11; theta3./pi*180; theta4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae'G=F(1:100:3601,:) 7.5輸出圖像及數(shù)據(jù)表格

25、機構(gòu)的位置線圖、速度線圖和加速度線圖各構(gòu)件的位置、速度和加速度第八章 主機構(gòu)受力分析 在A1圖紙上面畫出1分別為0 90 270時各個構(gòu)件的受力圖，然后分析各個構(gòu)件的受力并求出各個未知力的大小。先求出各個構(gòu)件的慣性力和慣性力矩并將大小和方向在A1圖紙上面表示出來，對構(gòu)件4運用質(zhì)量代換法，將構(gòu)件4的質(zhì)量集中到DE兩點求其慣性力，同時將桿件的相互作用力用 來表示，最后標(biāo)出每個桿件的自身重力用Gx表示。 (8-1) (8-2)8.1 位置1：1=0引用前面的輸出數(shù)據(jù)：在A1圖紙上畫出牛頭刨床各桿的受力圖，將每個力分解沿XY坐標(biāo)軸方向：F5=-maE (8-3)F5+Fr1=FR45x (8-4)分析

26、桿4，用質(zhì)量代換法處理，DE兩端各為m4，其慣性力矩分別為F41、 m4=l·l4 (8-5)F41=-m4·aE (8-6)=m4··l3 (8-7)=-m4·3·l3 (8-8)(FR45y+0.5G4)·l4·sin(4-90)=(FR45x+F41)·l4·cos(4-90) (8-9)X方向上有：F41+FR54X=FR34X+·cos3+·sin3 (8-10)Y方向上有：FR34Y+·cos3=·sin3+FR54Y+G4 (8-11)返回分

27、析桿5：Y方向上有：G5=FR45Y+FF1+FF2 (8-12)對E點取矩：ME=FF2·(H-SE)-FF1(H+SE)=0 (8-13)繼續(xù)分析桿3：其慣性力、，慣性力矩為M3m3=l·l3 (8-14)=m3··l3 (8-15)=-m3·3·l3 (8-16)M3=J·3=·l· (8-17)MC=··l3+FR23·LCB-FR43X·l3·sin3-FR43Y·l3·cos3-9.8*m3·cos3+M3=0 (

28、8-18)lCB·cos3=l1·cos1 (8-19)X方向上有：FRCX+FR43X=(FR23+)·sin3 (8-20)Y方向上有：FRCY+(FR23+)·cos3=FR43Y+G3 (8-21)繼續(xù)分析滑塊2：X方向上有：FR23·sin3=FR12X (8-22)Y方向上有：FR23·cos3=FR12Y (8-23)最后分析曲柄1：其慣性力為F1m1=l·l1 (8-24)F1=m1··l1 (8-25)X方向上有：F1+FR61X=FR21X (8-26)Y方向上有：FR61Y=9.8*

29、m1+FR21Y (8-27)帶入數(shù)據(jù)逐次解得： （單位 N）F5 FR45X F41 FR54Y FR34X FR34Y FF1 FF2 267.45 442.45 184.58 0.57 2.16 117.60 628.95 205.69 78.93 353.47 FR23 FRCX FRCY FR12X FR12Y F1 FR61X FR61Y7.77 293.33 2415.00 1972.54 652.28 2319.73 671.62 31.66 2288.07 858.89 8.2 位置2：1=90在A1圖紙上畫出牛頭刨床各桿的受力圖，將每個力分解沿XY坐標(biāo)軸方向：F5=-maE

30、 (8-28)F5+Fr=FR45x (8-29)分析桿4，用質(zhì)量代換法處理，DE兩端各為m4，其慣性力矩分別為F41、m4=l·l4 (8-30)F41=-m4·aE (8-31)=m4··l3 (8-32) (FR54y-0.5G4)·l4·cos (4-180)=(FR54x+F41)·l4·sin(4-180) (8-33)X方向上有：F41+FR54X=FR34X (8-34)Y方向上有：FR34Y+G4=FR54Y (8-35)返回分析桿5： Y方向上有：G5+FR45Y=FF1+FF2 (8-36)對

31、E點取矩：ME=FF2·(H-SE)-FF1(H+SE) =0 (8-37)繼續(xù)分析桿3：其慣性力、，慣性力矩為M3m3=l·l3 (8-38)=m3··l3 (8-39)MC=FR23·LCB-FR43X·l3=0 8-40lCB=l6+l1 (8-41)X方向上有：FRCX+FR43X=FR2 (8-42)Y方向上有：FRCY+ FR43Y= +G3 (8-43)繼續(xù)分析滑塊2：X方向上有：FR23=FR12X (8-44)最后分析曲柄1：其慣性力為F1m1=l·l1 (8-45)F1=m1··l1

32、(8-46)X方向上有： FR61X=FR21X (8-47)Y方向上有：FR61Y=G+F1 (8-48)帶入數(shù)據(jù)逐次解得：（單位 N）F5 FR45X F41 FR54Y FR34X FR34Y FF1 FF2 18.04 3518.04 1.45 4.81 1108.67 3514.68 1015.72 1032.00 626.67 FR23 FRCX FRCY FR12X F1 FR61X FR61y65.48 5054.98 1540.3 249.53 5054.98 31.66 5054.98 218.93 8.3 位置3：1=270 在A1圖紙上畫出牛頭刨床各桿的受力圖，將每個力

33、分解沿XY坐標(biāo)軸方向：F5=-maE (8-49)F5+ FR45x = Fr1 (8-50)分析桿4，用質(zhì)量代換法處理，DE兩端各為m4，其慣性力矩分別為F41、m4=l·l4 (8-51)F41=-m4·aE (8-52)=m4··l3 (8-53) (FR54y+0.5G4)·l4·cos (4-180)=(FR54x-F41)·l4·sin(4-180) (8-54)X方向上有：F41+ FR34X = FR54X (8-55)Y方向上有：FR34Y =FR54Y+G4 (8-56)返回分析桿5： Y方向上有：G5 =FF1+FF2+FR45Y (8-57)對E點取矩：ME=FF2·(H-SE)-FF1(H+SE) =0 (8-58)繼續(xù)分析桿3：其慣性力、，慣性力矩為M3m3=l·l3 (8-59)=m3··l3 (8-60)lCB=l6-l1 (8-66)MC=FR23·lCB-FR43X·l3=0 (8-67)X方向上有：FRCX+ FR23= FR43X (8-68)Y方向上有：FRCY = +G3+ FR43Y (8-69)繼續(xù)分析滑塊2：X方向上有：FR23=FR1