牛頭刨床設(shè)計(jì)

1、*學(xué)院機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)課程名稱 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目名稱 牛頭刨床 學(xué)生學(xué)院 * 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化*班 學(xué) 號(hào) * 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(jì)0一、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目及要求11.工作原理12.設(shè)計(jì)要求13.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（第一組數(shù)據(jù)）24.設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量2二、連桿機(jī)構(gòu)對(duì)比3第一個(gè)方案3第二個(gè)方案3第三個(gè)方案4三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸4四、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)及工作臺(tái)的間歇運(yùn)動(dòng)來(lái)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(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速傳動(dòng)裝置（皮帶和齒輪傳動(dòng)）帶動(dòng)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(dòng)和間歇移動(dòng)。刨床工作時(shí)，刨頭6由曲柄2帶動(dòng)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(shí)，即為空回行程，此行程無(wú)工作阻力。在刨刀空回行程時(shí)，凸輪8通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)連同工件在垂直紙面方向上做一次進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以便刨刀繼續(xù)切削。2.設(shè)計(jì)要求電

3、動(dòng)機(jī)軸與曲柄軸2平行，刨刀刀刃E點(diǎn)與鉸鏈點(diǎn)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(dòng)從動(dòng)件9的升、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律均為等加速等減速運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行構(gòu)件的傳動(dòng)效率按0.95計(jì)算，系統(tǒng)有過(guò)載保護(hù)。按小批量生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計(jì)。3.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（第一組數(shù)據(jù)）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量 Js4 (kg ·m2)1.1凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)從動(dòng)件最大擺角max15°從動(dòng)件桿長(zhǎng) lO9D(mm)125許用壓力角 40°推程運(yùn)動(dòng)角 75°遠(yuǎn)休止角 10°回程運(yùn)動(dòng)角 75°4.設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量1. 根據(jù)牛頭刨床的工作原理，擬定23個(gè)其他形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（連桿機(jī)構(gòu)），并對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比。2. 根據(jù)給定的數(shù)據(jù)確定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸。要求用圖解法設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果和步驟寫(xiě)在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中。3. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(huà)出運(yùn)動(dòng)曲線，并打印上述各曲線圖。要求將主程序編制過(guò)程詳細(xì)地寫(xiě)在說(shuō)明書(shū)中。4. 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析。通過(guò)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(jì)。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(xiě)在說(shuō)明書(shū)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(shí)際廓線，打印出從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型。6. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。應(yīng)包括設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程等。二、連桿機(jī)構(gòu)對(duì)比第一個(gè)方案因?yàn)槠渥杂啥菷=3*5-2*7=1，機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。此

6、方案以滑塊機(jī)構(gòu)替代轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加了摩擦，以曲柄機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的刨刀需加一個(gè)較大的力，動(dòng)力性能較差。第二個(gè)方案因?yàn)槠渥杂啥菷=3*5-2*7=1, 機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。其沖擊振動(dòng)較大，零件易磨損，維護(hù)較難，對(duì)設(shè)備要求較高，導(dǎo)致成本增加。第三個(gè)方案因?yàn)槠渥杂啥菷=3*5-2*7=1, 機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。與原方案相比，結(jié)構(gòu)同樣簡(jiǎn)單，但由于此方案中刨頭會(huì)受到曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)向上的力，不利于力的傳動(dòng)。三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)件桿4的極位夾角 曲柄2 導(dǎo)桿4 連桿5 2.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖最終算出各尺寸， 運(yùn)用AutoCAD畫(huà)出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖四、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析1.圖解法1）

7、速度分析紅色實(shí)線表示機(jī)構(gòu)的左右極限位置，黑實(shí)線為一般位置，。速度分析從A點(diǎn)開(kāi)始，取重合點(diǎn)進(jìn)行求解。已知點(diǎn)的速度：其方向垂直于,指向與的轉(zhuǎn)向一致。由運(yùn)動(dòng)合成原理可知，重合點(diǎn)有方向： 大?。?? ?取極點(diǎn)p，按比例尺作速度圖（與機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)的速度以及構(gòu)件4與構(gòu)件3上重合點(diǎn)A的相對(duì)速度。因?yàn)閷?dǎo)桿4角速度所以 對(duì)構(gòu)件5上B、C點(diǎn)，列同一構(gòu)件兩點(diǎn)間的速度矢量方程：方向： 大?。?? ?（滑塊6的速度）滑塊6位移 2）加速度分析由運(yùn)動(dòng)已知的曲柄上A()點(diǎn)開(kāi)始，列兩構(gòu)件重合點(diǎn)間加速度矢量方程，求構(gòu)件4上A點(diǎn)的加速度。因?yàn)樗源笮。?? ?方向：

8、A A /取極點(diǎn)，按比例尺作加速度圖（與機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)和質(zhì)心點(diǎn)的加速度和，用構(gòu)件4上A點(diǎn)的切向加速度求構(gòu)件4的角加速度。因?yàn)樗詷?gòu)件4的角加速度大?。?？ ？方向：/水平軸 CB 刨頭6的加速度 2.解析法通過(guò)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(dòng)態(tài)靜力分析1.圖解法首先依據(jù)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，計(jì)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(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)點(diǎn)列力矩平衡方程（反力的大小和方向?yàn)橐阎蟪龇戳Γ涸賹?duì)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(duì)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(guò)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(shí)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(guò)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(jì)1)確定凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸選推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律表達(dá)式為：等加速段： ()等減速段： ()由以上兩個(gè)表達(dá)式求得： () ()最大擺角時(shí)有： 如所示為擺桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)同向轉(zhuǎn)動(dòng)的尖底擺桿盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)推程尖底與凸輪輪廓上任一點(diǎn)接觸時(shí)，擺桿擺角為為擺桿的初始擺角，P點(diǎn)為擺桿和凸輪的相對(duì)瞬心，此時(shí)機(jī)構(gòu)的壓力角和傳動(dòng)角如圖所示。由于擺桿和凸輪在瞬心點(diǎn)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(guò)點(diǎn)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(kāi)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(diǎn)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(shí)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?yàn)楸ＷC擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律和擺桿長(zhǎng)

12、度不變的a和的解域。在推程的各個(gè)位置都有這樣的解域，這些解域的交集便是推程時(shí)a和的解域?；爻虝r(shí)， <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(shí)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(gè)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(gè)以A為圓心的以L=為半徑的圓弧線上取點(diǎn)如圖中，推程時(shí)沿著此位置時(shí)的擺桿直線內(nèi)側(cè)量取線段，得，過(guò)作直線使之與直線傾斜角；同理，回程時(shí)也可沿著擺桿直線外側(cè)量取回程時(shí)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(gè)位置時(shí)的邊界線圍成，顯然，選取的點(diǎn)數(shù)多，a和的解域就精確。這要，凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度a=145mm, 54mm。選取凸輪機(jī)構(gòu)為滾子從動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)中心的圓。自A點(diǎn)開(kāi)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(diǎn)，再以為圓

14、心，以AB=L為半徑作弧與基圓交于點(diǎn)，得線段。自線段開(kāi)始，分別作，使它們分別等于圖中對(duì)應(yīng)的角位移，得線段。將點(diǎn)連成光滑曲線，它就是所求理論輪廓線。實(shí)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(jì)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常有意義的，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們從中得到很多收益。雖然時(shí)間不到十天略顯得有點(diǎn)倉(cāng)促一些，但每天都過(guò)得很充實(shí)的課程設(shè)計(jì)。由于我們的理論知識(shí)不夠扎實(shí)，再加上平時(shí)沒(méi)有什么設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一開(kāi)始的時(shí)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(guò)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(guò)這次課程設(shè)計(jì)，對(duì)牛頭刨床的工作原理及其內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)選型、運(yùn)動(dòng)方案的確定以及對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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)