牛头刨床机构设计

西安科技大学高新学院课程设计报告学院机电信息学院课程机械原理课程设计专业机械设计制造及其自动化班级机单1101班姓名刘亚娟学号1102060708指导教师程安宁日期2013年7月19日任务书姓名刘亚娟学号1102060708专业班级机单1101班题目：牛头刨床的设计完成时间：2013年7月19日具体内容及进度要求：具体内容：1）根据牛头刨床的工作原理，拟定2～3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。进度要求：7月8日查阅资料、熟悉题目7月9,10日方案分析、比较7月11,12日平面机构尺度综合、运动分析7月15，16日平面动态静力分析7月17,18日绘制方案图、整理设计说明书7月19日答辩指导教师程安宁2013年7月19日成绩教师牛头刨床机构设计牛头刨床是平面切削加工机床，如图1。电动机经皮带和齿轮驱动曲柄2和固结在其上的凸轮8带动刨头6和刨刀7作往复运动。切削，要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量，刨头左行时为空回行程，要求有急回作用以图1牛头刨床结构及阻力线图提高生产率。回程时，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作进给，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程H中，受到很大的切削阻力，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；而空回行程中则没有切削阻力。如图2，因此刨头图2牛头刨床工作阻力线图在整个运动循环中，受力变化是程时很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。一．牛头刨床执行机构牛头刨床的执行机构由导杆机构和凸轮机构组成，完成刨刀的往图3牛头刨床执行机构复运动和间歇移动。如图3刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀切削。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，其运动循环如图4。图4运动循环图二．执行机构方案选择牛头刨床主机构的形态学矩阵功能元局部解标记目标1234567A急回加工摆动导杆机构+摇杆滑块机构凸轮机构+摇杆滑块机构偏置曲柄滑块机构导杆机构+对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构+摇杆滑块机构双曲柄机构+曲柄滑块机构摆动导杆机构+齿轮齿条机构B工作台间歇移动曲柄摇杆机构+棘齿条机构曲柄摇杆机构+棘轮机构+齿轮齿条不完全齿轮机构+齿轮齿条槽轮机构+齿轮齿条凸轮间歇运动+齿轮齿条方案一：有两个四杆机构组成。使b＞a，构件1,2,3,6，便构成摆杆导杆机构，基本参数b/a=λ。构件3,4,5,6，构成摇杆滑块机构。该方案结构简单，加工方便，能承受较大载荷，且具有急回特性，其形成速比系数k=（180+θ）/（180-θ），其中θ=2arcsin（1/λ）。只要正确选择合适的摇杆CD长度，即可满足行程H的要求。导杆机构有较大的转动角，传动性能良好；机构横向与纵向运动尺寸都不太大，比较合理。工作行程中，刨刀的速度比较慢，而且变化平缓，符合要求。方案二：由凸轮机构和摇杆滑块机构组成。虽然该方案中凸轮机构可使从动件获得任意的运动规律，但是凸轮制造复杂、表面硬度要求高，因此加工和热处理费用较大。方案采用了高副接触，只能承受较小载荷，且表面磨损较快，磨损后凸轮的廓线形状即发生变化。由于滑块具有急回运动性质，凸轮机构受到的冲击较大。滑块的行程H比较大，调节比较困难，必然使凸轮机构的压力角过大；而为了减小压力角，必须增大基圆半径，导致凸轮和整个机构十分庞大。为保持凸轮和从动件始终接触，需用力封闭或几何封闭，结构复杂。方案三：为表中A3方案，为偏置曲柄滑块机构，机构的基本尺寸a，b，e。该方案结构较第一种方案简单，也具有急回特性，由于θ=arcos[e/（a+b）]-arccos[e/（b-a）]，增大a和e或者减小b均使增大K。但是，增大e或减小b会使滑块速度变化剧烈，最大速度、加速度和动载荷增加，且会使最小传动角γmin减小，传动性能变差。方案四:为表中A6方案，有两个四杆机构组成。构件1、2、3、4组成双曲柄机构，构件3、4、5、6构成曲柄滑块机构。该方案具有急回作用，由于β1=arctan(c/d)，而2β1=180-θ,因此K=(180-β1)/β1，可见增大c或者减小d都能使K减小，而a与b的尺寸与K无关。机构的横向与纵向尺寸均较大，且A与D传动轴均应悬臂安装，否则机构运动时，轴与曲柄将发生干涉。作往复运动的滑块6以及做平面复杂运动的连杆EF和BC动平衡困难。比较上述刨刀急回加工方案可知，实现给定的刨刀运动要求以采用方案一为宜。工作台间歇移动距离调整采用B1方案，即可调曲柄尺寸的曲柄摇杆机构+棘齿条机构，最后可得到系统解为A1+B1。如图5图5最终选择方案三．尺寸选择牛头刨床的原始数据:刨削平均速度mV（mm/s）=580；行程速度变化系数K=1.5；刨刀冲程H（mm）=400；切削阻力rF（N）=4000；空行程摩擦阻力（N）=200；刨刀越程量S（mm）=20；刨头重量（N）=620；杆件比重（N/m）=300；机器运转速度许用不均匀系数=0.05；机构的尺寸θ2BOL2AOLBCL21OOLH36647mm120mm162mm389mm400mm错误!未找到引用源。=3611180KKsradn/46.530121601(1)mvnHK=52.2r/min四．主机构尺度综合及运动分析机构位置划分简图等分为12等分，取上述方案的第2位置和第7位置进行运动分析1）、曲柄位置“2”做速度、加速度分析（列矢量方程、画速度图、加速度图）“2”位置速度分析“2”位置加速度分析取曲柄位置“4”进行速度分析。取构件3和4的重合点A进行速度分析。有ω1=5.62rad/s其转向为逆时针方向。a）速度分析用速度影像法对A点：4AV=3AV+34AAV（4-1）方向：4BOAO2//BO4大小：？√？式中：4AV=l4pa4=AOAlV444AV=0.6048m/s4=0.887rad/s34AAV=l43aalV4B=4BOl434AAV=0.3902m/sV4B=0.5676m/s对于C点：CV=BV+CBV（4-2）方向：//'XXBO4BC大小：？√？式中：CV=lpclCBV=lbclCV=0.4789m/s5=bclCBluVCBV=0.1064m/s5=0.788rad/sb)加速度分析用加速度影像法对于A点：4Aa=nAa4+tAa4=3Aa+kAAa34+34rAAa（4-3）方向：A→4OBO4A→2OBO4//BO4大小：√？√√?式中：3Aa=22AOl2KAAa34=2434AAV3Aa=4.064m/s2nAa4=24AOl4tAa4=a''anlKAAa34=0.830m/s2rAAa34=a''aklnAa4=0.346m/s2Ba=4AaAOBOll44nCBa=25BCltAa4=2.190m/s2Ba=3.224m/s2nCBa=0.084m/s2rAAa34=3.065m/s2对于C点:Ca=Ba+nCBa+tCBa（4-4）方向：//'XXB→4OC→BBC大小：？√√？式中：Ca=a''cpltCBa=a'''cnlCa=3.139m/s2（2）对位置7进行速度和加速度分析“7”位置速度分析“7”位置加速度分析（a）速度分析用速度影像法对A点：4AV=3AV+34AAV（4—5）方向：4BOAO2//BO4大小：？√？式中：4AV=l4pa4=AOAlV444AV=0.6048m/s4=0.311rad/s34AAV=l43aalV5B=V4B=4BOl434AAV=0.064m/sBV5=0.199m/s对于C点：CV=BV+CBV（4-6）方向：//'XXBO4BC大小：？√？式中：CV=lpclCBV=lbclCV=0.181m/sCBV=0.064m/s5=bclCBluV5=0.311rad/s(b)加速度分析用加速度影像法对于A点：4Aa=nAa4+tAa4=3Aa+kAAa34+34rAAa（4-7）方向：A→4OBO4A→2OBO4//BO4大小：√？√√?式中：3Aa=22AOl2KAAa34=2434AAV3Aa=4.064m/s2nAa4=24AOl4tAa4=a''anlrAAa34=a''aklKAAa34=0.368m/s2nAa4=0.038m/s2tAa4=4.109m/s24Aa=24BOl4Ba=4AaAOBOll44nCBa=25BCl4Aa=4.064m/s2nCBa=0.064m/s2对于C点：Ca=Ba+nCBa+tCBa（4-8）方向：//'XXB→4OC→BBC大小：？√√？式中：Ca=a''cpltCBa=a'''cnlCa=6.311m/s2五.主机机构的动力分析取上述方案一的第2位置和第7位置进行受力分析“2”位置的力的多边形“7”位置的力的多边形1)对“2”位置进行受力分析取“2”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析：已知：G6=520NFI6=-G6/g×ac（1-1）∑Fx=FI4+Fr-FR45=0（1-2）由此可得：FR45=4891.6N由分离3,4构件进行运动静力分析：已知：FR54=FR45由此可得：FI4=-G4/g×a4（1-3）MS4=-JS4·αS4=-0.9984×3.35=21.74N.m（1-4）0423435424144hFMhFhFhGMRIRIO（1-5）其中1h，2h，3h，4h分别为4G,4IF,54RF,23RF作用于4O的距离（其大小可以测得），可以求得：23RF=6983.4N由力的多边形可知：Fox=2169.7N,Foy=1286.06N对曲柄2进行运动静力分析,32RF作用于2O的距离为h，其大小为0.15m由此可得曲柄上的平衡力矩为：M=32RF×h=401.55N.m（1-7）方向为逆时针2)对位置“7”进行受力分析取“7点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析：已知：G6=520NFI6=-G6/g×ac（1-8）由此可得：FR45=256.93N由分离3,4构件进行运动静力分析：已知：FR54=FR45由此可得：FI4=-G4/g×a4（1-9）MS4=-JS4·αS4=4.456N.m（1-10）方向与α4运动方向相反（逆时针）0423435424144hFMhFhFhGMRIRIO（1-11）其中1h，2h，3h，4h分别为4G,4IF,54RF,23RF作用于4O的距离（其大小可以测得），可以求得：23RF=281N由力的多边形可知：Fox=444.765N,Foy=169.508N对曲柄2进行运动静力分析，32RF作用于2O的距离为h，其大小为0.08m由此可得曲柄上的平衡力矩为：M=32RF×h=7.03N.m方向为逆时针六．求刨头的位移，速度和加速度曲线位移与时间，速度与时间，加速度与时间曲线a,位移图线位移图线0123456789