机械原理课程设计牛头刨床资料

机械原理课程设计(论文) 题 目: 牛头刨床 学生姓名 专 业 学 号 班 级 指导教师 成 绩工程技术学院 年 7月 机械原理课程设计任务书学生姓名 专业年级2011级机械类设计题目： 牛头刨床图1设计要求及设计参数要求主执行机构工作行程切削平稳、压力角较小。进给机构压力角不超过许用值。设计参数如表1所示。表1 牛头刨床设计参数题号12345678910主执行机构曲柄转速n148495052504847556056机架LAC380350430360370400390410380370刨刀行程H310300400330380350390310310320行程速比系数K1.461.401.401.441.531.341.501.371.461.48连杆与导杆之比LDE/LCD0.250.280.300.270.300.280.270.250.280.26工作阻力F(N)4500460047004000410052004200400060005000导杆质量m3(kg)20202220222426282622导杆转动惯量JS3(kgm2)1.11.11.21.21.21.31.21.11.21.2滑块质量m5(kg)70708080809080708060进给机构从动件最大摆角y15151515151515151515凸轮从动件杆长(mm)125135130122123124126128130132推程许用压力角a推程40404040404040404040回程许用压力角a回程50505050505050505050滚子半径rr(mm)15151515151515151515刀具半径rc(mm)0.080.080.080.080.080.080.080.080.080.08刨刀阻力曲线如图2所示。刨刀在切入、退出工件时均有0.05H的空载行程。0.05H0.05HHSFmaxF图2刨刀阻力曲线设计任务1）完成各执行机构的选型与主执行机构设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确定各级传动比，画出主执行机构的机构运动简图。2）按工艺要求进行执行系统协调设计，画出执行机构的工作循环图；3）对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，并根据计算机计算结果画出刨刀位移线图，速度线图和加速度线图；4）用图解法对主执行机构的一个位置进行动态静力分析；5）用图解法绘制控制工作台横向进给的凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线；6）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与该机现有传统设计不同的创新设计方案。(选做)提交材料1）设计计算说明书一份（含解析法计算结果与相应线图）；2）1号图一张（主执行机构运动简图及运动分析和动态静力分析）； 3）3号图一张（凸轮机构的位移曲线及凸轮轮廓曲线）；指导教师签名： 2013年6月28日说明：1.此表由指导教师完成，用计算机打印（A4纸）。 2.请将机械设计课程设计任务书装订在机械设计课程设计(论文)的第一页。 目录1. 引言 52. 机构的选型 62.1 主执行机构的选型 62.2 辅助执行机构的选型63. 原动机的选用104. 拟定传动系统方案11传动系统的选择与设计 125. 绘制系统工作循环图136. 机构尺度参数确定137. 主执行机构的运动分析 148. 主执行机构的动态静力分析22主执行机构的动态静力分析图解法 239. 凸轮的设计 26参考文献27致谢28 1. 引言1.1课程设计目的机械原理课程设计是高等工业学校机械类学生第一次全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要教学环节。其目的在于进一步加深学生所学的理论知识，培养学生的独立解决有关课程实际问题的能力，使学生对于机械运动学和动力学的分析和设计有一个比较完整的概念，具备计算，和使用科技资料的能力。在次基础上，初步掌握电算程序的编制，并能使用电子计算机来解决工程技术问题。进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析、计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能。1.2课程设计的任务：机械原理课程设计的任务是对机器的主题机构进行运动分析。动态静力分析，并根据给定的机器的工作要求，在次基础上设计；或对各个机构进行运动设计。要求根据设计任务，绘制必要的图纸，编制计算程序和编写说明书等。 1.3 设计的要求1. 以机械系统运动方案设计与拟定为结合点,把机械原理课程中分散与各章的理论与方法融会贯通起来,进一步巩固和加深学生所学的理论知识. 2. 使学生能受到拟定机械运动方案的训练,具有初步的机构选型与组合和确定运动方案的能力. 3. 进一步提高学生运算,绘图和查找技术资料的能力. 4. 通过编写说明书,培养学生表达,归纳和独立思考与分析的能力。2.机构的选型 机构选型的任务是选择主执行机构、辅助主执行机构（进刀机构、调节机构、送料机构等）的类型。2.1 机构的运动 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作切削。此时要求速度较低且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产效率。为此刨床采用急回作用得导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮机构带动螺旋机构，使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力，而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需装飞轮来减小株洲的速度波动，以减少切削质量和电动机容量。2.2主执行机构的选型 牛头刨床的刨刀机构为主执行机构，是实现往复移动输出的机构 2.2.1按预期运动转换形式列出所有备选机构 在课程设计的题目中，主执行机构是实现往复移动输出的机构，当原动机为电动机时，主执行机构是“将转动形式转换为往复移动形式”机构。符合条件的机构有连杆机构、凸轮机构和组合机构。 2.2.2按机构的优缺点和应用场合筛选备选机构 能将转动转换为往复移动的六杆级机构如下：方案1方案2方案3方案4方案5方案6 连杆机构优缺点：面接触，压力较小。承载能力达，润滑好，磨损小，加工制造容易，工作可靠。缺点：须中间机构进行运动传递，路线较长，误差大，机械效率很低 凸轮机构优缺点：只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线就能实现预期的运动规律，响应快，机构简单紧凑。缺点：接触为点，线接触，易磨损，凸轮的制造较困难 组合机构优缺点：可以同时满足凸轮机构的优点，并且可以在一定程度上改进其缺点。 2.2.3按工作特点筛选备选机构 工作特点对机构的要求：（1） 工作行程大：要求机构是行程扩大机构；（2） 工作阻力较大：要求机构在具有较大的力增益的区间工作；（3） 正向运动的大部分时间有工作阻力：要求机构具有急回特性；（4） 正向运动的极短时间有工作阻力：要求机构在具有较大的力增益的区间工作。 2.2.4按预期运动规律筛选备选机构 牛头刨床要求切削时刨刀近似等速，可以控制住行程速比系数就能满足这一要求。 2.2.5确定最终方案方案一 方案二 方案三方案分析：方案一 1.机构具有确定运动，自由度为 F=3n-（2Pl+Ph）=35-(27+0)=1，曲柄为机构原动件； 2.通过曲柄带动摆动导杆机构和滑块机构使刨刀往复移动，实现切削功能 ，能满足功 能要求； 3.工作性能，工作行程中，刨刀速度较慢 ，变化平缓符合切削要求 ，摆动导杆机构使 其具有急回作用，可满足任意行程速比系数 K 的要求； 4. 传递性能，机构传动角恒为 90传动性能好，能承受较大的载荷 ，机构运动链较长， 传动间隙较大； 5. 动力性能，传动平稳，冲击震动较小； 6. 结构和理性，结构简单合理，尺寸和质量也较小，制造和维修也较容易； 7. 经济性，无特殊工艺和设备要求，成本较低。 方案确定： 综上所述，所以选择方案一。2.3辅助执行机构的选型 辅助执行机构是指控制工作运动的机构和调节机构。 2.3.1控制工作运动的辅助执行机构的选型 （1）与主执行机构有相同的工作周期。这就要求辅助执行机构与主执行机构的运动严格协调，这也意味着辅助执行机构与主执行机构尽量用同一原动件。（2）辅助执行机构是“将连续转动转换成间歇运动”机构。 2.3.2各种执行机构的优缺点比较 棘轮机构：机构简单，制造方便，运动可靠，每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节。缺点：有较大的冲击和噪声，运动精度较差。常用于速度较低和载荷不大的场合。槽轮机构：结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能平稳地进行间歇传动转位。缺点：不易加工，精度很低，存在柔性冲击，有卡死的现象。a)间歇滚轮传动 b）棘轮机构 c）推勾式送料机构牛头刨床的速度不高，要求角度可以调节，故选择棘轮机构。 2.3.2调节机构的选型 （1） 行程调节：行程调节机构是完成“执行构件行程能在一定范围内人工无级调整”这一功能的机构。 （2）位置调节：用螺旋机构即可调节两个构件的相对位置。综上所述牛头刨床的整体设计是：3. 原动机的选用 下表给出了各种原动机的类型。课程设计中，我们选用的原动机是交流异步电动机。往复摆动电动机气缸原动件运动形式连续回转往复直线液压马达气动马达内燃机液压马达气动马达直线电机油缸柴油机燃气轮机汽油机直流电动机交流变频变速电动机伺服电动机步进电动机力矩电动机交流异步电动机 3.1选择原动机时因考虑的因素1.必须考虑现场能源供应情况。在有电源的情况下尽可能选择电力驱动，因电力驱动成本低，操作控制方便，机械活动范围广2.离开电源或无电源时可考虑选择柴油机作为原动机。3. 选择考虑原动机的机械特性和工作制度与工作机相匹配。例如，纺织机械上用的电动机应选用连续工作制，而起重机械上用的电动机应根据起重机工作的频繁程度选取相应的工作制度。4.必须考虑工作机对原动机提出的起动、过载、运行平稳性、调速和控制等方面的要求。5.考虑工作环境的因素。如防爆、防尘、防腐蚀等。6.必须考虑工作的可靠，操作简单，维修方便。7.未来提高机械系统的经济效益，必须考虑经济成本，包括初始成本和运转维护成本。综合上述因素的考虑，对于牛头刨床的原动机应选用交流异步电动机。其结构特征能防止水滴、灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机的内部。并且其运行可靠、寿命长、使用维护方便、性能优良、体积小、重量轻、转动惯量小、用料省等优点。适用于不含易燃，易爆或腐蚀性气体的场所和无特殊要求的机械上，如金属切削机床，牛头刨床。3.1.1电动机的传动过程 V带传动（效率1=0.92）-开式传动齿轮（效率2=0.93）-圆柱直齿（效率 3=0.97） 表示最终总效率，=123=0.920.930.97=0.83 功率为：P=FS/t=F(H-20.05H)（n/60）=42000.938050/60=1197W 则电动机所需的功率为：P=1197/0.83=1442W 根据电动机的选型则选择Y2-90L-4.其满载转速1400r/min.4. 拟定传动系统分析传动系统的作用通常是实现减速，增速和变速，有时也运用了实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动机的输入功率和转矩传递给执行机构。 系统运动简图 4.1传动系统的选择与设计 传动系统的作用通常是实现减速、增加和变速，有时也用作实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动机的输出功率和转矩传递给执行机构。通常要把原动机的输出运动传给执行机构，劲炫用一种传动装置或机构的情况较少见，大多数情况是选择若干种类那个传动装置或机构合理地加以组合布置，构成一个传动系统，才能实现预期的工要求。在进行传动装置和机构的选择与设计时应注意以下问题：（1） 社原动件的转速为，执行机构原动件的设计转速为，则传动装置系统总传动比如果颤动装置系统以由n个传动装置或机构串联组成，其每个传中装置或机构的传动比分别为，则 （2） 当系统为减速传动时，宜使，并使相邻良机传动比相差不要太大。这样可使中间各级轴有相对较高的转速和较小的扭矩，转轴及轴上的零件可以设计的尺寸较小，从而获得较为紧凑的结构。（3） 因为传动轴及轴上的传动零件的尺寸，主要缺绝育所传递的扭矩。当系统传递的功率一定是，轴的转速愈高，其扭矩愈小，传动轴与传动零件的尺寸可以设计的愈小，故意将传动能力小的机构安排在高速级。如带传动和摩擦传动宜布置在高速级；需要密封的齿轮传动宜布置在高速级，这样因齿轮尺寸小，可见小密封箱体的外廓尺寸；生产成本高、加工困难的零件宜布置在高速级，如锥齿轮传动宜布置在高速级。（4） 为了使机器转平稳，见啥震动运冲击和噪音，宜将带传动布置在高速级，从而可利用传动带的弹性吸振、打滑，防止过载时损坏其它零件。链传动冲击、振动大，宜布置于中、低速级。 （5）蜗杆传动宜布置在高速机，以便提高齿面的相对滑动速度，有利于液体动力润滑膜的形成，从而提高蜗杆传动的效率。 （6）为了减少能耗、减轻振动，宜将转换运动形式的机构，如凸轮机构、连杆机构、螺纹机构等布置在与执行机构相连的低速级一端。 （7）选择尽可能短的传动链结构。因为这样作可减少机械的构件、零件的数目，减低制造成本，提高机械效率和系统的传动精度和可靠性，同时也关系到设备的使用、保养和维修的简便程度。4.2传动比的确定 原动机的转速n1=1400rad/min，执行机构的设计转速为n2=50rad/min 则传动系统的总传动比i=n1/n2=1400/50=28. 传动系统由三个传动装置串联起来i=223.1 设V带传动的传动比为 2。 一级齿轮传动的传动比为2。 二级齿轮传动的传动比为3.1。5. 绘制系统工作循环图 设计机械时，用以表示机械在一个工作循环过程中，个执行构件之间运动配合关系的图形叫做系统工作循环图。绘制系统工作循环图的过程就是系统协调设计过程。下图所示为直线式工作循环图和牛头刨床圆环式运动循环图。退回停 止工进进给刨刀送料器曲柄转角0 90 180 270 360 直线式工作循环图130142.3 牛头刨床圆环式运动循环图6.机构尺度参数确定 原始数据： 曲柄转速n1 50 r/min 机架LAC 370 刨刀行程H 380 行程速比系数K 1.53 连杆与导杆之比LDE/LCD 0.30 由以上已知数可求出未知数：, 得：AB=120 CD= 588 DE=176 =37.7 1、初始位置3=90-arc tan=72.1 2、BC长由勾股定理知：=388.833、CD杆长l3刨刀行程为H，又为使RRP杆组的压力角较小，滑块5的导路与D在两极位位置处的连线的距离应等于导路线与D所在弧线水平线的距离，以此可确定CD杆长l3。 l3=5884、构件4的转角4、E点的线位移 由上结构运动简图建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。所以为此我们可利用封闭图形CDEGC，由此可得：写成投影方程为:由以上两方程可解的：=357mm4= -0.975、构件1的转角曲柄转速=50r/min=2/60=5.23rad/s 牛头刨床在初始位置参数X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)（mm）（）（）（mm）（mm）38972.1-0.97208120X(6)X(7)X(8)X(9)X(10)（mm）（mm）（mm）L6（mm）（mm）5881763705565.237.主执行机构的运动分析 7.1解析法进行运动分析 如右图，建立直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。利用两个封闭图形 ABCA 及 CDEGC。投影方程式为：s3cos3= l1coss3cos3= l6 +l1cos3l3cos3 + l4cos4SE = 0l3sin3 + l4 sin 4 = l6 解上面方程组，即可求得、及四个位置参数，其中。将上列各式对时间取一次、二次导数，并写成矩阵形式，即可得以下速度和加速度方程式速度方程式：机构从动件的位置参数矩阵：机构从动件的的速度列阵：机构原动件的位置参数矩阵：机构原动件的角速度加速度方程机构从动件的位置参数矩阵求：机构从动件的的加速度列阵： 机构原动件的位置参数矩阵求导： 7.2矩阵法求速度主程序（matlab）：%牛头刨床运动分析主程序%x(1)代表;%x(2) 代表构件3的转角；%x(3）代表构件4的转角；%x(4)代表E点的线位移;%x(5)代表；%x(6)代表;%x(7)代表;%x(8)代表;%x(9）代表;%x(10)代表构件1的转角。x= 0.389 72.1*pi/180 -0.92*pi/180 0.208 0.12 0.588.176 0.370 0.556 0;%赋初值 dr=pi/180;%度转化为弧度 dth=10*dr;w1=5.23;%每10度计算一个点for i=1:37 y=ntpc(x); %调用从动件位置方程求解函数ntpc(自编) s3=y(1);theta3=y(2);theta4=y(3);se=y(4); %得到位置参数。 %将各位置参数用向量储存，便于后面绘图，角度用度表示ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y(3)/dr;sse(i)=y(4);%进行速度分析 A=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0;%A机构从动件的位置参数矩阵 B=-x(5)*sin(x(10);x(5)*cos(x(10);0;0;%B机构原动件的位置参数列阵 yy=w1*inv(A)*B;%公式1-3求解，yy表示机构从动件速度列阵，inv(A)是A的逆阵 vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4); %将各速度参数以向量的方式表示，以便后面绘图 dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy(3);dvse(i)=yy(4);%dA为从动件位置参数矩阵对时间一次求导%进行角速度分析 dA=-w3*sin(theta3) -vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3) 0 0; w3*cos(theta3) vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3) 0 0; 0 -x(6)*w3*cos(theta3) -x(7)*w4*cos(theta4) 0; 0 -x(6)*w3*sin(theta3) -x(7)*w4*sin(theta4) 0; %dB就是原动件位置参数列阵对时间一次求导 dB=-x(5)*w1*cos(x(10);-x(5)*w1*sin(x(10);0;0; KK=-dA*yy+w1*dB; %KK为公式1-4右端 ya=inv(A)*KK;%公式1-4求解，ya为从动件加速度列阵 %将各加速度以向量表示as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya(2);atheta4(i)=ya(3);ase(i)=ya(4); x(10)=x(10)+dth; %计算下一个点 x(1)=s3; x(2)=theta3; x(3)=theta4; x(4)=se;end%绘制运动参数曲线subplot(2,2,1); % 选择第1个子窗口plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%绘制位置线图subplot(2,2,2); plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%绘制速度线图subplot(2,2,3); plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase); %绘制加速度线图%这个函数是关于牛头刨床位置方程求解，可得：s3,theta3,theta4,sE四个运动变量。子程序：function y=ntpc(x)%x(1)代表;%x(2) 代表构件3的转角；%x(3）代表构件4的转角；%x(4)代表E点的线位移;%x(5)代表；%x(6)代表;%x(7)代表;%x(8)代表;%x(9）代表;%x(10)代表构件1的转角。%先赋初值；这些初值来自于主程序。s3=x(1);theta3=x(2);theta4=x(3);se=x(4);epsilon=1e-6;%设置求解精度为10-6%用矩阵的形式表示位置方程组（4x1的矩阵）f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);%用牛顿-辛普森法求解while norm(f)epsilon %J位置方程组的雅可比矩阵，即从动件位置参数矩阵 J=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0; dth=inv(J)*(-1.0*f); s3=s3+dth(1); theta3=theta3+dth(2); theta4=theta4+dth(3); se=se+dth(4);f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);norm(f);%若未达精度，会继续迭代。end%输出4个参数y(1)=s3;y(2)=theta3;y(3)=theta4;y(4)=se; 7.3图解法速度分析 下面用图解法计算当曲柄在240时各个构件的速度及加速度,选速度比例尺速度分析：杆件1与滑块2组成转动副，由此可得：=1AB= 方向： EF CD ED CD AB CD大小： ？ ？ ？ ？作出矢量图如A1纸上。得： B3= 0.46m/s VD =0.985m/s VE=0.935m/s VB2B3=0.43m/s VEB=0.225m/s 加速度分析： 方向： BC BC BA CD CD大小： ？ ？ 方向： EF ED ED大小： ？ ？ 方向： EF ED ED大小： ？ ？ 得：aB2 =3.28m/s aB3=3.77 m/s a D =8.07m/s a E=8.3 m/s 8.主执行机构的动态静力分析 主执行机构的动态静力分析图解法 取“1”点为研究对象，分离 5、4 构件进行运动静力分析，作阻力体如图所示。 F FN F34 D E F3 G5 已知 G5=800N，又 a5=ae5=8.1 m/s ,那么我们可以计算F5=m5a5=664F= F + G5 + F5 + F34 + FN =0，方向：x轴 y轴 与a5反向 BC y轴 大小：4100 800 624 ? ? 作多力边行如A0图 由图 1-7 力多边形可得：F34=3460NFN=1160 N 作力多边行如图 1-7 所示（大图）(2)分离 3,4 构件进行运动静力分析，杆组力体图如图 1-8 所示， F43 D F23 B F3 G3 C 对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式： F43 + F23 + F3 + G3+ Fc=0 方向: DE CD a3 y轴 ? 大小： F34 ？ M3a3 220 ?M c=0得：F23 =7065 N F3 =89N FC=3738N分离 1,2 构件进行运动静力分析，杆组力体图如图 F12 F32得：F12=3738N 9.凸轮的设计 推程运动角F=130，摆杆长度l