机械毕业设计35湖南工业大学牛头刨床设计

机械原理 课程设计说明书 设计题目：牛头刨床 学 院、系： 机械工程学院 专 业： 教改实验 053 学 生 姓 名： 彭光卫 班 级： 教改 053 学 号 0540560125 指导教师姓名： 刘扬 职称 教授 职称 最终评定成绩 机械原理课程设计 机械工程学院 2 设计日期： 2007 年 07 月 09 日 目 录 1. 设计题目 . 3 2. 牛头刨床机构简介 . 3 3.机构简介与设计数据 . .4 4. 设计内容 . . .5 5. 体会心得 .15 6. 参考资料 . .16 附图 1： 导杆机构的运动分析与动态静力分析 附图 2： 摆动从计动件凸轮机构的设计 附图 3：牛头刨床飞轮转动惯量的确定 机械原理课程设计 机械工程学院 3 1 设计题目：牛头刨床 1. ）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急会运动，行程速比系数在 1.4 左右。 2. ）为了提高刨刀的使 用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。 3. ）曲柄转速在 60r/min,刨刀的行程 H 在 300mm 左右为好，切削阻力约为 7000N，其变化规律如图所示。 2、牛头刨床机构简介 牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图 4-1。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，称工作行程，此时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，刨刀不切削 ，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。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 与棘轮带动螺旋机构（图中未画），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（在切削的前后各有一段约 5H 的空刀距离，见图 4-1， b），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。 机械原理课程设计 机械工程学院 4 3、机 构简介与设计数据 3.1.机构简介 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。 3.2 设计数据 设计数据设计数据 导杆机构的运动分析 导杆机构的动静态分析 n2 lo2o4 lo2A lo4B lBC lo4s4 xs6 ys6 G4 G6 P yp Js4 r/min mm N mm kgm2 72 430 110 810 0.36 lo4B 0.5 lo4B 180 40 220 620 8000 100 1.2 飞轮转动惯量的确定 凸轮机构的设计 无 齿 轮 任 务 no z1 zo” z1” Jo2 Jo1 Jo” Jo max lo9D s r/min kgm2 mm 0.16 1440 15 19 50 0.5 0.3 0.2 0.2 15 130 42 75 10 65 机械原理课程设计 机械工程学院 5 4、设计内容 4.1. 导杆机构的运动分析（见图 例 1） 已知 曲柄每分钟转数 n2，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路 x-x 位于导杆端点 B 所作的圆弧高的平分线上。 要求 做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动静力分析一起画在 1 号图纸上。 曲柄位置图的作法为取 1 和 8为工作形成起点和终点对应的曲柄位置， 1和 7为切削起点和终点所对应的位置，其余 2， 3 12 等，是由位置 1 起顺 2方向将曲柄圆周作 12 等分的位置。 步骤 ： 1）设计导杆机构。 按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块 6 的导路 x-x 的位置可 根据连杆 5 传力给滑块 6 的最有利条件来确定，即 x-x 应位于 B 点所画圆弧高的平分线上（见图例 1）。 2）作机构运动简图。选取比例尺l按表 4 2 所分配的两个曲柄位置作出机构的运动简图，其中一个位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图 4 2；取滑块 6 在上极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置 8 对应于滑块 6 处于下极限的位置。再作出开始切削和中止切削所对应的 1和 8两位置。共计 14 个机构位置。 3）作速度，加速度多边形。选取速度比 例尺v=0.0168（mmsm/）和加速度比例尺a=0.0168（mmsm 2/ ），用相对 运动图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形，并将起结果列入表。 4)作滑块的运动线图。根据机构的各个位置，找出滑块 6 上 C 点的各对应位置，以位置 1 为起始点，量取滑块的相应位移，取位移比例尺s=0.0109（mmm），作cs（ t）线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位移。然后根据cs（ t）线图用图解微风法（弦线法）作出滑块的速度cv（ t）线图，并将结果与其相对运动图解法的结果比较。 5）绘制滑块的加速度线图（见图 1） .导杆机构的运动分析 1).选取长度比例尺 l，作出机构在位置 4 的运动简图。 机械原理课程设计 机械工程学院 6 如一号图纸所示，选取 l=lAO2/O2 A（ m/mm)进行作图， lAO2表示构件的实际长度， O2 A 表示构件在图样上的尺寸。作图时，必须注意 l的大小应选得适当，以保证对机构运动完整、准确、清楚的表达，另外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其他相关分析图形的位置。 2.)求原动件上运动副中心 A 的 vA 和 aA v2A= 1 lAO2 0.829m/s 式中 v2A B 点速度（ m/s） 方向丄 AO2 aA = 1 2 lAO2=6.247m/s2 式中 aA A 点 加速度（ m/s2 ） ,方向 A O2 3.解待求点的速度及其相关构件的角速度 由原动件出发向远离原动件方向依次取各构件为分离体，利用绝对运动与牵连运动和相对运动关系矢量方程式，作图求解。 （ 1）列出 OB 杆 A 点的速度矢量方程 根据平面运动的构件两点间速度的关系 绝对速度 =牵连速度 +相对速度 先列出构件、上瞬时重合点（ 2 ， 4 ）的方程，未知数为两个，其速度方程： 4A v2A+ v24AA方向：丄 4 丄 AO2 4 大小： ？ 1 lAO2？ （）定出速度比例尺 在图纸中，取 p 为速度极点，取矢量 pa 代表 v2A,则速度比例尺 v（ m s 1 /mm） v=pav 2A =0.002 ms 1 /mm （）作速度多边形，求出 2 、 4 根据矢量方程式作出速度多边形的 pd1 部分，则 v2A(m/s)为 v2A=vpa=0.829m/s 4 = v2A/ l4AO=1.3rad/s 其转向为顺时针方向。 4B= 4 l4bO=0.612 m/s 机械原理课程设计 机械工程学院 7 B 点速度为4B，方向与 v2A同向 . （）列出 C 点速度矢量方程，作图求解 V6C、 V46BCV6C= 4B+ V46BC方向：水平 丄 B 4 丄 BC 大小：？ 4 l4bO？ 通过作图，确定点速度为 V32AA=vbc=0.2909m/s VC vpc=1.2207m/s 式 中 V32AA 5点速度，方向丄 BC 式中 VC 点速度，方向为 p c。 解待求点的加速度及其相关构件的角加速度 （）列出点加速度矢量方程式 牵连速度为移动时 绝对加速度牵连加速度相对加速度 牵连运动为转动时，（由于牵连运动与相对运动相互影响） 绝对加速度牵连加速度相对加速度哥氏加速度 要求点加速度，得先求出点加速度， aA = a An + a A = a2on+ a2o+ aA + a哥方向：？ 丄 AO2 丄 AO2 丄 大小：？ 4 2 l4AO？ 2 l2AO0 ? 2 4 v24AA(2)定出加速度比例尺 在一号图纸中取 p 为加速度极点，去矢量 pa代表 a An ，则加速度比例尺 a（ ms 2 /mm） a=anpaB=0.219 m/s2 /mm (3)作加速度多边形， 求出 a B 、 aA 、 aB 根据矢量方程图的 panka 部分，则 a A =aaa=0.7949 m/s2 aA =aka=6.247m/s2 aA =apa=0.519 rad/s2 方向为 水平向右下 12 机械原理课程设计 机械工程学院 8 a B = a A l4bO/ l2AO=3.279m/s2 a Bn = 4 2 l4bO=1.225 m/s2 (4)列出 C 点加速度矢量方程，作图求解 ac、 a CBn 、 a CB ac= a CBn + a CB + a Bn + a B 方向： 水平 BC 丄 BC AB 丄 AB 大小： ？ V46BC2 /lBC ? 4 2 l4bOa A l4bO/ l2AO由上式可得： a CB =0.0.15m/s2 ac=0.178m/s2 确定构件 4 的角加速度 a4由理论力学可知，点 A4 的绝对加速度与其重合点 A3的绝对加速度之间的关系为 3343444 aaaaa k aar aanata 方向： O4B O4B O4B O4A O2A 大小： ？ 24 lo2A ? 24Va4a3 22 lo2A 其中 a 的是和444 anata aa法向和切向加速度。 akaa 34为科氏加速度。 从任意极点 O 连续作矢量 O3a和 k代表 aA3 和科氏加速度，其加速度比例尺 1:0.219；再过 点 o 作矢量 oa4”代表 anaa 34，然后过点 k作直线 ka4 平行于线段 oa4”代表相对加速度的方向线，并过点 a4作直线 a4a4垂直与线段 ka4，代表 ata4的方向线，它们相交于 a4，则矢量 oa4便代表 a4。 构件 3 的角加速度为 ata4/lO4A 将代表 ata4的矢量 ka4 平移到机构图上的点 A4，可知 4 的方向为逆时针方向。 2 vA2 vA2A3 V3 VCB vC VB4 aA3 aKA4A3 anA4 atA4 anCB ac 大小 方向 4 7.536 0.829 0.1718 0.811 0.0649 1.2216 0.612 1.3 顺时针 6.247 0.519 1.226 3.279 0.015 0.178 4. 根据以上方法同样可以求出位置九的速度和加速度 项 目 位 置 机械原理课程设计 机械工程学院 9 5 2 vA2 3 vA2A3 V3 VCB vC VB4 aA3 aKA4A3 anA4 atA4 anCB ac 大小 方向 4 7.536 .0829 0.1718 0.811 0.0649 1.2216 0.612 1.3 顺时针 6.247 0.625 1.226 3.279 0.015 0.178 9 7.536 0.829 1.231 0.6678 0.3349 1.5379 0.827 0 6.238 0.425 2.432 3.279 4.245 4.237 单位 1/s m/s 1/s m/s2 4.2. 导杆机构的动态静力分析 已知 各 构件的重量 G（曲柄 2、滑块 3 和连杆 5 的重量都可忽略不计），导杆 4 绕重 心的转动惯量 Js4及切削力 P 的变化规律。 要求 求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。以上内容做在运动分析的 同一张图纸上。 步骤 1） 选取阻力比例尺Q= 555.6 )(mmN ，根据给定的阻力 Q 和滑块的冲程 H 绘制阻力线图。 2） 根据个构件的重心的加速度即角加速度，确定各构件的惯性力iP和惯性力偶 矩 iM，并将其合为一力，求出该力至重心的距离。 项 目 位 置 机械原理课程设计 机械工程学院 10 3）按杆组分解为示力体，用力多边形法决定各运动副中的反作用力合加于曲柄上的平衡力矩。 将所有位置的机构阻力，各运动副中的反作用力和平衡力矩yM的结果列入表中： 动态静力分析过程： 在分析动态静力的过程中可以分为刨头，摇杆滑块，曲柄三个部分。 首先说明刨头的力的分析过程： 对于刨头可以列出以下力的平衡方程式： F=0 P + G6 + Fi6 + R45 + R16=0 方向： x轴 y轴 与 a6反向 BC y轴 大小： 8000 620 -m6a6 ? ? 以作图法求得 : 位置 4 R45 = 7958.3 N 位置 1 R45 =8550.648 N 位置 4 R16 = 284.7 N 位置 1 R16 = N 力矩平衡方程式： M=0 P*yp+G6*hg+Fi6*h6+R16*h16=0 我们还可以得到： R45=R65 对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式： F=0 R54 + R34 + Fi4 + G4 + R14=0 方向 : BC O4B a4 y轴 ? 大小： R54 ？ m4a4 220 ? 力矩平衡方程式： M=0 R54*h54-R34*h34-Mi4-Fi4*hi4-G4*h4=0 由此可以求得 R34的大小： R34= 7958.3 N 位置 1 R34=14366.93 最后可以利用力的平衡方程式做力的多边形解出 位置 4 R32=12023.66 N 位 置 1 R32= 244.376N 在摇杆上可以得到 R34=-R32 机械原理课程设计 机械工程学院 11 最终得 出位置 4 My=1257.11Nm 位置 1=689.612Nm 表 表 Pi6 Pi4 Mi4 lh4 大小 方向 4 48.734 30.8 71.508 顺时针 0.3091 单位 N Nm m P N56=N65 N54=N54 N34=N23 My 大小 方向 4 8000 7958.3 7958.3 12023.66 1257.11 顺时针 单位 N N Nm Pi6 Pi4 Mi4 lh4 大小 方向 1 546.57 110.897 12.36 逆时针 89.5 单位 N Nm m 项 目 位 置 项 目 位 置 项 目 位 置 机械原理课程设计 机械工程学院 12 4.3. 飞轮设计（见图 3） 已知 及 其运动的速度不均匀系数 ，由动态静力分析所得的平衡力矩 My,具有定转 动比的各构件的转动惯量 J，电动机、曲柄的转速 no、 n2 及某些齿轮的齿数。驱动 力矩为常数。 要求 用惯性立法确定安装在轴 O2 上的飞轮转动惯量 JF。以上内容做在 2 号图纸上。 步骤： 1） 列表汇集同组同学在动态静力分析中求得的个机构位置的平衡力矩 My，以力矩比例尺m和角度比例尺 绘制一个运动循环的动态等功阻力 矩 M*c= M*c（）线图。对 M*c（）用图解积分法求出在一个运动循环中的阻力功 A*c= A*c（）线图。 2） 绘制驱动力矩 Ma所作的驱动功 Aa= Aa（ ）线图。因 Ma为常数，且一个运动循环中驱动功等于阻力功，故将一个循环中的 A*c= A*c（）线图的始末两点 以直线相连，即为 Aa= Aa（）线图。 3） 求最大动态剩余功 A 。将 Aa= Aa（）与 A*c= A*c（）两线图相减，即得一个运动循环中的动态剩余功线图 A = A （）。该线图的纵坐标最高点与最低点的距离，即表示最大动态剩余功 A 。 4） 确定飞轮的转动惯量 JF 。由所得的 A ， 按下式确定飞轮的转动惯量 JF =900 A / n21 按照上述步骤得到飞轮的转动惯量为 JF=8.37. P N56=N65 N54=N54 N34=N23 My 大小 方向 1 8000 8550.648 14366.93 244.376 689.612 逆时针 单位 N N Nm 项 目 位 置 机械原理课程设计 机械工程学院 13 4.4. 凸轮机构设计（见图 2） 已知 摆杆 9 为等加速等减速运动规律，其推程运动角 ，远休止角 s，回程运动角 ，摆杆长度 lo9D=130mm，最大摆角 max=15，许用压力角 =20；凸轮与曲柄共轴。 要求 确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，划 出土轮世纪轮廓线。以上内容做 在 2 号图纸上。 步骤： 1） 根据从动件运动规律，按公式分别计算推程和回程的（dd）max，然后用几何作图法直接绘出dd（）及（）线图。 2） 求基圆半径 r0及凸轮回转中心 O2 至从动件摆动中心 O4的距离 l O2 O4。按 （）线图划分max角时，可将其所对的弧近视看成直线，然后根据三角形相似原理，用图解法按预定比例分割max角所对应的弧，自从动件摆动中心 O4作辐射线与各分割点想连，则max角便按预定比例分割。 作图时，如取 1 = l O4 D*dd，则可直接根据dd（）线图上各纵坐标值，在 O4点的相应辐射线上由 D 点分别向左或右截取各线段，线段所代表的实际长度就等于等于 l O4 D* dd。截取方向可根据 D 点速度方向顺着凸轮转向转过 900 后所指的方向来确定。然后按许 用压力角 作出凸轮轴心的安全区，求出凸轮的基圆半径 r0和中心距 lO2 O4。 3）根据凸轮转向，摆杆长 l O4 D， 角位移线图 =（）图和以上求得的 r0， l O2 O4， 画出凸轮理论廓线，并找出其外凸轮曲线最小曲率半 径 Pmin 。然后，再选取滚子半径 rg，画出凸轮的实际廓线。 设计过程： 1）根据给定的 r0=60mm 和摆杆位置画出从动件的初始位置 O9D0，再根据 -线图画出从动件的一系位置 O9D1 、 O9D2 、 O9D3 、 O9D4 、 O9D5、 、 O9D6 、 O9D7、 O9D8、 O9D9 、 O9D10 、 O9D11 、O9D12 、 O9D13 、 O9D14，使得 D0O9D1 =1、 D0O9D2 =2 、 D0O9D3 =3、 D0O9D4 =4 、机械原理课程设计 机械工程学院 14 D0O9D5 =5、 、 D0O9D6 =6 、 D0O9D7 =7、 D0O9D8 =8、 D0O9D9 =9 、 D0O9D10 =10 、 D0O9D11 =11 、 D0O9D12 =12、 D0O9D13 =13 、 D0O9D14 =14。 2）从基圆上任一点 C0开始，沿（ -）方向将基圆分为与图 -线图横轴对应的等份，得 C1、 C2、C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9、 C10、 C11、 C12、 C13、 C14。 过以上各点作径向射线 OC1、 OC2、 OC3、 OC4、 OC5、 OC6、 OC7、 OC8、 OC9、 OC10、 OC11、 OC12、OC13、 OC14。 3） 以 O 为中心及 OD1为半径画圆弧，分别交 OC0 和 OC1 于 E1和 E1，在圆弧上截取 E1D1= E1D1 得点 D1。用同样方法，在以 OD2 为半径的圆弧上截取 E2D2= E2D2 得点 D2，在 OD3 为半径的圆弧上截取 E3D3= E3D3得点 D3 ，在 OD4为半径的圆弧上截取 E4D4= E4D4得点 D4 ，在 OD5为半径的圆弧 上截取 E5D5= E5D5得点 D5 ，在 OD6 为半径的圆弧上截取 E6D6= E6D6 得点 D6 ，在 OD7为半径的圆弧上截取 E7D7= E7D7 得点 D7 ，在 OD8 为半径的圆弧上截取 E8D8= E8D8 得点 D8 ，在OD9 为半径的圆弧上截取 E9D9= E9D9 得点 D9 ，在 OD10 为半径的圆弧上截取 E10D10= E10D10得点D10 ，在 OD11 为半径的圆弧上截取 E11D11= E11D11 得点 D11 ，在 OD12为半径的圆弧上截取 E12D12= E12D12 得点 D12 ， 在 OD13 为半径的圆弧上截取 E13D13= E13D13得点 D13。将 D0、 D1、 D2、 D3、D4、 D5、 D6、 D7、 D8、 D9、 D10、 D11、 D12、 D13连成曲线便得到凸轮轮廓曲线。 机械原理课程设计 机械工程学院 15 5.心得体会 美丽的花朵必须要通过辛勤的汗水浇灌 .有开花才有结果 ,有付出才有收获 . 通过几天日日夜夜的奋斗，在老师亲切地指导下，在同学们的密切配合下，当然也有自己的努力和辛酸 ,这份课程设计终于完成了 ,心里无比的高兴 ,因为这是我们 努力的结晶 . 在这几天中，我有很多的体验，同 时也有我也找到许多的毛病，仅就计算机辅助绘图而言，操作的就远远不够熟练，专业知识也不能熟练应用。但是通过这次实践设计，我觉得我有