牛头刨床机构运动分析课程设计

1、牛头刨床机构运动分析课程设计江苏师范大学机电工程学院课程设计说明书题目：牛头刨床机构设计及运动分析系别专业班级学生姓名学号指导教师2014年1月8日、概述1.1、 、课程设计的目的21.2、 工作原理21.3、 设计要求31.4、 、设计数据41.5、 创新设计内容及工作量4二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析2.1、 、方案分析52.2、 主传动机构尺寸的综合与确定52.3、 杆组拆分62.4、 绘制刀头位移曲线图7三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序3.1、 、解析法进行运动分析83.2、 程序编写过程（计算机 C语言程序） 103.3、 计算数据结果123.4、 位移、速度和加速度运

2、动曲线图与分析语语语语语13四、小结心得体会语语语语语语语语语语语语语语语语语语语18 五、参考文献参考文献语语语语语语语语语语语语语语语语语语语19一、概述1.1、 、课程设计的目的 目的：机械课程创新设计是培养学生机械系统方案设计能力的技术基 础课程，他是机制专业课程学习过程中的一个重要实践环节。 其目的 是以机制专业课程的学习为基础，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专业课程有关的 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

3、辅助设计、绘图以及 查阅和使用文献的综合能力。1.2、 工作原理牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来 完成工件的平面切削加工的机床。 图1为其参考示意图。电动机经过 减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机 构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，刨头 6由曲柄2 带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程 H中，前后各 有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；刨刀左行时，即为空 回行程，此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，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，以便刨刀继

4、续切削。牛头刨床机构运动分析课程设计(a)机械系统示意图(b)刨头阻力曲线图(c)执行机构运动简图图1牛头刨床1.3、 设计要求电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与钱链点C的垂直距离 为50mm使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许 曲柄2转速偏差为士 5%。要求导杆机构的最大压力角应为最小值。 执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产 规模设计。1.4、 设计数据题 号1导杆 机构 运动 分析转速 n2（r/min）48机架 l o2O1（mm）380工作行程H(mm)310行程速比系数K1.46连杆与导杆之比l BC /l O1B0.25杆构态力析 导

5、机静分工乍阻力Fma(N)4500导杆质量m (kg)20滑块6质量m6 (kg)70导杆4质心转动惯量Js4(kg . m2)1.11.5、 创新设计内容及工作量1)根据给定的工作原理和设计数据确定机构的运动尺寸；2)导杆机构的运动分析。用解析法求出刨头 6的位移、速度、加 速度及导杆4的角速度和角加速度，并编程绘制运动线图3)编写计算机辅助优化设计与运动分析说明书， 包括问题的数学 模型、程序框图、源程序及计算结果图表等内容。二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析2.1、 方案分析1 .机构具有确定运动，自由度为F=3n-(2Pi Ph)=3X 5-(2X7+0)=1, 曲柄为机构原动件；

6、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。2.2、 主传动机构尺寸的综合与确定由已知数据经过计算得图（2）牛头刨床机构简图由K 得出=33.66OiA OiO2sin( /2)

7、 380 sin(33.66 /2) 110(mm)OiB (H/2)/sin( /2) 535(mm)OiB Lbc/Loib 535 0.25 134(mm)2.3、杆组拆分I级杆组II级杆组II级杆组OiB (OiB OiBcos( /2)/2 523(mm)2.4、绘制刀头位移曲线图e 1Se120-0.230150-0.246197-0.2983430.020三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序3.1、解析法进行运动分析如图，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ABC破BDEGB投影方程式为S3 COS 311 COS 1S3 sin 316 11 sin13c

8、os 3l4 COS 4Lsin 3l4 sin 43、3、3由公式（1）和图（3）牛头刨床结构分析图Se0l6(2)得:,1611 sin 13 arctan11 cos 13 arctankli sinli cos上式等价于 11 cos 1arc cot1611 sin 1求3对时间一阶导得：111Hl16 sin，322 Z16 I121611Sin 1求对时间二阶导：/ 1；)1J112 cos 1322 一2(1611221611sin 1)2求滑块E的Se、E、(1)(2)(3)(4)(6)(8)由（3）、（4）式得:Se 13 cos 3 14 cos 4.H13 sin 34

9、 arcsin(10)(11)14求对时间一阶导得：(12)(13)(14)(15)313 cos 34-；14 cos 4313$所(34)Ecos 4求对时间二阶导得：2 2,3 13Sin 3414Sin 4313 cos 34 .14 cos 422,313sin(34)313 cos(34)4I4Ecos 4根据设计要求，不同位置的速度、加速度、位移都不同，将利用 C语言编写程序，达到输出各个位置的速度、加速度以及位移的目的 程序的源代码以及执行程序之后显示结果均予以显示。3.2、 程序源代码(计算机 C语言程序)#inc1ude#inc1ude#define PI 3.141592

10、6void main()double a=0.110,b=0.535,c=0.134,d=0.380,e=0.523,f=5;/*O1A=AB,b=O1B,c=BC,d=O1O2,e=H,f=3 1 */double B,C,E,F,G,I,L,M,O;/*B= 9 3,C= 9 4, E=S0 F = w3, G=w 4, I= Ve , L=a 3, M=a 4, O= a e */ double x=0;printf( 134 Se W3 W4 Ve A3 A4Ae n);while(x6.3)B=atan(d+a*sin(x)/(a*cos(x);/* 求 8 3*/if(B0)B=P

11、I+B;C=PI-asin(e-b*sin(B)/c);/* 求 8 4*/if(C clear all;clc;W1=5;11=0.110;13=0.535;16=0.380;161=0.523;14=0.134;for m=1:3601o1(m)=pi*(m-1)/1800;o31(m)=atan(l6+l1*sin(o1(m)/(l1*cos(o1(m);if o31(m)=0o3(m)=o31(m);else o3(m)=pi+o31(m);end;s3(m)=(l1*cos(o1(m)/cos(o3(m);o4(m)=pi-asin(l61-l3*sin(o3(m)/l4);se(m

12、)=l3*cos(o3(m)+l4*cos(o4(m);if o1(m)=pi/2o3(m)=pi/2; s3(m)=l1+l6;endif o1(m)=3*pi/2o3(m)=pi/2; s3(m)=l6-l1;endA1=cos(o3(m),-s3(m)*sin(o3(m),0,0;sin(o3(m),s3(m)*cos(o3(m),0,0;0,-l3*sin(o3 (m),-l4*sin(o4(m),-1;0,l3*cos(o3(m),l4*cos(o4(m),0;B1=w1*-l1*sin(o1(m);l1*cos(o1(m);0;0;D1=A1B1;E1(:,m)=D1;ds(m)=

13、D1(1);w3 (m)=D1(2);w4(m)=D1(3);ve(m)=D1(4);A2=cos(o3(m),-s3(m)*sin(o3(m),0,0;sin(o3(m),s3(m)*cos(o3(m),0,0;0,-l3*sin(o3 (m),-l4*sin(o4(m),-1;0,l3*cos(o3(m),l4*cos(o4(m),0;B2=-w3(m)*sin(o3(m),(-ds(m)*sin(o3(m)-s3(m)*w3(m)*cos(o3(m),0,0;w3(m)* cos(o3(m),(ds(m)*cos(o3(m)-s3(m)*w3(m)*sin(o3(m),0,0;0,-l3

14、*w3(m)*cos(o3(m ),-l4*w4(m)*cos(o4(m),0;0,-l3*w3(m)*sin(o3(m),-l4*w4(m)*sin(o4(m),0*ds(m) ;w3(m);w4(m);ve(m);C2=w1*-l1*w1*cos(o1(m);-l1*w1*sin(o1(m);0;0;B=B2+C2;D2=A2B;E2(:,m)=D2;dds(m)=D2(1);a3(m)=D2(2);a4(m)=D2(3);ae(m)=D2(4);end;o11=o1*180/pi;y=o3*180/pi;o4*180/pi;w=w3;w4;a=a3;a4;figure;subplot(2

15、21);h1=plotyy(o11,y,o11, se);title(位置线图);xlabel(ittheta1( );ylabelCittheta3 theta4,() Se(m);grid0 onsubplot(222);h2=plotyy(o11,w,o11,ve);title(速度线图);xlabel(ittheta1( );ylabel(itomega3 omega4(rad/s) Ve(m/s);grid onsubplot(212);h3=plotyy(o11,a,o11,ae);title(加速度线图);xlabel(ittheta1( );ylabei(italpha3 al

16、pha4(rad/sA2) alphaE(m/sA2);grid onF=o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae;G=F(1:10:3601,:)位置线图02O o o O 5 Q 5 J 1(皂必5C23一L_.-94 -_rXXX- = _03 |_/ / /一Se一O0.200口 5 JO 63图（4）牛头刨床运动位置线图分析：随着摇杆的摆动，9 1的增大和减小，但摇杆牵引连杆，使得04的角度变化幅度不大，呈浮动装态。因为0 3和0/2之间的关系，其大 小变化和0 1的变化相反，而牛头刨床车刀的位移也随着03的大小变化做相应变化，当0

17、 3的角度最大时，则车刀的位移量最小，当0 3达到实际运动中最小位置时，车刀的位移量最大。速度线图2111111111.5III|II图（5）牛头刨床运动速度线图分析：根据图来进行分析，摇杆的角速度3 3随0 1的角度变化而变化当0 在60120范围内时，3达到最大，而0 1在260280 , 3 3最小。连杆4的角速度根据运动的状况，其角速度呈浮动状态， 其运动情况如图中所示。0 1为0（360 ）时，牛头刨床的车刀正等待下一次切削（切削完毕），当81角度从零开始增大时，车刀的速度先减速，在8 1达到80100时，Ve达到最小，然后速度开始增大，开始切削，在0 1到达270左右的时候，速度最

18、大，然后 减速，由于设计要求，刨刀前后都有一段空行程。图(6)牛头刨床运动加速度线图分析：刨刀的加速度在0 1为零的时候做加速度减小的减速运动，在01为90左右时，开始做加速度增加的加速运动，在01到达230左右的时候加速度最大，然后做加速度减小的加速运动，在0 1到达270左右的时候开始做加速度小于零的减速运动，当加速度最小时，刨刀开始往回运动，运动到0 1初始位置，开始下一周期的切削循环。连 杆4的加速度上下波动，周期循环。摇杆的加速与因为角度关系，和 刨刀的加速度相反，其运动状态与刨刀的运动基本相反四、小结流星的光辉来自星体的摩擦，珍珠的晶莹来自贝壳的眼泪，成功 的背后需要我们为之付出很大的努力。 通过几天的奋斗，在老师悉心 的指导下，在同学们的密切配合下，我的机械原理课程设计终于完成 了。虽然我的设计可能还有不少的错误和误差， 但心中还是无比的喜 悦。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， 比如：专业知识的不能熟练应用，作图时绘图不是太合理。但是通过 这次实践设计，我觉得我的能力有了很打的提高。比如：通过这次设 计我学会了查找一些相关的工具书，并且巩固复习了一些设计数据的 计算方法（速度、加速度、力）。虽然这次的课程设计有些不足，但希望在今后的设计中，能够得 到正真的提升，使自己的设计能力进一步趋向成熟。 当然我也会努力 学习让自己的专业知识日益深厚