牛头刨床机构的分析与综合

1、西南交通大学本科教学改革机械原理课程设计说明书年 级：2011级学 号：20116315姓 名： 王和平专 业:机电一体化指导老师：何俊2013年12月机械原理课程设汁任务书班 级机电一班学生姓名王和平学 号20116315发题日期：2013年9月20日完成日期：12月10日题目牛头刨床机构的分析与综合1、本设计的目的、意义机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案 设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其 目的是以机械原理课程的学习为基础，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课程有关的具体机械所涉及的实际问题的 能力

2、，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，苴中包括选型、运动方案的确泄、 运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提髙计算、分析，计算机辅助设 计、绘图以及査阅和使用文献的综合能力。2、学生应完成的任务本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确 左；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。并在此基础上确泄飞轮转惯量，设 计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。摘要牛头刨床是用于加工中小尺寸的平而或直槽的金属切削机床，多用于单件或小 批疑生产。为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主执行构件一刨 刀能以数种不同速度、不同行程和不同起始位置作水平往复直线移动，且切削时刨 刀的移动速度低于

3、空行程速度，即刨刀具有急回现象。本文根据牛头刨床这一特 性，设讣了三种不同的机构，通过对比分析，选择了酸菜动导杆机构和摇杆滑块机 构串联而成的机构。该方案传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工 作行程中变化也较缓慢。根据已给的数拯算岀符合运动条件的机构杆长，凸轮基圆，齿轮传动比，建立 三维模型，用adms建模，得出位移线图，速度线图，再根据位移线图利用反转法求 出凸轮外形，并用cad画出图形关键字：牛头创床杆长凸轮adams线图AbstractShaper is used for metal cutting machine tool plane machining of small

4、size or straight groove, used for single or small batch production. In order to coarse.fine processing of different materials and different size workpieces, require the main execution component planes to several different speed, differentdistance and different initial positions of horizontal recipro

5、cating linear motion.and the cutting speed is lower than the air speed planing planing took namelythe quick return phenomenon. In this paper, according to the characteristics ofshaper, design three different agencies, through comparative analysis,choose the pickled cabbage moving guide rod mechanism

6、 and the rockerslider mechanismformed by series connection mechanism. The force transmission characteristics, mechanism, small occupied space, the actuatorvrelocity changes in working process is slow.According to the given data calculated in line with the movement condition of the mechanism, the cam

7、 base circle, gear ratio, establish the three-dimensional model, using ADMS modeling, so out of line drawing speed line chart, according to the line graph using the inversion method for cam profile.and the figure painting with CADKeywords:shaperrodcamadamsdiagram目录 TOC o 1-5 h z 第1章绪论11 . 1问题的提出11 .

8、 2国内外研究现状11 .2本文研究的主要内容、目标与方法2第2章设计方案的确定32.1备选方案3方案 a3方案 b3方案 c42.2方案确定42.2.1机构方案确定42.2.2减速方案的确定4第3章确定机构尺寸53.1根据所给数据确定杆长53.2建模63.3凸轮设计63.3.1 原理63.3.2基圆半径6第4章运动分析及公式推理74.1导杆7第5章静力分析95. 1曲柄95.2导杆95.3滑块1 05.4连杆1 0第6章分析结果126.1位移线图1 26.2速度线图1 2加速度线图1 36.4力矩变化曲线1 36.5根据反转法画凸轮和滚子14结论15总结1 5参考文献1 6第1章绪论1.1问

9、题的提出牛头刨床是用于加工中小尺寸的平而或直槽的金属切削机床，多用于单件或小 批量生产。但现有的牛头刨床，大都是结构复杂，笨重且精度不髙，所以本文希望 可以设计一种结构简单，符合牛头刨床运动的机构。1.2国内外研究现状为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主执行构件一刨刀能以 数种不同速度、不同行程和不同起始位置作水平往复直线移动，且切削时创刀的移 动速度低于空行程速度，即刨刀具有急回现彖。创刀可随小刀架作不同进给量的垂 直进给：安装工件的工作台应具有不同进给量的横向进给，以完成平面的加工，工 作台还应具有升降功能，以适应不同高度的工件加工。图1-1为其参考示意图。电动机经过减速传动

10、装置（皮带和齿轮传动）带动执行 机构（导杆机构和凸轮机构）完成创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而方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切 削。图1-1 （参考示意图）图1-2 （切削阻力变化图）1.3本文研究的主要内容、目标与方法本文根据牛头刨床的特性，为了能设计出结构简单，符合运动要求的结构，设 计了三种不同的机构，通过对比分析

11、，选择了导杆机构和摇杆滑块机构串联而成的 机构。该方案传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化 也较缓慢。根据已给的数据算出符合运动条件的机构杆长，凸轮基圆，齿轮传动比，建立 三维模型，用adams建模，得出位移线图，速度线图，再根据位移线图利用反转法 求出凸轮外形，并用cad画出图形图1-3 （牛头刨床结构简图）第2章设讣方案的确龙2.1备选方案2.1方案a如图2，采用偏置曲柄滑块机构。结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在 有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所 需活动空间较大：二是机构随着行程速比系数K的增大，压力角也增大，使传力特

12、性变坏。2.1.2方案bF图22 （方案b）如图23,由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。该方案在传力特性和执行件 的速度变化方而比方案（a）有所改进，但在曲柄摇杆机构ABCD中，随着行程速比 系数K的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。2丄3方案c如图2-3,由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。该方案克服了方案（b） 的缺点，传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较 缓慢。2.2方案确定2.2.1机构方案确定比较第1节三种方案，从全而衡量得失来看，方案（0作为刨削主体机构系统较 为合理。2.2.2减速方案的确左构思一个合理的传

13、动系统。它可将电机的高速转动（960转/分）变换为执行机 构的低速转动。构思机构传动方案时，能较为合理地分配各部分的传动比，最后绘出机构传动示意图如图24。图24 （机构传动示意图）因为执行机构的低速转动（49转/分）N=49*（23）*（8 12）=784-1764所以取I匸1000,满载转速为n=960所以总的减速比为960/49=19.59第3章确定机构的尺寸已知条件：刨刀的行程H=300 mm：行程速比系数K=1.4：最大切削阻力Pr=4600：机架350mm：连杆与导杆之比为0.3导杆长度:连杆长度: 曲柄长度：为了使机构在运动过程中具有良好的传动力特性；即要求设计时使得机构的最大压

14、 力角具有最小，应此分析得出:只有将构件5即B点移到两极限位這连线的中垂线上, 才能保证机构运动过程的最大压力角具有最小值。分析如下：当导杆摆到左边最大位置时，最大压力角为凶，刨头可能的最大压力角位置是导杆B和，设压力角为凶（见下图）。根据几何关系凶二田。由于因与勺，凶列呈背离关系,即3增加则3 ,列减小且凶凶。则要使机构整体压力最小，八于导杆摆弧平列均置处=3 ,则113.2建模根据已知数拯和求出的数据用solidworks建模如图3-2图 3-2 （solidworks 建模）3.3凸轮设计3.3原理设汁凸轮轮解依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（一3）（3为原凸 轮旋转角速度）后

15、，将凸轮固立不动，而从动件连同机架将以（一 3）绕凸轮轴心 02逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给左的运动规律绕其轴心09相对机架 摆动，则从动件的尖顶在复合动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。3.3.2基圆半径基圆半径受到以下三方而的限制：基圆半径rO应大于凸轮轴的半径rs；应使机构的最大压力角amax小于或等于许用压力角a；应使凸轮实际廓线的最小曲率半径大于许用值，即psminp最后得到的数拯如表1表31符号gniax单位O数据15126SO701070第4章运动分析及公式推理4.1导杆的运动分析要求：导杆机构的运动分析。根据已左岀的尺寸参数及原动件转速几用解析法求岀 当曲柄转角ei从刨头

16、处于最左侧起，沿转动方向没隔10度计算一组运动参数.其中 包括各构件的角位宜，角速度，角加速度以及刨头的位移（以最左侧为零点），速 度和加速度；并用计算机辅助设计在同一副图中绘出创头的位移曲线，速度曲线和加速度曲线，并分析结果合理性步骤:图42 （运动分析简图）如图4-2,建立一直角坐标系，并标岀各杆矢及英方位角由封闭形O2AO402可得：CnJ （ 0为机架）分別在X, Y轴上投影可得:(1)(2)（凶为EG的距离）由封闭图形QBCG 0可得(3)(4)分别在X, Y轴上投影得：联解(1) (2) (3) (4)得:3 =arctan0勺回0,因/2回3/2 3,2 a 3 = 3 + ar

17、ctan s 03 3(B/2,3/2a凶=arcsin s e目回0,/回2回3/2因，200 s ogQa/23/2ac点的位移:0 = i3cosO3+ lgcosegc点的速度：3 =C点加速度：0 =第5章静力分析5.1曲柄o2x凹5.2导杆图52 （导杆受力图）3 =0, F a +F lj -Fj siii0 a =0 : 0 =0, F 0 +F Q + F S cosG3-m3g=0：H =0, F 凶 lasiiiO 3+ F 0 ljcosO3-1/2 m 3g 1 cosO + F S=05.3滑块图53 （滑块受力图）3 0=0,F 0 sinO 卜F 凶=03 日=

18、0,-F cos0 3F 目=05.4连杆图54 （连杆受力图）M 3 =0,-F 凶F 列=0：勺 Q =0, F 0-F 3 =0：J M 0=Ot F 3 lacosG j+ F13siii0弓=0综上所述联立方程求得F0-F0F 旦=(F 凹 ljsinO j- F u tanO jlicosG 勺+ 1/2 m jg lacos0 j ) / saF 回= F 回 + (F a 1 jsinO j- F 回 tanO j1qcos6 j+1/2 mag Iqcos6 -j ) sin0Q/ s jF(zi = ni jg- F a tan0(F a Itisin0 勺 F 闫 tan

19、O j 1 jcosO j + 1/2 mug lgcos0 j /2 mag lacosOd ) sin0 3/ SjF a = (F a lgsinO j- F tan0 j lgcosQ j + 1/2 ni jg lgcosO j ) cosGa/sglr =F aS = F 3T (F mj lsinO j- F uj tanO jlacosO j + 1/2 m jg lacosO j ) 1 jcos(0 j-0 j)/ sa第6章分析结果6刨头的位移曲线图61 （位移曲线）6.2刨头的速度曲线图62 （速度曲线）6.3刨头的加速度曲线图63 （加速度曲线）64平衡力矩的变化曲线图64 （平衡力矩曲线）6.5根拯反转法画凸轮和滚子图6-5 （凸轮理论轮屎）图6-6 （凸轮实际轮屎）结论在本设计中，我经过多种方案的设讣，泄性的选择了一种比较优化的结构，然后 根据已知数据求得了机构的极位夹角和杆长，还设计了相应的凸轮，最后，经过解 析法和运动仿真得出了机构的运动线图，