牛头刨床课程设计及课程设计报告

西南大学工程技术学院课程设计(论文)16-牛头刨床一、课程设计的目的和任务1、目的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，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力。2、任务本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。并在此基础上确定飞轮转惯量，设计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。具体参数：1）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，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1(b)所示。图1牛头刨床机构简图及阻力曲线图二、机构简介与设计数据图1牛头刨床机构简图及阻力曲线图1、机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1(a)。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。2设计数据设计内容导杆机构的运动分析导杆机构的动态静力分析符号n2L0204L02AL04BLBCL04S4XS6YS6G4G6PYPJS4单位r/minmmNmmkgm2方案Ⅰ603801105400.25L04B0.5L04B240502007007000801.1Ⅱ64350905800.3L04B0.5L04B200502208009000801.2Ⅲ724301108100.36L04B0.5L04B1804022062080001001.2表1设计数据设计内容飞轮转动惯量的确定凸轮机构的设计符号δno’z1Z0〃Z1′Jo2Jo1Jo〃Jo’ψmaxlo9D[α]φφsφ’单位r/minKgm2°mm°方案Ⅰ0.1514401020400.50.30.20.21512540761075Ⅱ0.1514401316400.50.40.250.21513538701070Ⅲ0.1614401519500.50.30.20.21513042751065设计内容齿轮机构的设计符号d0′d0″m12m0″1′αψmax单位mm°方案Ⅰ10030063.52015Ⅱ100300642015Ⅲ10030063.52015三、设计内容1.导杆机构的运动分析已知曲柄每分钟的转数，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路位于导杆端头B所作圆弧高的平分线上(图2所示)。要求作机构的运动简图，并作机构两个位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面动态静力分析一起画在1号图纸上(参考图例1)。图图2曲柄位置图曲柄位置图的作法为图2取1和8′为工作行程起点和终点所对应的曲柄位置，1′和7′为切削起点和终点所对应的曲柄位置，其余2、3…12等，是由位置1起，顺ω2方向将曲柄圆周作12等分的位置。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(图1，b)。要求按表2所分配的第二行的一个位置，求各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。以上内容作在运动分析的同一张图纸上(参考图例1)。表2机构位置分配表学生编号123456789101112131415位置编号12345678910111212378′68′121131′1′7′47′89学生编号161718192021222324252627282930位置编号456789101112123456101211252738645910113.飞轮设计已知机器运转的速度不均匀系数δ，由动态静力分析所得的简称力矩My，具有定传动比的各构件的转动惯量J，电动机、曲柄的转速n0′、n2及某些齿轮的齿数(参见表1)。驱动力矩为常数。要求用惯性力法确定安装在轴O2上的飞轮转动惯量JF。以上内容作在2号图纸上(参考图例2)。图3图3摆杆加速度线图已知摆杆9为等加速等减速运动规律，其推程运动角φ，远休止角Φs，回程运动角φ′(图3所示)，摆杆长度为l09D,最大摆角ψmax,许用压力角[α](参见表1)；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，画出凸轮实际廓线，以上内容作在2号图纸上(参考图例4)。5.齿轮机构设计已知电动机、曲柄的转速n0′、n2，皮带轮直径do′、do″,某些齿轮的齿数z，模数m，分度圆压力角[α](参见表1)；齿轮为正常齿制，工作情况为开式传动。要求计算齿轮z2的齿数，选择齿轮副z1—z2变位系数，计算该对齿轮传动的各部分尺寸，以2号图纸绘制齿轮传动的啮合图(参考图例3)。6.整理说明书图例1图例1图例2图例图例3图例图例4机械原理课程设计(论文)题目:牛头刨床课程设计学生姓名专业_机械类学号_班级_指导教师成绩_工程技术学院目录1.引言……………………….2.机构的选型………………2.1主执行机构的选型.………………2.2辅助执行机构的选型……………...3.原动机的选用……………..4.拟定传动系统方案……………………….5.绘制系统工作循环图……………………6.机构尺度参数确定……………………….7.主执行机构的运动分析（计算机编程）……………8.主执行机构的运动分析及动态静力分析（作图法）………………8.1主执行机构的运动分析………….8.2主执行机构的动态静力分析………….9.凸轮机构的曲线设计………………………9.1凸轮机构位移曲线的设计………….9.2凸轮机构轮廓曲线的设计………….10.飞轮设计和原动机功率的校核………………….参考文献………………………

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15151515151515151515凸轮从动件杆长(mm)125135130122123124126128130132推程许用压力角[]推程40404040404040404040回程许用压力角[]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。0.050.05H0.05HHSFmaxF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。.牛头刨床设计西南大学工程技术学院，重庆4007161.引言：牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。刨床工作时,如图(1-1）所示，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；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。切削阻力如图(b）所示。O2O2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr图（1-1）设计数据：主执行机构曲柄转速n147机架LAC390刨刀行程H390行程速比系数K1.50连杆与导杆之比LDE/LCD0.27工作阻力F(N)4200导杆质量m3(kg)26导杆转动惯量JS3(kgm2)1.2滑块质量m5(kg)80进给机构15°凸轮从动件杆长(mm)126推程许用压力角[]推程40°回程许用压力角[]回程50°滚子半径rr(mm)15刀具半径rc(mm)0.082机构的选型2.1主执行机构的选型牛头刨床是一个复杂的系统，需要结合课程设计的特点。课程设计要求主执行机构实现刨刀往复运动。下面几种机构都能够实现刨刀的往复运动。方案一方案二方案三方案四方案五方案六图1主执行机构选型所选择的机构要满足以下要求：工作行程大：要求机构是行程扩大机构；工作阻力较大：要求机构在具体较大的力增益的区间工作；正向运动的大部分时间有工作阻力：要求机构在具有急回特性；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。根据设计任务书要求，对牛头刨床的行程急回特性、受力以及运动规律等方面要求进行综合考虑，主执行机构型式应该选择方案一较合理。2.2辅助执行机构的选型辅助执行机构的指控制工件运动的机构（如工作台进给机构、送料机构）和调节机构（如行程调节机构和位置调节机构）。2.2.1课程设计中控制工件运动的辅助执行机构的选型应该考虑一下几点：（1）与主执行机构有着相同的工作周期。这就要求辅助执行机构与主执行机构的运动严格协调，这就意味着辅助执行机构与主执行机构尽量用同一个原动件。（2）辅助执行机构是“将连续转动转换成间歇运动”机构。间歇运动时《机械原理》中“其他常用机构”章节的内容。间歇运动机构有：间歇滚轮传动机构、棘轮机构、推勾式送料机构。2.2.2（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。理论上，“将连续转动转换成往复运动”的四杆机构都可以“通过适当调节杆长来改变输出构件的行程”。用螺旋机构就能改变杆长。有些构建杆长的变化对输出运动范围的影响极其显著，比如曲柄。（2）位置调节：用螺旋机构即可调节两个构件的相对位置。3原动机的选用表1常用原动机的类型及主要特点原动机类型主要特点三相异步电动机结构简单、价格便宜、体积小、运行可靠、维护方便、坚固耐用；能保持恒速运行及经受较频繁的启动、反转及制动；但启动转矩小，调速困难。一般机械系统中应用最多。同步电动机能在功率因子cos1的状态下运行，不从电网吸收无功功率，运行可靠，保持恒速运行；但结构较异步电动机复杂，造价较高，转速不能调节。适用于大功率离心式水泵和通风机等。直流电动机能在恒功率下进行调速，调速性能好，调速范围宽，启动转矩大；但结构较复杂、维护工作量较大、价格较高；机械特性较软、需直流电源。控制电动机能精密控制系统位置和角度、体积小、重量轻；具有宽广而平滑的调速范围和快速响应能力，其理想的机械特性和调速特性均为直线。广泛用于工业控制、军事、航空航天等领域。内燃机功率范围宽、操作简便、启动迅速；但对燃油要求高、排气污染环境、噪声大、结构复杂。多用于工程机械、农业机械、船舶、车辆等。液压马达可获得很大的动力和转矩，运动速度和输出动力、转矩调整控制方便，易实现复杂工艺过程的动作要求；但需要有高压油的供给系统，油温变化较大时，影响工作稳定性；密封不良时，污染工作环境；液压系统制造装配要求高。气动马达工作介质为空气，易远距离输送、无污染，能适应恶劣环境、动作速度快；但工作稳定性较差，噪声大；输出转矩不大，传动时速度较难控制。适用于小型轻载的工作机械。我们在课程设计中选择的原动机是三相交流异步电动机。根据传动系统的设计中的总传动比及分配问题，还有输出功率、效率计算确定电机的型号为Y2-112M-6。Y2-112M-6电机额定功率2.2kW,额定电流5.6A，转速940r/min，效率79%，转动惯量0.0138，参考质量45kg。4拟定传动系统方案传动系统的作用是实现增速、减速和变速，有时也用作实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动件的输出功率和转矩传递给执行机构。大多数情况是选择若干种传动装置或机构合理地加以组合配置，构成一个传动系统，才能实现预期的工作要求。传动类型选择原则执行系统的工况和工作要求与原动机的机械特性相匹配考虑工作要求传递的功率和运转速度有利于提高传递效率尽可能结构简单的单级传动装置考虑结构布置考虑经济性考虑机械安全运转条件原动机的转速为=940r/min，执行机构原动件的设计转速为=47r/min，则传动装置系统的总传动比为i==940/47=20传动装置或机构的传动比有i=··……且系统为减速传动时，宜使＜……，并使相邻两级传动比相差不要太大。故选择两级直齿圆柱齿轮传动，传动比分别为4和5，即i=·=4×5。5.绘制系统工作循环图1）选择定标构件。由于两执行构件的工作循环的周期是相同的，即在导杆机构的曲柄旋转360°的时间内完成一个工作循环。并且导杆机构的曲柄既是切削运动的执行机构的原动件又是工作台组合部分的运动源头，故选择曲柄作定标构件，显然是恰当的。2）作一圆环表示曲柄在一个工作循环中的转角，根据导杆机构的行程速比系数K，求出其极位夹角=36°，从而可将圆环分为两部分：圆环的上半部分的圆心角为180°+=216°，对应刨刀工作时曲柄的转角；下半部分表示刨刀空回行程时曲柄的转角。大小为144°。3）在前述圆环之外再画一圆环，表示进给运动组合部分中，曲柄摇杆机构的曲柄在一个工作行程中的转角。以内圆环中所表示的刨刀运动规律为基准，并在外环中安排好工作台停动时间所对应的曲柄的转角位置，则摇杆推动棘轮转动部分所对应的圆心角为180°-（）=140°，棘轮不动的时间所对应的圆心角为220°（包括凸轮的远休止、回程和近休止阶段）。那么，由此二圆环所组成的循环图可形象、准确地表示出对而执行构件之间运动协调配合的要求图2系统工作循环图6.机构尺度参数确定表2牛头刨床设计原始参数曲柄转速47机架390刨刀行程H390行程速比系数K1.50连杆与导杆之比0.27由以上结构运动简图可设CB长为、构件3的转角、构件4的转角、E点的线位移、AB杆长、CD杆长、DE杆长、CG杆长、CG的长度、构件1的转角。1、导杆的最大摆角∵K=1.50∴=2、AB杆长∵=36°=390mm∴=sin=120.5mm3、初始位置=90°-arctan=72.8°4、BC长由勾股定理知：=5、CD杆长∵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∴=6、CG杆长=+（-）/2=390mm7、DE杆长∵=0.27∴=0.25*638.47=170.4mm8、构件4的转角、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：=16.6mm=175.8°9、构件1的转角∵曲柄转速=47r/min∴=2*π*/60=5rad/s表3牛头刨床在初始位置参数X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7)X(8)X(9)X(10)（mm）（°）（°）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）408.372.8175.816.6120.5631170.4390615.557.主执行机构的运动分析（计算机编程）先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。其中共有四个未知量、、及。为求解需建立两个封闭矢量方程，为此需利用两个封闭图形ABCA及CDEGC，由此可得， (1-1)写成投影方程为： (1-2)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： (1-3)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式：(1-4)机构从动件的位置参数矩阵求导：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：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=[0.408372.8*pi/180175.8*pi/1800.01660.12050.6310.17040.3900.61550];%赋初值dr=pi/180;%度转化为弧度dth=10*dr;w1=5;%每10度计算一个点fori=1:37y=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)00;sin(theta3)s3*cos(theta3)00;0-x(6)*sin(theta3)-x(7)*sin(theta4)-1;0x(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)00;w3*cos(theta3)vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3)00;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：functiony=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whilenorm(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)00;sin(theta3)s3*cos(theta3)00;0-x(6)*sin(theta3)-x(7)*sin(theta4)-1;0x(6)*cos(theta3)x(7)*cos(theta4)0];dth=inv(J)*(-1.0*f);%计算增量，进行迭代，inv(J)为J的逆阵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;将程序输入matlab中就可得到E点的位移、速度和加速度的运动线图（图3、图4、图5）。图3位置线图图4速度线图图5加速度线图8.主执行机构的运动分析及动态静力分析（作图法）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。（令S3======）投影方程式为（1）（2）（3）（4）8.1主执行机构的速运动分析1.速度分析：（具体值及矢量图见A1号图）图解法验证当曲柄角度为60°时的运动分析：因构件1和2在B处的转动副相连，故，其大小等于，方向垂直于AB线。取构件2和3的重合点B进行速度分析。列速度矢量方程，得大小?√?方向√√√通过图解法可求得，B3点与D点同在构件3上，故则可求的D点速度。取4构件作为研究对象，列速度矢量方程，得大小?√?方向√√√再通过图解