牛头刨床刨刀的往复运动机构.doc

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1、,机械原理课程设计计算说明书课题名称： 牛头刨床刨刀的往复运动机构 姓 名： 院 别： 工学院 学 号： 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机设1201 指导教师： 2014年6月7日 工学院课程设计评审表学生姓名专业机械设计制造及其自动化年级2012级学号设计题目牛头刨床刨刀的往复运动机构评价内容评价指标 评分权值评定成绩业务水平有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计机构运动方案（或正确建立数学模型并运用matlab进行仿真）；对所设计机构的特定位置进行运动分析和动态静力分析。独立进行设计工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理设计数据；能对课题进行理论分析，

2、得出有价值的结论。40论文（设计说明书、图纸）质量论述充分，结论严谨合理；设计方法正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；图纸绘制符合国家标准；计算结果准确；工作中有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。40工作量、工作态度按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。20合计100指导教师评语 目 录1 设计任务书 4 1.1 设计题目 .4 1.2 牛头刨床简介 4 1.3 牛头刨床工作原理 4 1.4 设计要求及设计参数 6 1.5 设计任务 7 二导杆机构的设计及运动分析 8 2.1

3、 机构运动简图 8 2.2 机构运动速度多边形 9 2.3 机构运动加速度多边形 11三导杆机构动态静力分析 14 3.1 静态图 14 3.2 惯性力及惯性力偶矩 14 3.3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲柄平衡力 15心得与体会 21参考文献 .22 一、设计任务书1.1 设计题目：牛头刨床刨刀的往复运动机构1.2 牛头刨床简介：牛头刨床外形图 牛头刨床是用于加工中小尺寸的平面或直槽的金属切削机床，多用于单件或小批量生产。 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空

4、行程速度，即刨刀具有急回现象。刨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。1.3 牛头刨床工作原理： 牛头刨床是一种刨削式加工平面的机床，图1所示为较常见的一种机械运动的牛头刨床。电动机经皮带传动和两对齿轮传动，带动曲柄2和曲柄相固结的凸轮转动，由曲柄2驱动导杆23456，最后带动刨头和刨刀作往复运动。当刨头右行时，刨刀进行切削，称为工作行程。当刨头左行时，刨刀不切削，称为空回行程。当刨头在工作行程时，为减少电动机容量和提高切削质量，要求刨削速度较低，且接近于匀速切削。在空回行程中，为节约

5、时间和提高生产效率，采用了具有急回运动特性的导杆机构。此外，当刨刀每完成一次刨削后，要求刨床能利用空回行程的时间，使工作台连同工件作一次进给运动，以便于刨刀下一次切削。为此，该刨床采用凸轮机构，双摇杆机构经棘轮机构和螺旋机构（图中未示出），带动工作台作横向进给运动。 ABCxys5s3Xs5EDYS5123756n1FrYFr4图1 牛头刨床机构简图0.05H0.05HHScFmaxF图2刨刀阻力曲线 图3 曲柄位置图1.4 设计要求及设计参数： 设计要求：1、绘图问题 A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。 2、绘图要求 作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应 符合国家标准

6、。 3、计算说明书要求 计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。 设计参数：设计内容符号数据单位导杆的运动分析n160lAC380lAB110lCD540lDE0.25lCDLCs30.5lCDxs5240ys550导杆机构动态静力计算G3200G5700Fr7000yFr80Js31.11.5 设计任务： 用图解法对牛头刨床的连杆机构进行运动分析和动力分析。要求画出A1图纸一张，A2图纸一张，写出计算说明书一份。 二、导杆机构的设计及运动分析2.1 机构运动简图： 图2-1 机构运动简图 1.选方案，在连杆机构中，曲柄有30个连续等分130个位置（见图3），选取4位置进行设计及运动分

7、析，取长度比例尺=0.004.2.取构件2和导杆3垂直（即构件5在最左方）时为起始位置1，用量角器量取（4-1）12=36度，两个工作行程的极限位置1和，E点两极限位置如图虚线，极限位置距离h=312mm，机构运动简图如图2-1所示。2.2机构运动速度多边形： 图2-2 机构运动速度多边形 根据机构运动简图，进行速度分析：根据同一构件上相对速度原理列速度矢量方程式，得： B3=B3B2+B2大小 ? ? 方向 CB BC AB计算：n=60r/min=1r/s,=2n=2rad/s, B2=lAB=2rad/s0.11m=0.22m/s速度多边形：在图上任取速度极点P，速度比例尺v【=B2/P

8、b1=（0.22m/s）/120】=0.006(m/s)/mm，过点p作直线pb1（长度为120）垂直杆AB代表B2的方向线，过点p作垂直杆CB的直线，代表B3；再过点b1作直线平行于BC，代表B3B2的方向线，这两方向线交点为b3，则矢量pb3和b1b3分别代表B3和B3B2，其大小分别为： B3=vpb3=0.006(m/s)/mm62=0.37m/s B3B2=vb2b3=0.006(m/s)/mm101=0.6m/s. 根据影像相似原理求出D: CB/CD=pb3/pd,即106.5/135=62/pd,解得pd=78， D=vpd=0.006(m/s)/mm78=0.468 m/s方

9、向在pb3的延长线上。再根据同一构件上相对速度原理列速度矢量方程式，得 E= ED +D 大小 ? ? 方向 导路 ED CD速度多边形：pd=78，方向在pb3的延长线上，再过点P作水平线代表点E的速度方向，再过点d作杆ED的垂直线，这两方向线交于点e，则矢量pe和de分别代表E及ED，其大小分别为：E=vpe=0.006(m/s)/mm75=0.45m/sED =vde=0.006(m/s)/mm20=0.12m/s 因为4位置为工作行程，故刨头在此过程中匀速即：S5=E，根据重心得加速度影像相似原理求出S3： CS3/CD=PS3/Pd即67.5/135=PS3/78，解得PS3=39，

10、S3=vPS3=0.006(m/s)/mm39=0.234 m/s 方向在Pd上，机构运动速度多边形如图 2-2所示。2.3 机构运动加速度多边形：由理论力学可知，点B3的绝对加速度与其重合点B2的绝对加速度之间的关系为 an B3 + atB3 = a B2 + ak B3B2 + a rB3B2方向 B3C B3C B2A B3C B3C 大小 ? 23VB3B2 ? 计算:由图2-1 结构运动简图得: lB3C=106.5=106.50.004m/mm=426=0.426m ； 由图2-2 机构运动速度多边形求出: VB3=vpb3=0.06(m/s)/mm62mm=0.37m/s; 3

11、=v3/lb3c=(0.37m/s)/(0.426m)=0.87rad/s; 故an B3=23lB3C=(0.87rad/s)20.426m=0.32m/s2 =2n=2rad/s； lAB =110mm=0.11m 故 a B2 =（2rad/s）20.11m=4.34m/s2由图2-2机构运动速度多边形求出: VB3B2=vb2b3=0.006(m/s)/101mm=0.6m/s 故 ak B3B2=23VB3B2 =20.87rad/s0.6m/s=1m/s2 在一般情况下，a rB3B2=an B3B2 atB3B2,但是目前情况下，由于构件2和构件3组成移动副，所以an B3B2=

12、0，则 a rB3B2=atB3B2，其方向平行于相对移动方向；ak B3B2 是哥氏加速度，对于平面运动之内，ak B3B2=23VB3B2 哥氏加速度ak B3B2的方向是将VB3B2沿2的转动方向转90度（即图2-3中的bk的方向)，在上面的矢量方程式中只有atB3和a rB3B2 的大小为未知，故可用图解法求解。加速度多边形：从任意极点连续作矢量b2（120mm）和b2k代表a B2和ak B3B2，其加速度比例尺ua=a B2/b2=0.036（m/s2）/；再过作矢量b3代表an B3 ，然后过k作直线kb3平行于线段CB3代表a rB3B2 的方向线，并过点b3作直线b3b3垂直

13、于线段CB3 ，代表atB3的方向线，它们相交于点b3，则矢量b3便代表 aB3。机构运动加速度多边形如图2-3所示。 图2-3 机构运动加速度多边形由机构运动加速度多边形可求出：atB3=b3b3 ua =72.5 0.036（m/s2）/=2.61m/s2； a rB3B2=kb3 ua=550.036（m/s2）/=1.98m/s2再根据加速度影像相似原理，得：CB/CD=b3/d3 即106.5/135=72.5/d3 解得d3=93；CS3/CD=S3/d3 即67.5/135=S3/93 解得S3 =46.5；故 aD3=d3ua=930.036（m/s2）/=3.348m/s2；

14、 as3=S3ua=46.50.036（m/s2）/=1.674m/s2 因此位置为工作进程，故E点和重心S5点匀速前进，故无加速度。. 三导杆机构动态静力分析3.1 静态图 图3-1 机构位置状态图3.2 惯性力及惯性力偶矩 ：因重心S5无加速度，故S5点无惯性力Fi及惯性力偶矩Mi；下面求重心S3的惯性力Fi及惯性力偶矩Mi：惯性力： Fis3= -mas3 = -G3/gaS3= -G3/guaS3 =-（200N）/（9.8N/）【0.036（m/s2）/】46.5 = - 34N 方向：as=ans +ats，它决定了Fi的方向，因Fis3= -m3as3，故Fi3及Fi3的方向与图

15、2-3中的S3（代表as3的方向)的方向相反。惯性力偶矩：Mis3= -JS3S3 = -JS3（atCD/lCD） = -1.1(0.036（m/s2）/)93/0.54m= -6.28Nm作用线间距离为h：h=Mis3/Fi3=（-6.28Nm）/ （- 34N ）=200变速转动的构件都同时具有惯性力Fi和惯性力偶矩Mi，故它们均可用一等于Fi3的总惯性力Fi3来代替。按照比例尺=0.004.确定Fi3与Fi3之间的图上距离，将Fi3和Fi3在静力图上表示，如图3-1所示。3.3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲柄平衡力 ：将机构拆分成若干杆组，以基本杆组为研究对象，画出作

16、用在其上的所有外力。如图3-2（a）（b）（c）所示。 （a） （b） （c） 图3-2杆组拆分及静力分析将机构拆分为两个二级杆组，一个机架。图（a）：导杆4和刨头5为杆组，组成三个运动副（一个移动副和两个转动副E、D）。动力静态分析：杆件ED为二力杆，故在点D构件3对构件4的作用力R34方向在ED 的延长线上；刨头受到机架7竖直向上的压力R75，已知Fr及G5的方向和大小，R34和R75的方向已知，大小未知，故用力的封闭多边形来求解R34和R75的大小。力的封闭多边形：下面借助图3-2（a）来画力的封闭多边形。 图3-3 力的多边形首先确定力的比例尺F=Fr/100=7000N/100=70

17、N/,在图上任取一点a为起点，过a点向右作水平线长度为100至点b，代表Fr的大小和方向；然后过b点向下作竖直线长度为【G5/F=700N/（70N/）=】10至点c，代表G5的大小和方向；再过c点作平行于力R34方向线上的平行线，最后过a点作竖直线，这两条方向线相交于一点d，故有向线段cd代表力R34的大小和方向；有向线段da代表R75的大小和方向。故 R34 =lcdF=10070N/=7000N R75=ldaF=15.570N/=1085NGS5、Fr及R34的大小及受力位置已确定，而R75的大小已确定，位置未确定，这样下面确定刨头的受正压力R75的位置，利用合力偶矩等于零来求解。力矩

18、平衡： 在图3-2（a）中量得：hr=20；hG=60，对点E取矩，得： ME=0，FrhrG5hGR75h75=0 h75=（FrhrG5hG）/R75 =（7000N20700N60）/1085N =167所以Fr的位置距离点E长度为167处。图3-2（b）：导杆3与滑块2组成一个杆组和3个运动副（一个移动副和两个转动副）。动力静态分析：杆3的点D受到杆4的一个力，与R34大小相等，方向相反；距离重心位置h处受到一个总惯性力Fi3；受到杆1对滑块2的拉力F12；受到一个竖直向下的重力GS3；受到一个运动副反力Rc。R43、Fi3及GS3大小和方向已知，F12方向已知，大小未知；Rc大小及方

19、向均未知，所以，首先根据力矩平衡求出力F12的大小；然后根据力的封闭多边形求出力Rc的大小及方向。力矩平衡：MC=0,F12h12Gs3hGFi3hi3R43h43=0 F12=（Gs3hGFi3hi3R43h43）/h12 =(200N6434N4647000N516)/428=8506N力的封闭多边形：下面借助图3-2（b）来画力的封闭多边形。 力的比例尺和前面的一致F=Fr/100=7000N/100=70N/，由d点为起点作直线dc代表R43（与R34大小相等方向相反），然后过c点竖直向下作线段ce长度为（Gs3/F=）2.8，代表Gs3的大小及方向，Fi3=34N是比较小的力，在图上

20、无法表示，可忽略不画；过e点作力F12方向线上的平行线且长度为（F12/F=）121到f点，代表F12的大小和方向，最后连接点f和点d，有向线段fd代表Rc的大小和方向。 Rc =48F=4870N/=3360N对曲柄2进行动力静态分析：作组力体图如图3-2（c）所示，h2=15mm,则对曲柄列平衡方程有 M=0,F12h1-MA=0 即 MA=F12h1 =8506N0.15m =1275.9 Nm心得与体会 : 通过本次课程设计，对于机械运动学和动力学的分析与设计有了一个较完整的概念,也巩固了机械原理这门课重要的知识点。 同时，让我有了更深的体会：在作图及数据处理中，要高度认真分析和思考，

21、尽量减小误差，对于疑难问题自己要积极思考，与同学讨论，与指导老师及时交流，能够让接下来的工作更准确顺利地进行。在此过程需要不断学习新的知识，要能够静下心来深入研究，仔细钻研。这次课程设计，锻炼了我们的各项能力，锻炼了自主学习的能力和动手实践的能力，考验了我的耐心和细心。 总之，我们要不断提高自己，就要不断学习来充实自己，不断将知识用于实践，还要不断提高学习能力及其它各项能力。参考文献：1、 机械原理/孙恒，陈作模主编六版北京20012、 理论力学/哈尔滨工业大学理论力学研究室编六版北京2002.83、机械原理课程设计指导书/罗洪田主编北京1986.104、机械原理与课程设计 上册/张策主编北京2004.9