牛头刨床刨刀的往复运动机构.pdf

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1、牛头刨床刨刀的往复运动机构Last revision on 21 December 2020机械原理课程设计机械原理课程设计计算说明书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工学院课程设计评审表学生姓名设计题目评价内容专业机械设计制造及其自动化年级20122012级级学号牛头刨床刨刀的往复运动机构评价指标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

2、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，得出有价值的结论。评分评定权值成绩业务水平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。按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，40工作量、遵守纪律；工作作风严谨务实。工作态度合计20100指导教师评语目目 录录一设计任务书一设计任务书 4 4设计题目.4牛头刨床简介 4牛头刨床工

3、作原理4设计要求及设计参数6设计任务7二导杆机构的设计及运动分析二导杆机构的设计及运动分析8 8机构运动简图 8机构运动速度多边形 9机构运动加速度多边形 11三导杆机构动态静力分析三导杆机构动态静力分析1414静态图 14惯性力及惯性力偶矩 14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心得与体会心得与体会 21 21参考文献参考文献 .22 .22一、设计任务书一、设计任务书设计题目：牛头刨床刨刀的往复运动机构设计题目：牛头刨床刨刀的往复运动机构牛头刨床简介：牛头刨床简介：牛头刨床外形图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

4、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。牛头刨床工作原理：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

5、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。y5Xs5D2 BYS5E4s5n1A7Fr6YFr1s33Cx图图 1 1 牛头刨床机构简图牛头刨床机构简图FFmaxScH图图 2 2刨刀阻力曲线刨刀阻力曲

6、线图图 3 3 曲柄位置图曲柄位置图设计要求及设计参数：设计要求及设计参数：设计要求：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。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：设计参数：设计内容符号n1lAClABlCDlDELCs3xs5ys5G3G5FryFrJs3数据6038011054024050200700700080单位导杆的运动分析导杆机构动态静力计算设计任务：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

7、，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二、导杆机构的设计及运动分析机构运动简图：机构运动简图：图图 2-12-1 机构运动简图机构运动简图1.选方案选方案，在连杆机构中，曲柄有 30 个连续等分 130 个位置（见图m/s3），选取选取 4 4 位置位置进行设计及运动分析，取长度比例尺l=.mm2.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18，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。机构运动速度多边形：机构运动速度多边形：

8、图图 2-22-2 机构运动速度多边形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：B3B3=B3B2B3B2+B2B2大小大小方向方向CBCBBCBCABAB计算：计算：n=60r/min=1r/s,n=60r/min=1r/s,=2=2n=2n=2rad/s,rad/s,B2B2=l lABAB=2=2rad/srad/s=m/sm/s速度多边形：速度多边形：在图上任取速度极点 P，速度比例尺v v【=B2B2/PbPb1 1=（m m/s s）/120120】=(m/s)/mm=(m/s)/mm，过点 p 作直线pb1（长度为 120）

9、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：B3B3=v vpbpb3 3=(m/s)/mm=(m/s)/mm6262=s=sB3B2B3B2=v vb b2 2b b3 3=(m/s)/mm=(m/s)/mm101101=s.=s.根据影像相似原理求出D D:CB/CD=pbCB/CD=pb3 3/pd,/pd,即 135=62/pd135=62/pd,解得 pd=78pd=78，D D=v vpd=(m/s)/mmpd=(

10、m/s)/mm7878=m/s=m/s方向在 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 E=EDED+D D大小大小方向方向导路导路EDEDCDCD速度多边形：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 E=pe=(m/s)/mmpe=(m/s)/mm7575=s=sEDED=de=(m/s)/mmde=(m/s)/mm2020=s=sv vv v因为 4 位置为工作行程，故刨头在此过程中匀速即：S5=E，

11、根据重心得加速度影像相似原理求出S3：CS CS3 3/CD=PS/CD=PS3 3/Pd/Pd 即即/135/135=PS=PS3 3/78/78，解得 PSPS3 3=39=39，S3S3=PSPS=(m/s)/mm=(m/s)/mm3939=m/s=m/sv v3 3方向在 Pd 上，机构运动速度多边形如图 2-2 所示。机构运动加速度多边形：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a a B3 B3+a aB3B3=a a B2 B2+a an nt tk kB3B2B3B2 +a ar rB3B2B3B2方向方向 B B3 3

12、C CB B3 3C BC B2 2A AB B3 3C CB B3 3C C大小大小2 23 3VB3B2VB3B2计算计算:由图2-1 结构运动简图得:l lB3CB3C=l=mm=426mm=426=；由图2-2 机构运动速度多边形求出:V VB3B3=v vpbpb3 3=(m/s)/mm=(m/s)/mm62mm=s;62mm=s;3 3=v v3 3/l lb b3 3c c=s)/=s;=s)/=s;a an nB3B3=故3 3l lB3CB3C=s)=s)=s=s2 22 22 2=2=2n=2n=2rad/srad/s；l lABAB=110mm=110mm=故a a B2

13、 B2=（2 2rad/srad/s）2 2=s=s2 2由图2-2机构运动速度多边形求出:V VB3B2B3B2=v vb b2 2b b3 3=(m/s)/=(m/s)/101mm=s101mm=s故故a ak kB3B2B3B2=2 2V V3 3B3B2B3B2=2=2s ss=1m/ss=1m/s2 2=an B3B2在一般情况下，arB3B2atB3B2,但是目前情况下，由于构件2和构=atB3B2，件3组成移动副，所以a向；akn B3B2=0，则arB3B2其方向平行于相对移动方 B3B2是哥氏加速度，对于平面运动之内，B3B2的方向是将a B3B2=23VB3B2哥氏加k速度

14、akVB3B2沿2的转动方向转90度（即图2-3中的 bktrB3B2的方向)，在上面的矢量方程式中只有aB3和a图解法求解。的大小为未知，故可用加速度多边形：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akB3B2，其加速度比例尺n B3，ua=a B2/b2=（m/s）/；再过作矢2量b3代表a然后过 k作直线 kb3平行于线段 CB3代表atrB3B2的方向线，并过点 b3作直线 b3b3垂直于线段 CB3，代表aB3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。图图2-32-3 机构运动加速度多边形机构运动加速

15、度多边形由机构运动加速度多边形可求出：a aB3B3=b=b b b u ua a=（m/sm/s）/=s=s；a ar rB3B2=B3B2=k kb b3 32 22 23 33 3t tu ua a=55=55（m/sm/s2 2）/=s=s2 2再根据加速度影像相似原理，得：CB/CD=CB/CD=b b3 3/d d3 3即即/135/135=/d d3 3解得解得d d3 3=93=93；CSCS3 3/CD=/CD=S S3 3/d d3 3即即/135/135=S S3 3/93/93 解得解得S S3 3=；故a aD3D3=d d3 3 u ua a=93=93 （m/sm

16、/s2 2）/=s=s2 2；a as s3 3=S S3 3 u ua a=（m/sm/s2 2）/=s=s2 2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三导杆机构动态静力分析静态图静态图图图 3-13-1 机构位置状态图机构位置状态图惯性力及惯性力偶矩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：惯性力：FiFis3s3=-m m a as3s3 =-G-G3 3/g/ga aS3S3=-=-G G3 3/g/gu ua aS S3 3=-=

17、-（200N200N）/（）【（）【（m/sm/s2 2）/】=-34N =-34N方向：as=ans+as，它决定了 Fi 的方向，因Fis3=-m3as3，故Fi3及tFi3的方向与图 2-3 中的S3（代表 as3 的方向)的方向相反。惯性力偶矩：惯性力偶矩：MiMis3s3=-J-JS3S3S3S3=-J-JS3S3（a aCDCD/l lCDCD）t t =（m/sm/s2 2）/)9393/=m m作用线间距离为 h：h=Mih=Mis3s3/F/Fi3i3=（m m）/（-34N-34N）=200=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

18、m/s于 Fi3的总惯性力 Fi3来代替。按照比例尺l=.确定 Fi3与 Fi3之mm间的图上距离，将 Fi3和 Fi3在静力图上表示，如图 3-1 所示。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力：将机构拆分成若干杆组，以基本杆组为研究对象，画出作用在其上的所有外力。如图 3-2（a）（b）（c）所示。（a a）（b b）（c c）图图 3-23-2 杆组拆分及静力分析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（图（a 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

19、静态分析：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：力的封闭多边形：下面借助图 3-2（a）来画力的封闭多边形。图图3-33-3 力的多边形力的多边形首先确定力的比例尺F=Fr/100=7000N/100=70N/,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/

20、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R R3434=l=lcdcdF F=100=100 70N/70N/=7000N=7000N R R7575=l=ldadaF F=70N/70N/=1085N=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。力矩平衡：力矩平衡：

21、在图 3-2（a）中量得：hr=20；hG=60，对点 E 取矩，得：M ME E=0=0，FrFrhrhrG G5 5h hG GR R7575h h7575=0=0 h h7575=（FrFrhrhrG G5 5h hG G）/R/R7575=（7000N7000N2020 700N700N6060）/1085N/1085N =167 =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：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

22、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：力矩平衡：M MC C=0,F=0,F1212h h1212G Gs3s3h hG GF Fi3i3h hi3i3R R4343h h4343=0=0 F F1212=（G Gs3s3h hG GF Fi3i3h hi3i3R R4343h h4343）/h/h1212

23、=(200N =(200N6464 34N34N464464 7000N7000N516516)/428)/428=8506N=8506N力的封闭多边形：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 F=Fr/100=Fr/100=7000N/100=7000N/100=70N/=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=），代表 Gs3的大小及方向，Fi3=34N 是比较小的力，在图上无法表示，可忽略不画；过e 点作力 F12方向线上的平行线且长度为（F12

24、/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=48 Rc=48F F=48=48 70N/70N/=3360N=3360N对曲柄对曲柄 2 2 进行动力静态分析：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,FM=0,F1212h h1 1-M-MA A=0=0即 M MA A=F=F1212h h1 1 =8506N =8506N =N =Nm m心得与体会心得与体会: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

25、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，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：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京3、机械原理课程设计指导书/罗洪田主编北京4、机械原理与课程设计 上册/张策主编北京