牛頭刨床刨刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書課題名稱： 牛頭刨床刨刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 姓 名： 院 別： 工學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)設(shè)1201 指導(dǎo)教師： 2014年6月7日 工學(xué)院課程設(shè)計(jì)評(píng)審表學(xué)生姓名專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化年級(jí)2012級(jí)學(xué)號(hào)設(shè)計(jì)題目牛頭刨床刨刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)內(nèi)容評(píng)價(jià)指標(biāo) 評(píng)分權(quán)值評(píng)定成績(jī)業(yè)務(wù)水平有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)；能正確設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案（或正確建立數(shù)學(xué)模型并運(yùn)用matlab進(jìn)行仿真）；對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的特定位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)靜力分析。獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題；能正確處理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；能對(duì)課題進(jìn)行理論分析，得

2、出有價(jià)值的結(jié)論。40論文（設(shè)計(jì)說明書、圖紙）質(zhì)量論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；設(shè)計(jì)方法正確，分析處理科學(xué)；文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；圖紙繪制符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確；工作中有創(chuàng)新意識(shí)；對(duì)前人工作有改進(jìn)或突破，或有獨(dú)特見解。40工作量、工作態(tài)度按期完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大；工作努力，遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。20合計(jì)100指導(dǎo)教師評(píng)語 目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 4 1.1 設(shè)計(jì)題目 .4 1.2 牛頭刨床簡(jiǎn)介 4 1.3 牛頭刨床工作原理 4 1.4 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù) 6 1.5 設(shè)計(jì)任務(wù) 7 二導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析 8 2.1

3、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 8 2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形 9 2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度多邊形 11三導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析 14 3.1 靜態(tài)圖 14 3.2 慣性力及慣性力偶矩 14 3.3 桿組拆分及用力多邊形和力矩平衡求各運(yùn)動(dòng)反力和曲柄平衡力 15心得與體會(huì) 21參考文獻(xiàn) .22 一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)題目：牛頭刨床刨刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1.2 牛頭刨床簡(jiǎn)介：牛頭刨床外形圖 牛頭刨床是用于加工中小尺寸的平面或直槽的金屬切削機(jī)床，多用于單件或小批量生產(chǎn)。 為了適用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主執(zhí)行構(gòu)件刨刀能以數(shù)種不同速度、不同行程和不同起始位置作水平往復(fù)直線移動(dòng)，且切削時(shí)刨刀的移動(dòng)速度低于空行

4、程速度，即刨刀具有急回現(xiàn)象。刨刀可隨小刀架作不同進(jìn)給量的垂直進(jìn)給；安裝工件的工作臺(tái)應(yīng)具有不同進(jìn)給量的橫向進(jìn)給，以完成平面的加工，工作臺(tái)還應(yīng)具有升降功能，以適應(yīng)不同高度的工件加工。1.3 牛頭刨床工作原理： 牛頭刨床是一種刨削式加工平面的機(jī)床，圖1所示為較常見的一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的牛頭刨床。電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)和兩對(duì)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)曲柄2和曲柄相固結(jié)的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由曲柄2驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿23456，最后帶動(dòng)刨頭和刨刀作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)刨頭右行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱為工作行程。當(dāng)刨頭左行時(shí)，刨刀不切削，稱為空回行程。當(dāng)刨頭在工作行程時(shí)，為減少電動(dòng)機(jī)容量和提高切削質(zhì)量，要求刨削速度較低，且接近于勻速切削。在空回行程中，為節(jié)約時(shí)

5、間和提高生產(chǎn)效率，采用了具有急回運(yùn)動(dòng)特性的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。此外，當(dāng)刨刀每完成一次刨削后，要求刨床能利用空回行程的時(shí)間，使工作臺(tái)連同工件作一次進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以便于刨刀下一次切削。為此，該刨床采用凸輪機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu)經(jīng)棘輪機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)（圖中未示出），帶動(dòng)工作臺(tái)作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 ABCxys5s3Xs5EDYS5123756n1FrYFr4圖1 牛頭刨床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖0.05H0.05HHScFmaxF圖2刨刀阻力曲線 圖3 曲柄位置圖1.4 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)要求：1、繪圖問題 A1圖紙一張，A1圖紙1張，繪圖工具一套。 2、繪圖要求 作圖準(zhǔn)確，布置勻稱，比例尺合適，圖面整潔，線條尺寸應(yīng) 符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

6、 3、計(jì)算說明書要求 計(jì)算程序清楚，敘述簡(jiǎn)要明確，文字通順，書寫端正。 設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)內(nèi)容符號(hào)數(shù)據(jù)單位導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)分析n160lAC380lAB110lCD540lDE0.25lCDLCs30.5lCDxs5240ys550導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力計(jì)算G3200G5700Fr7000yFr80Js31.11.5 設(shè)計(jì)任務(wù)： 用圖解法對(duì)牛頭刨床的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析。要求畫出A1圖紙一張，A2圖紙一張，寫出計(jì)算說明書一份。 二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖： 圖2-1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 1.選方案，在連桿機(jī)構(gòu)中，曲柄有30個(gè)連續(xù)等分130個(gè)位置（見圖3），選取4位置進(jìn)行設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

7、，取長(zhǎng)度比例尺=0.004.2.取構(gòu)件2和導(dǎo)桿3垂直（即構(gòu)件5在最左方）時(shí)為起始位置1，用量角器量?。?-1）×12=36度，兩個(gè)工作行程的極限位置1和，E點(diǎn)兩極限位置如圖虛線，極限位置距離h=312mm，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形： 圖2-2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形 根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，進(jìn)行速度分析：根據(jù)同一構(gòu)件上相對(duì)速度原理列速度矢量方程式，得： B3=B3B2+B2大小 ? ? 方向 CB BC AB計(jì)算：n=60r/min=1r/s,=2n=2rad/s, B2=×lAB=2rad/s×0.11m=0.22m/s速度多邊形：在圖上任取速

8、度極點(diǎn)P，速度比例尺µv【=B2/Pb1=（0.22m/s）/120】=0.006(m/s)/mm，過點(diǎn)p作直線pb1（長(zhǎng)度為120）垂直桿AB代表B2的方向線，過點(diǎn)p作垂直桿CB的直線，代表B3；再過點(diǎn)b1作直線平行于BC，代表B3B2的方向線，這兩方向線交點(diǎn)為b3，則矢量pb3和b1b3分別代表B3和B3B2，其大小分別為： B3=µv×pb3=0.006(m/s)/mm×62=0.37m/s B3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/mm×101=0.6m/s. 根據(jù)影像相似原理求出D: CB/CD=pb3/pd

9、,即106.5/135=62/pd,解得pd=78， D=µv×pd=0.006(m/s)/mm×78=0.468 m/s方向在pb3的延長(zhǎng)線上。再根據(jù)同一構(gòu)件上相對(duì)速度原理列速度矢量方程式，得 E= ED +D 大小 ? ? 方向 導(dǎo)路 ED CD速度多邊形：pd=78，方向在pb3的延長(zhǎng)線上，再過點(diǎn)P作水平線代表點(diǎn)E的速度方向，再過點(diǎn)d作桿ED的垂直線，這兩方向線交于點(diǎn)e，則矢量pe和de分別代表E及ED，其大小分別為：E=µv×pe=0.006(m/s)/mm×75=0.45m/sED =µv×de=0.00

10、6(m/s)/mm×20=0.12m/s 因?yàn)?位置為工作行程，故刨頭在此過程中勻速即：S5=E，根據(jù)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，S3=µv×PS3=0.006(m/s)/mm×39=0.234 m/s 方向在Pd上，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形如圖 2-2所示。2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度多邊形：由理論力學(xué)可知，點(diǎn)B3的絕對(duì)加速度與其重合點(diǎn)B2的絕對(duì)加速度之間的關(guān)系為 an B3 + atB3 = a B2 + ak B3B2 + a rB3B2方向 B3C B3C B2A B3C

11、B3C 大小 ? 23VB3B2 ? 計(jì)算:由圖2-1 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖得: lB3C=106.5=106.5×0.004m/mm=426=0.426m ； 由圖2-2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形求出: VB3=µv×pb3=0.06(m/s)/mm×62mm=0.37m/s; 3=v3/lb3c=(0.37m/s)/(0.426m)=0.87rad/s; 故an B3=23×lB3C=(0.87rad/s)2×0.426m=0.32m/s2 =2n=2rad/s； lAB =110mm=0.11m 故 a B2 =（2rad/s）2×

12、0.11m=4.34m/s2由圖2-2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度多邊形求出: VB3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/×101mm=0.6m/s 故 ak B3B2=23VB3B2 =2×0.87rad/s×0.6m/s=1m/s2 在一般情況下，a rB3B2=an B3B2 atB3B2,但是目前情況下，由于構(gòu)件2和構(gòu)件3組成移動(dòng)副，所以an B3B2=0，則 a rB3B2=atB3B2，其方向平行于相對(duì)移動(dòng)方向；ak B3B2 是哥氏加速度，對(duì)于平面運(yùn)動(dòng)之內(nèi)，ak B3B2=23VB3B2 哥氏加速度ak B3B2的方向是將VB3B2沿2的

13、轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)90度（即圖2-3中的b´k´的方向)，在上面的矢量方程式中只有atB3和a rB3B2 的大小為未知，故可用圖解法求解。加速度多邊形：從任意極點(diǎn)連續(xù)作矢量b´2（120mm）和b´2k´代表a B2和ak B3B2，其加速度比例尺ua=a B2/b´2=0.036（m/s2）/；再過作矢量b3代表an B3 ，然后過k´作直線k´b3平行于線段CB3代表a rB3B2 的方向線，并過點(diǎn)b3作直線b3b3垂直于線段CB3 ，代表atB3的方向線，它們相交于點(diǎn)b3，則矢量b´3便代表 aB3。機(jī)構(gòu)

14、運(yùn)動(dòng)加速度多邊形如圖2-3所示。 圖2-3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度多邊形由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度多邊形可求出：atB3=b3b3× ua =72.5 ×0.036（m/s2）/=2.61m/s2； a rB3B2=k´b3× ua=55×0.036（m/s2）/=1.98m/s2再根據(jù)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=d3×ua=93×0.036（m/s2）/=3.348m/s2；

15、as3=S3×ua=46.5×0.036（m/s2）/=1.674m/s2 因此位置為工作進(jìn)程，故E點(diǎn)和重心S5點(diǎn)勻速前進(jìn)，故無加速度。. 三導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析3.1 靜態(tài)圖 圖3-1 機(jī)構(gòu)位置狀態(tài)圖3.2 慣性力及慣性力偶矩 ：因重心S5無加速度，故S5點(diǎn)無慣性力Fi及慣性力偶矩Mi；下面求重心S3的慣性力Fi及慣性力偶矩Mi：慣性力： Fis3= -m×as3 = -G3/g×aS3= -G3/g×ua×S3 =-（200N）/（9.8N/）×【0.036（m/s2）/】×46.5 = - 34N 方向：as

16、=ans +ats，它決定了Fi的方向，因Fis3= -m3×as3，故Fi3及Fi3的方向與圖2-3中的S3（代表as3的方向)的方向相反。慣性力偶矩：Mis3= -JS3·S3 = -JS3×（atCD/lCD） = -1.1×(0.036（m/s2）/)×93/0.54m= -6.28N·m作用線間距離為h：h=Mis3/Fi3=（-6.28N·m）/ （- 34N ）=200變速轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件都同時(shí)具有慣性力Fi和慣性力偶矩Mi，故它們均可用一等于Fi3的總慣性力Fi3來代替。按照比例尺=0.004.確定Fi3與Fi3之

17、間的圖上距離，將Fi3和Fi3在靜力圖上表示，如圖3-1所示。3.3 桿組拆分及用力多邊形和力矩平衡求各運(yùn)動(dòng)反力和曲柄平衡力 ：將機(jī)構(gòu)拆分成若干桿組，以基本桿組為研究對(duì)象，畫出作用在其上的所有外力。如圖3-2（a）（b）（c）所示。 （a） （b） （c） 圖3-2桿組拆分及靜力分析將機(jī)構(gòu)拆分為兩個(gè)二級(jí)桿組，一個(gè)機(jī)架。圖（a）：導(dǎo)桿4和刨頭5為桿組，組成三個(gè)運(yùn)動(dòng)副（一個(gè)移動(dòng)副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、D）。動(dòng)力靜態(tài)分析：桿件ED為二力桿，故在點(diǎn)D構(gòu)件3對(duì)構(gòu)件4的作用力R34方向在ED 的延長(zhǎng)線上；刨頭受到機(jī)架7豎直向上的壓力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

18、封閉多邊形來求解R34和R75的大小。力的封閉多邊形：下面借助圖3-2（a）來畫力的封閉多邊形。 圖3-3 力的多邊形首先確定力的比例尺µF=Fr/100=7000N/100=70N/,在圖上任取一點(diǎn)a為起點(diǎn)，過a點(diǎn)向右作水平線長(zhǎng)度為100至點(diǎn)b，代表Fr的大小和方向；然后過b點(diǎn)向下作豎直線長(zhǎng)度為【G5/µF=700N/（70N/）=】10至點(diǎn)c，代表G5的大小和方向；再過c點(diǎn)作平行于力R34方向線上的平行線，最后過a點(diǎn)作豎直線，這兩條方向線相交于一點(diǎn)d，故有向線段cd代表力R34的大小和方向；有向線段da代表R75的大小和方向。故 R34 =lcd×µ

19、F=100×70N/=7000N R75=lda×µF=15.5×70N/=1085NGS5、Fr及R34的大小及受力位置已確定，而R75的大小已確定，位置未確定，這樣下面確定刨頭的受正壓力R75的位置，利用合力偶矩等于零來求解。力矩平衡： 在圖3-2（a）中量得：hr=20；hG=60，對(duì)點(diǎn)E取矩，得： ME=0，F(xiàn)r×hrG5×hGR75×h75=0 h75=（Fr×hrG5×hG）/R75 =（7000N×20700N×60）/1085N =167所以Fr的位置距離點(diǎn)E長(zhǎng)度為16

20、7處。圖3-2（b）：導(dǎo)桿3與滑塊2組成一個(gè)桿組和3個(gè)運(yùn)動(dòng)副（一個(gè)移動(dòng)副和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副）。動(dòng)力靜態(tài)分析：桿3的點(diǎn)D受到桿4的一個(gè)力，與R34大小相等，方向相反；距離重心位置h處受到一個(gè)總慣性力Fi3；受到桿1對(duì)滑塊2的拉力F12；受到一個(gè)豎直向下的重力GS3；受到一個(gè)運(yùn)動(dòng)副反力Rc。R43、Fi3及GS3大小和方向已知，F(xiàn)12方向已知，大小未知；Rc大小及方向均未知，所以，首先根據(jù)力矩平衡求出力F12的大??；然后根據(jù)力的封閉多邊形求出力Rc的大小及方向。力矩平衡：MC=0,F12×h12Gs3×hGFi3×hi3R43h43=0 F12=（Gs3×hGFi3×hi3R43h43）/h12 =(200N×6434N×4647000N×516)/428=8506N力的封閉多邊形：下面借助圖3-2（b）來畫力的封閉多邊形。 力的比例尺和前面的一致µF=Fr/100=7000N/100=70N/，由d點(diǎn)為起點(diǎn)作直線dc代表R43（與R34大小相等方向相反），然后過c點(diǎn)豎直向下作線段ce長(zhǎng)度為（Gs3/&#