牛頭刨床機構的分析與綜合

1、西南交通大學本科教學改革2011 級級號名業(yè)師 杉 導 年學姓專指機械原理課程設計說明書王和平機電一體化何俊2013年 12月機械原理課程設計任務書班 級 機電一班學生姓名王和平 學 號發(fā)題日期： 2013年9月20日完成日期： 12月10日題 目牛頭刨床機構的分析與綜合1、本設計的目的、意義機械原理課程設計是培養(yǎng)學生掌握機械系統(tǒng)運動方案設計能力的技術基礎課程，它是機械原理課程學習過程中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。 其目的是以機械原理課程的學習為基礎，進一步鞏固和加深所學的基本理論、基本概 念和基本知識，培養(yǎng)學生分析和解決與本課程有關的具體機械所涉及的實際問題的能 力，使學生熟悉機械系統(tǒng)設計的步驟及方

2、法，其中包括選型、運動方案的確定、運動 學和動力學的分析和整體設計等，并進一步提高計算、分析，計算機輔助設計、繪圖 以及查閱和使用文獻的綜合能力。2、學生應完成的任務本課程設計的任務是對牛頭刨床的機構選型、運動方案的確定；對導桿機構進行運動分析和動態(tài)靜力分析。并在此基礎上確定飛輪轉(zhuǎn)慣 量，設計牛頭刨床上的凸輪機構和齒輪機構。摘要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直線移動， 且切削時刨刀的移動速度低于空行程速度， 即刨刀具有急回現(xiàn)象

3、。 本文根據(jù)牛頭刨床這一特性， 設計了三種不同的機構， 通過對比分析， 選擇了酸菜動導桿機構和搖桿滑塊機構串聯(lián)而成的機構。 該方案傳力特性好， 機構系統(tǒng)所占空間小， 執(zhí)行件的速度在工作行程中變化也較緩慢。根據(jù)已給的數(shù)據(jù)算出符合運動條件的機構桿長， 凸輪基圓， 齒輪傳動比， 建立三維模型，用adms建模，得出位移線圖，速度線圖，再根據(jù)位移線圖利用反轉(zhuǎn)法求出 凸輪外形，并用 cad 畫出圖形關鍵字 ： 牛頭刨床桿長 凸輪 adams 線圖AbstractShaper is used for metal cutting machine tool plane machining of small si

4、ze 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 reciproca

5、ting linear motion,and the cutting speed is lower than the air speed planing planing tool, 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 mechanism formed by series connection mechanism. The force transmission characteristics, mechanism, small occupied space, the actuatorvelocity 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: shaper rod cam adams diagram TOC o 1-5 h z 第 1 章 緒論 1 HYPERL

8、INK l bookmark6 o Current Document 問題 的提出1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 本文研究的主要內(nèi)容、 目標與方法2第 2 章設計方案的確定 3備選 方案3方案 a3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 方案 b3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 方案 c4方案確定4 HYPERLINK l bookmark2

9、1 o Current Document 機構方案確定4 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 減速方案的確定4第 3 章 確 定 機 構 尺 寸 5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 根據(jù)所給數(shù)據(jù)確定 桿長5 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 建模6凸輪設計6原理6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 基圓半徑6第 4 章 運動 分析 及 公式 推理 7 HYPERLINK l bookmark38

10、o Current Document 導桿7第 5 章 靜力分析 9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 曲柄9導桿9滑塊 10連桿10第 6 章 分析結果 12位移線圖12速度線圖12加速度線圖13力矩變化曲線13 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 根據(jù)反轉(zhuǎn)法畫凸輪和滾子14結 論 1 5總結15參考 文獻16第1章緒論問題的提出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床，多用于單件或小批量生產(chǎn)。但現(xiàn)有的牛頭刨床，大都是結構復雜，笨重且精度不高，所以本文希望可以 設計一種結構簡單，符合

11、牛頭刨床運動的機構。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀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)行構件一刨刀 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直線移動， 且切削時刨刀的 移動速度低于空行程速度，即刨刀具有急回現(xiàn)象。刨刀可隨小刀架作不同進給量的垂 直進給；安裝工件的工作臺應具有不同進給量的橫向進給，以完成平面的加工，工作臺還應具有升降功能，以適應不同高度的工件加工。圖1-1為其參考示意圖。電動機經(jīng)過減速傳動裝置（皮帶和齒輪傳動）帶動執(zhí)行機構（導桿機構和凸輪機構）完成刨刀的往復運動和間歇移動。刨床工作時，刨頭6由曲柄2帶動右行，刨刀進行切削，稱為工作行程。在切削行程 H中，前后各有一段的空

12、刀距離，工作阻力F為常數(shù)；刨刀左行時，即為空回行程，此行程無工作阻力。 在刨刀空回行程時，凸輪8通過四桿機構帶動棘輪機構，棘輪機構帶動螺旋機構使工作臺連同工件在垂直紙面方向上做一次進給運動，以便刨刀繼續(xù)切削。圖1-2 （切削阻力變化圖）圖1-1本文研究的主要內(nèi)容、目標與方法本文根據(jù)牛頭刨床的特性，為了能設計出結構簡單，符合運動要求的結構，設計 了三種不同的機構，通過對比分析，選擇了導桿機構和搖桿滑塊機構串聯(lián)而成的機構。 該方案傳力特性好，機構系統(tǒng)所占空間小，執(zhí)行件的速度在工作行程中變化也較緩慢。根據(jù)已給的數(shù)據(jù)算出符合運動條件的機構桿長，凸輪基圓，齒輪傳動比，建立三維模型，用adams建模，得出

13、位移線圖，速度線圖，再根據(jù)位移線圖利用反轉(zhuǎn)法求 出凸輪外形，并用cad畫出圖形圖1-3 （牛頭刨床結構簡圖）第2章設計方案的確定備選方案方案a圖2-1 （方案a）如圖2-1,采用偏置曲柄滑塊機構。結構最為簡單，能承受較大載荷，但其存在 有較大的缺點。一是由于執(zhí)行件行程較大，則要求有較長的曲柄，從而帶來機構所需 活動空間較大；二是機構隨著行程速比系數(shù) K的增大，壓力角也增大，使傳力特性變 壞。方案b圖2-2 （方案b）如圖2-3,由曲柄搖桿機構與搖桿滑塊機構串聯(lián)而成。該方案在傳力特性和執(zhí)行 件的速度變化方面比方案（a）有所改進，但在曲柄搖桿機構 ABCD中，隨著行程速 比系數(shù)K的增大，機構的最大

14、壓力角仍然較大，而且整個機構系統(tǒng)所占空間比方案（a） 更大。方案c圖2-3 （方案c）如圖2-3,由擺動導桿機構和搖桿滑塊機構串聯(lián)而成。 該方案克服了方案（b）的 缺點，傳力特性好，機構系統(tǒng)所占空間小，執(zhí)行件的速度在工作行程中變化也較緩慢。 方案確定機構方案確定比較第1節(jié)三種方案，從全面衡量得失來看，方案（cM乍為刨削主體機構系 統(tǒng)較為合理。減速方案的確定構思一個合理的傳動系統(tǒng)。它可將電機的高速轉(zhuǎn)動（960轉(zhuǎn)/分）變換為執(zhí) 行機構的低速轉(zhuǎn)動。構思機構傳動方案時，能較為合理地分配各部分的傳動比， 最后 繪出機構傳動示意圖如圖2-4。Z1圖2-4 （機構傳動示意圖）因為執(zhí)行機構的低速轉(zhuǎn)動（49轉(zhuǎn)/

15、分）N=49*（23）*（812）=7841764所以取n=1000,滿載*$速為n=960所以總的減速比 為960/49=第3章確定機構的尺寸已知條件：刨刀的行程H=300 mm；行程速比系數(shù)K二;最大切削阻力Pr=4600;機架350mm；連桿與導桿之比為根據(jù)所給數(shù)據(jù)確定桿長極位夾角:導桿長度:連桿長度:lBO4LBC曲柄長度:k 11.4 1180 18030k 11.4 12 sin 20.3300 12 sin15580Lbc 0.3 580 174l AO2 lO2O4Sin350 sin15 91為了使機構在運動過程中具有良好的傳動力特性； 即要求設計時使得機構的最大 壓力角具有

16、最小，應此分析得出：只有將構件5即B點移到兩極限位置連線的中垂線 上，才能保證機構運動過程的最大壓力角具有最小值。分析如下：當導桿擺到左邊最大位置時，最大壓力角為 3,刨頭可能的最大壓力角位置是導桿B和，設壓力角為1 , 2 （見下圖）。根據(jù)幾何關系3 = - 1。由于2與1,B3呈背離關系，即2增加則13減小且3 1。則要使機構整體壓力最小,只要有2= 3,當刨頭處于導桿擺弧平1均置處=2,則arcsin 21 1bo4（1 cos）22lBC1 .yCO4 LbO4 LbO4（1 COS - ）580221,”580（1 cos15） 58029.9 570.1圖3-1 （牛頭刨床簡圖）建

17、模根據(jù)已知數(shù)據(jù)和求出的數(shù)據(jù)用 solidworks建模如圖3-2圖 3-2 （solidworks 建模）（為原繞凸輪軸心09相對機架擺凸輪設計原理設計凸輪輪廓依據(jù)反轉(zhuǎn)法原理。即在整個機構加上公共角速度（- 凸輪旋轉(zhuǎn)角速度）后，將凸輪固定不動，而從動件連同機架將以（一） O2逆時針方向反轉(zhuǎn)，與此同時，從動件將按給定的運動規(guī)律繞其軸心動，則從動件的尖頂在復合動中的軌跡就是要設計的凸輪輪廓?；鶊A半徑基圓半徑受到以下三方面的限制：基圓半徑r0應大于凸輪軸的半徑rs；應使機構的最大壓力角a max小于或等于許用壓力角a；應使凸輪實際廓線的最小曲率半徑大于許用值，即p smin pRominds tan

18、,_ _ _ 、 _ _一一 一 _ _ _ _ _ _ _ _(ds/d )ptan (ds/d ) tan (S S )tan tane0pptan tan最后得到的數(shù)據(jù)如表3-1表3-1求得數(shù)據(jù)表符 號巾maxlO9DlO9O2rorts，單 位0mm0數(shù) 據(jù)151261506115701070第4章運動分析及公式推理導桿的運動分析要求：導桿機構的運動分析。根據(jù)已定出的尺寸參數(shù)及原動件轉(zhuǎn)速 n,用解析法 求出當曲柄轉(zhuǎn)角8 1從刨頭處于最左側起，沿轉(zhuǎn)動方向沒隔10度計算一組運動參數(shù)， 其中包括各構件的角位置，角速度，角加速度以及刨頭的位移（以最左側為零點），速度和加速度；并用計算機輔助設計

19、在同一副圖中繪出刨頭的位移曲線， 速度曲線和 加速度曲線，并分析結果合理性步驟：圖4-2 （運動分析簡圖）如圖4-2,建立一直角坐標系，并標出各桿矢及其方位角由封閉形O2AO402可得：17 l2 s4分別在X, Y軸上投影可得:12 cos 2 s4 cos 417 Lsin 2S4sin 4由封閉圖形O2BCGO2可得:分別在X, Y軸上投影得；聯(lián)解(1) (2) (3) (4)得:4 =arctan1712sin 212 cos 24 = + arctan 17-1212 cos 2.一 17 人所5=arcsin -15.一 17in5= - arcsin -15141517 sc(7

20、14 cos 4 15cos 5 空14sin 4 15sin 51702 0, /23/202 /2,32 02 0,/ 23/202 /2,32 (17為機架)為。4 G的距離),2 ,2C 點的位移:sc= 14 cos O4+ 15cos 05C點的速度：Vc =4L4sin( 4cos 55)C點加速度:ac =4l4sin( 45)24 L4 COS( 45)5 L5cos 5第5章靜力分析曲柄圖5-1 （曲柄受力圖）Fx0F21xF02x0Fy0F21yF02y。M020F2ixliSin 2-F21yllCOS 2 -Tn0導桿圖5-2 （導桿受力圖）圖5-4 （連桿受力圖）圖

21、5-4 （連桿受力圖）Fx=0,Fy=0,M 04 =0, 滑塊F04x + F43x-F23Sin 04 =0 ；F04y+F43y + F23 COS 04 m 2 g = 0； F43xl3Sin 04 + F43y 13cos 04-1/2 m2 g 13 cos 03+ F23 s3=0F32 sin 03 F23x =0 F32 cos 84-F12y =0oa Fx=0,oa Fy =0,連桿圖6-2 （速度曲線）aoaoafx =0,Fy =0,M04=0，綜上所述聯(lián)立方程求得-F34x -Fmax=0；F cy -F34 y =0；Fcy 14 cos 05+ FmaxUsi

22、n 05=0Fcy =- Fmaxtan 05F34y=- Fmax tan 05F23= (Fmax 13sin 84- Fmax tan 8513cos04+1/2 m2g 13cos04) / s3Fo4x=- Fmax + (Fmax 3$訪 04- Fmax tan 85 13 cos 04 +1/2 m2g 13 cos 04 ) sin a / s3F O4y = m 2 g- Fmax tan 85 - ( Fmax 1 3 sin 84 - F max tan 85 13 cos 04 +1/2 m 2 g13cos 04 ) cos 04/ s3F12x =- ( Fmax

23、 13sin 04- Ftanl 85 13 cos 04 +1 max /2 m2g 13 cos 04 ) sin 04/ s3F12y = (Fmax 13sin - Fmaxtan 05 13cos04 +1/2 m2g 13cos04) cos04/ s3Fo2x = F12xFo2y = F12yTn= (FmaxUsin 04- Fmax tan 85 13 cos 04 +1/2 m2g 13cos 04 ) 11cos( 02 - 04)/ s3第6章分析結果刨頭的位移曲線圖6-1 （位移曲線）刨頭的速度曲線刨頭的加速度曲線平衡力矩的變化曲線平衡力矩的變化曲線Tn圖6-4 （平衡力矩曲線）圖6-6 （凸輪實際輪廓）圖6-6 （凸輪實