1、*學院機械原理課程設計課程名稱 機械原理課程設計題目名稱 牛頭刨床 學生學院 * 專業班級 機械設計制造及其自動化*班 學 號 * 學生姓名 * 指導教師 * 日 期 2010-7-15 目錄機械原理課程設計0一、機械原理課程設計題目及要求11.工作原理12.設計要求13.設計數據（第一組數據）24.設計內容及工作量2二、連桿機構對比3第一個方案3第二個方案3第三個方案4三、機構運動尺寸4四、導桿機構的運動分析51.圖解法51）速度分析52）加速度分析72.解析法9五、導桿機構的動態靜力分析111.圖解法112.解析法14六、凸輪機構設計191)確定凸輪機構的基本尺寸192)凸輪廓線的繪制24

2、七、小結25參考文獻26一、機械原理課程設計題目及要求1.工作原理牛頭刨床是一種靠刀具的往復直線運動及工作臺的間歇運動來完成工件的平面切削加工的機床。圖1為其參考示意圖。電動機經過減速傳動裝置（皮帶和齒輪傳動）帶動執行機構（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0.05H的空刀距離，工作阻力F為常數；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，以便刨刀繼續切削。2.設計要求電

3、動機軸與曲柄軸2平行，刨刀刀刃E點與鉸鏈點C的垂直距離為50mm，使用壽命10年，每日一班制工作，載荷有輕微沖擊。允許曲柄2轉速偏差為±5。要求導桿機構的最大壓力角應為最小值；凸輪機構的最大壓力角應在許用值之內，擺動從動件9的升、回程運動規律均為等加速等減速運動。執行構件的傳動效率按0.95計算，系統有過載保護。按小批量生產規模設計。3.設計數據（第一組數據）導桿機構運動分析轉速n2(r/min)48機架lO2O4(mm)380工作行程H(mm)310行程速比系數K1.46連桿與導桿之比0.25導桿機構動態靜力分析工作阻力Fmax(N)4500導桿質量m4 (kg)20滑塊6質量m6

4、 (kg)70導桿4質心轉動慣量 Js4 (kg ·m2)1.1凸輪機構設計從動件最大擺角max15°從動件桿長 lO9D(mm)125許用壓力角 40°推程運動角 75°遠休止角 10°回程運動角 75°4.設計內容及工作量1. 根據牛頭刨床的工作原理，擬定23個其他形式的執行機構（連桿機構），并對這些機構進行分析對比。2. 根據給定的數據確定機構的運動尺寸。要求用圖解法設計，并將設計結果和步驟寫在設計說明書中。3. 導桿機構的運動分析。將導桿機構放在直角坐標系下，建立參數化的數學模型，編程分析出刨頭6的位移、速度、加速度及導桿4的

5、角速度和角加速度，畫出運動曲線，并打印上述各曲線圖。要求將主程序編制過程詳細地寫在說明書中。4. 導桿機構的動態靜力分析。通過建立機構仿真模型，并給系統加力，編制程序，打印外加力的曲線，并求出最大平衡力矩和功率。5. 凸輪機構設計。根據所給定的已知參數，確定凸輪的基本尺寸（基圓半徑ro、機架lo2o9和滾子半徑rr），并將運算結果寫在說明書中。將凸輪機構放在直角坐標系下，編制程序，求出凸輪機構的實際廓線，打印出從動件運動規律和凸輪機構仿真模型。6. 編寫設計說明書一份。應包括設計任務、設計參數、設計計算過程等。二、連桿機構對比第一個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1，機構具有確定的運動。此

6、方案以滑塊機構替代轉動機構，增加了摩擦，以曲柄機構帶動的刨刀需加一個較大的力，動力性能較差。第二個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1, 機構具有確定的運動。其沖擊振動較大，零件易磨損，維護較難，對設備要求較高，導致成本增加。第三個方案因為其自由度F=3*5-2*7=1, 機構具有確定的運動。與原方案相比，結構同樣簡單，但由于此方案中刨頭會受到曲柄轉動時向上的力，不利于力的傳動。三、機構運動尺寸1.導桿機構尺寸根據原始數據，行程速比系數K=1.46，則原動件桿4的極位夾角 曲柄2 導桿4 連桿5 2.機構簡圖最終算出各尺寸， 運用AutoCAD畫出機構簡圖四、導桿機構的運動分析1.圖解法1）

7、速度分析紅色實線表示機構的左右極限位置，黑實線為一般位置，。速度分析從A點開始，取重合點進行求解。已知點的速度：其方向垂直于,指向與的轉向一致。由運動合成原理可知，重合點有方向： 大?。?? ?取極點p，按比例尺作速度圖（與機構簡圖繪在同一圖樣上），如圖所示：求出構件4（3）的角速度和構件4上B點的速度以及構件4與構件3上重合點A的相對速度。因為導桿4角速度所以 對構件5上B、C點，列同一構件兩點間的速度矢量方程：方向： 大小： ? ?（滑塊6的速度）滑塊6位移 2）加速度分析由運動已知的曲柄上A()點開始，列兩構件重合點間加速度矢量方程，求構件4上A點的加速度。因為所以大小： ? ?方向：

8、A A /取極點，按比例尺作加速度圖（與機構簡圖和速度分析矢量圖繪在同一圖樣上），如圖所示：用影像原理求得構件4上B點和質心點的加速度和，用構件4上A點的切向加速度求構件4的角加速度。因為所以構件4的角加速度大小： ？ ？方向：/水平軸 CB 刨頭6的加速度 2.解析法通過Solidworks 及Cosmosmotion建立機構仿真模型, 可得出刨頭6的位移曲線圖刨頭6的速度曲線圖刨頭6的加速度曲線圖五、導桿機構的動態靜力分析1.圖解法首先依據運動分析結果，計算構件4的慣性力（與反向）、構件4的慣性力矩（與反向，逆時針）、構件4的慣性力平移距離（方位：向上）、構件6的慣性力（與反向）。1、取構

9、件5、6基本桿組為示力體因構件5為二力桿，只對構件6作受力分析即可，首先列力平衡方程：大?。?？ ？方向： /水平軸 /水平軸 /BC按比例尺作力多邊形，如圖，求出運動副反力和。2、取構件3、4基本桿組為示力體首先取構件4，對點列力矩平衡方程（反力的大小和方向為已知），求出反力：再對構件4列力平衡方程，按比例尺作力多邊形，如圖。求出機架對構件4的反力：大小： ？方向： /BC ？3、取構件2為示力體2.解析法1）通過SolidWorks 以及COSMOSMotion建立機構仿真模型，得出X方向上的切削力隨時間的變化曲線曲柄與機架的約束鉸鏈外的反作用力的X、Y方向的分量以及合力幅值曲柄與機架的約

10、束鉸鏈外的反作用力矩的幅值2）Excel解析法根據公式推導：通過Excel可得出角速度，角加速度，速度，加速度，位移，最大平衡力矩曲線，依次如下六、凸輪機構設計1)確定凸輪機構的基本尺寸選推桿的運動規律為二次多項式運動規律，即等加速等減速運動規律。其運動規律表達式為：等加速段： ()等減速段： ()由以上兩個表達式求得： () ()最大擺角時有： 如所示為擺桿盤形凸輪機構同向轉動的尖底擺桿盤形凸輪機構，當推程尖底與凸輪輪廓上任一點接觸時，擺桿擺角為為擺桿的初始擺角，P點為擺桿和凸輪的相對瞬心，此時機構的壓力角和傳動角如圖所示。由于擺桿和凸輪在瞬心點P的速度相等得：(a+OP) =OP， (1)

11、則 OP/(OP+a)= 。 (2)將(1)式分子分母同乘整理得：OP(1-)=a (3)由式(3)求出OP代入式(1)右邊得： a+OP=A/(1-) (4)在三角形AP中由正統定理有： (5)將式(4)代入式(5)中得： (6)用代入式(6)中得： (7)過點O作O/P，則，再由式(2)得 ，等式(7)正是的正弦定理。將等式(6)中的展開得：tan= (8)由等式(8)求得 (9)將代入式(9)得: (10)如果在圖中所示位置的接觸點處的壓力角正好滿足，比較式(10)和式(7)可知，直線便是在此位置時滿足式(10)以等到式成立的邊界。可以證明直線左邊的陰影所示區域為保證擺桿運動規律和擺桿長

12、度不變的a和的解域。在推程的各個位置都有這樣的解域，這些解域的交集便是推程時a和的解域。回程時， <0，壓力角a<0，傳力條件變成-tan，由此可導出滿足傳力條件性能的條件： (11)將代入式(11)得： (12)同理出可以求出回程時的a和的解域，推程和回程的解域的交集便是該凸輪機構保證傳力性能好的a和的解域，如圖所示的是一個用作圖法求出的同向型凸輪機構的a和的解域。由圖可知，的線圖是在擺桿的各個以A為圓心的以L=為半徑的圓弧線上取點如圖中，推程時沿著此位置時的擺桿直線內側量取線段，得，過作直線使之與直線傾斜角；同理，回程時也可沿著擺桿直線外側量取回程時的線段，得，作直線使之與直線

13、反向傾斜角。一般地,陰影區由多個位置時的邊界線圍成，顯然，選取的點數多，a和的解域就精確。這要，凸輪的轉動中心O可以在陰影區域內選擇，連接OA便得到待求的基本尺寸a=OA， 。如圖所示求得的機架長度a=145mm, 54mm。選取凸輪機構為滾子從動件凸輪機構。滾子半徑=(0.10.5) ，取=5.4mm。2)凸輪廓線的繪制選定角度比例尺，擺桿的角位移曲線，如圖所示，將其中的推程和回程角位移曲線橫坐標分成若干等分。選定長度比例尺，作以O為圓心以OB=為半徑的基圓；以O為圓心，以OA=a為半徑作反轉后機架上擺桿轉動中心的圓。自A點開始沿-方向把機架圓分成與圖中橫坐標相應的區間和等分，得點，再以為圓

14、心，以AB=L為半徑作弧與基圓交于點，得線段。自線段開始，分別作，使它們分別等于圖中對應的角位移，得線段。將點連成光滑曲線，它就是所求理論輪廓線。實際輪廓線可用前述滾子圓包絡線的方法作出，如圖所示。七、小結本次課程設計對我們來說是非常有意義的，通過這次課程設計，我們從中得到很多收益。雖然時間不到十天略顯得有點倉促一些，但每天都過得很充實的課程設計。由于我們的理論知識不夠扎實，再加上平時沒有什么設計經驗，一開始的時候有些手忙腳亂，不知從何入手。在大家的熱情幫助下，使我找到了信心。通過查閱很多相關文獻，一步一步做下去，不懂就找同學一起討論，克服了重重困難，但還是難免有疏忽或遺漏的地方。通過這次課程設計，對牛頭刨床的工作原理及其內部的傳動機構以及機構選型、運動方案的確定以及對導桿機構進行運動分析有了初步詳細精確話的了解，在此期間，也讓我們熟練了AutoCAD，也學了一下SolidWorks，更最重要的是讓我們鞏固了專業