牛頭刨床課程設計

1、<p><b>　　機械原理</b></p><p><b>　　課程設計(論文)</b></p><p>　　題　目: 牛頭刨床課程設計 </p><p>　　學生姓名 </p><p>

2、　　專 業(yè)_ 機械類 </p><p>　　學 號_ </p><p>　　班 級_ </p><p>　　指導教師

3、 </p><p>　　成 績_ </p><p>　　2013 年 7 月</p><p><b>　　目 　　 錄</b></p><p>　　1.引言 ……………………………………………………………………………………….</

4、p><p>　　2. 機構的選型 ………………………………………………………………………………</p><p>　　2.1 主執(zhí)行機構的選型 .………………………………………………………………</p><p>　　2.2 輔助執(zhí)行機構的選型……………………………………………………………...</p><p>　　3. 原動機的選用………………

5、……………………………………………………………..</p><p>　　4. 擬定傳動系統(tǒng)方案……………………………………………………………………….</p><p>　　5. 繪制系統(tǒng)工作循環(huán)圖……………………………………………………………………</p><p>　　6. 機構尺度參數確定……………………………………………………………………….</p>

6、<p>　　7. 主執(zhí)行機構的運動分析（計算機編程）……………………………………………</p><p>　　8. 主執(zhí)行機構的運動分析及動態(tài)靜力分析（作圖法）………………………………</p><p>　　8.1 主執(zhí)行機構的運動分析………………………………………………………….</p><p>　　8.2 主執(zhí)行機構的動態(tài)靜力分析………………………

7、………………………………….</p><p>　　9. 凸輪機構的曲線設計………………………………………………………………………</p><p>　　9.1 凸輪機構位移曲線的設計………………………………………………………….</p><p>　　9.2 凸輪機構輪廓曲線的設計………………………………………………………….</p><p>

8、;　　10.飛輪設計和原動機功率的校核 ………………………………………………….</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………………………</p><p>　　機械原理課程設計任務書</p><p>　　說明：1.此表由指導教師完成，用計算機打?。ˋ4紙）。</p><p>　　2.請將機械設計課程

9、設計任務書裝訂在機械設計課程設計(論文)的第一頁。.</p><p><b>　　牛頭刨床設計</b></p><p>　　西南大學工程技術學院，重慶 400716</p><p><b>　　1. 引言：</b></p><p>　　牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機床。刨床工作時, 如圖(1-1

10、）所示，由導桿機構2-3-4-5-6帶動刨頭6和刨刀7作往復運動。刨頭右行時，刨刀進行切削，稱工作行程，此時要求速度較低并且均勻；刨頭左行時，刨刀不切削，稱空回行程，此時要求速度較高，以提高生產率。為此刨床采用有急回作用的導桿機構。刨頭在工作行程中，受到很大的切削阻力，而空回行程中則沒有切削阻力。切削阻力如圖(b）所示。</p><p><b>　　設計數據：</b></p>

11、<p><b>　　2 機構的選型</b></p><p>　　2.1 主執(zhí)行機構的選型</p><p>　　牛頭刨床是一個復雜的系統(tǒng)，需要結合課程設計的特點。課程設計要求主執(zhí)行機構實現刨刀往復運動。下面幾種機構都能夠實現刨刀的往復運動。</p><p>　　方案一 方案二

12、 方案三</p><p>　　方案四 方案五 方案六</p><p>　　圖1 主執(zhí)行機構選型</p><p>　　所選擇的機構要滿足以下要求：</p><p>　　工作行程大：要求機構是行程擴大機

13、構；</p><p>　　工作阻力較大：要求機構在具體較大的力增益的區(qū)間工作；</p><p>　　正向運動的大部分時間有工作阻力：要求機構在具有急回特性；</p><p>　　正向運動的極短時間有工作阻力：要求機構在具有較大的力增益的區(qū)間工作。</p><p>　　根據設計任務書要求，對牛頭刨床的行程急回特性、受力以及運動規(guī)律等方面要求進行

14、綜合考慮，主執(zhí)行機構型式應該選擇方案一較合理。</p><p>　　2.2 輔助執(zhí)行機構的選型</p><p>　　輔助執(zhí)行機構的指控制工件運動的機構（如工作臺進給機構、送料機構）和調節(jié)機構（如行程調節(jié)機構和位置調節(jié)機構）。</p><p>　　2.2.1控制工件運動的輔助執(zhí)行機構的選型</p><p>　　課程設計中控制工件運動的輔助執(zhí)行機

15、構的選型應該考慮一下幾點：</p><p>　　（1）與主執(zhí)行機構有著相同的工作周期。這就要求輔助執(zhí)行機構與主執(zhí)行機構的運動嚴格協調，這就意味著輔助執(zhí)行機構與主執(zhí)行機構盡量用同一個原動件。</p><p>　?。?）輔助執(zhí)行機構是“將連續(xù)轉動轉換成間歇運動”機構。間歇運動時《機械原理》中“其他常用機構”章節(jié)的內容。間歇運動機構有：間歇滾輪傳動機構、棘輪機構、推勾式送料機構。</p&g

16、t;<p>　　2.2.2調節(jié)機構的選型</p><p>　?。?）行程調節(jié)：行程調節(jié)機構是完成“執(zhí)行構件行程能在一定范圍內人工無級調整”這一功能的機構。理論上，“將連續(xù)轉動轉換成往復運動”的四桿機構都可以“通過適當調節(jié)桿長來改變輸出構件的行程”。用螺旋機構就能改變桿長。有些構建桿長的變化對輸出運動范圍的影響極其顯著，比如曲柄。</p><p>　?。?）位置調節(jié)：用螺旋機構

17、即可調節(jié)兩個構件的相對位置。</p><p><b>　　3 原動機的選用</b></p><p>　　表1 常用原動機的類型及主要特點</p><p>　　我們在課程設計中選擇的原動機是三相交流異步電動機。根據傳動系統(tǒng)的設計中的總傳動比及分配問題，還有輸出功率、效率計算確定電機的型號為Y2-112M-6。</p><p

18、>　　Y2-112M-6電機額定功率2.2kW,額定電流5.6A，轉速940r/min，效率79%，轉動慣量0.0138，參考質量45kg。</p><p>　　4 擬定傳動系統(tǒng)方案</p><p>　　傳動系統(tǒng)的作用是實現增速、減速和變速，有時也用作實現運動形式的轉換，并且在傳遞運動的同時，將原動件的輸出功率和轉矩傳遞給執(zhí)行機構。大多數情況是選擇若干種傳動裝置或機構合理地加以組合

19、配置，構成一個傳動系統(tǒng)，才能實現預期的工作要求。</p><p><b>　　傳動類型選擇原則</b></p><p>　　執(zhí)行系統(tǒng)的工況和工作要求與原動機的機械特性相匹配</p><p>　　考慮工作要求傳遞的功率和運轉速度</p><p><b>　　有利于提高傳遞效率</b></p>

20、;<p>　　盡可能結構簡單的單級傳動裝置 </p><p><b>　　考慮結構布置</b></p><p><b>　　考慮經濟性</b></p><p>　　考慮機械安全運轉條件</p><p>　　原動機的轉速為=940r/min，執(zhí)行機構原動件的設計轉速為=47r/min，則

21、傳動裝置系統(tǒng)的總傳動比為</p><p>　　i==940/47=20</p><p>　　傳動裝置或機構的傳動比有</p><p><b>　　i=··……</b></p><p>　　且系統(tǒng)為減速傳動時，宜使＜……，并使相鄰兩級傳動比相差不要太大。</p><p>　　故選

22、擇兩級直齒圓柱齒輪傳動，傳動比分別為4和5，即i=·=4×5。</p><p>　　5.繪制系統(tǒng)工作循環(huán)圖</p><p>　　1）選擇定標構件。由于兩執(zhí)行構件的工作循環(huán)的周期是相同的，即在導桿機構的曲柄旋轉360°的時間內完成一個工作循環(huán)。并且導桿機構的曲柄既是切削運動的執(zhí)行機構的原動件又是工作臺組合部分的運動源頭，故選擇曲柄作定標構件，顯然是恰當的。<

23、;/p><p>　　2）作一圓環(huán)表示曲柄在一個工作循環(huán)中的轉角，根據導桿機構的行程速比系數K，求出其極位夾角=36°，從而可將圓環(huán)分為兩部分：圓環(huán)的上半部分的圓心角為180°+=216°，對應刨刀工作時曲柄的轉角；下半部分表示刨刀空回行程時曲柄的轉角。大小為144°。</p><p>　　3）在前述圓環(huán)之外再畫一圓環(huán)，表示進給運動組合部分中，曲柄搖桿機構

24、的曲柄在一個工作行程中的轉角。以內圓環(huán)中所表示的刨刀運動規(guī)律為基準，并在外環(huán)中安排好工作臺停動時間所對應的曲柄的轉角位置，則搖桿推動棘輪轉動部分所對應的圓心角為180°-（）=140°，棘輪不動的時間所對應的圓心角為220°（包括凸輪的遠休止、回程和近休止階段）。那么，由此二圓環(huán)所組成的循環(huán)圖可形象、準確地表示出對而執(zhí)行構件之間運動協調配合的要求</p><p>　　圖2 系統(tǒng)工作

25、循環(huán)圖</p><p>　　6.機構尺度參數確定</p><p>　　表2 牛頭刨床設計原始參數</p><p>　　由以上結構運動簡圖可設CB長為、構件3的轉角、構件4的轉角、E點的線位移、AB桿長、CD桿長、DE桿長、CG桿長、CG的長度、構件1的轉角。</p><p><b>　　1、導桿的最大擺角</b><

26、;/p><p><b>　　∵ K=1.50</b></p><p><b>　　∴ =</b></p><p><b>　　2、AB桿長</b></p><p>　　∵=36°=390mm</p><p>　　∴=sin=120.5mm</

27、p><p><b>　　3、初始位置</b></p><p>　　=90°-arctan=72.8°</p><p><b>　　4、BC長</b></p><p><b>　　由勾股定理知：=</b></p><p><b>

28、　　5、CD桿長</b></p><p>　　∵刨刀行程為H，又為使RRP桿組的壓力角較小，滑塊5的導路與D在兩極位位置處的連線的距離應等于導路線與D所在弧線水平線的距離，以此可確定CD桿長</p><p><b>　　∴=</b></p><p><b>　　6、CG桿長</b></p><

29、;p>　　=+（-）/2=390mm</p><p><b>　　7、DE桿長</b></p><p><b>　　∵=0.27</b></p><p>　　∴=0.25*638.47=170.4mm</p><p>　　8、構件4的轉角、E點的線位移</p><p>

30、;　　由上結構運動簡圖建立一直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。所以為此我們可利用封閉圖形CDEGC，由此可得：</p><p><b>　　寫成投影方程為:</b></p><p>　　由以上兩方程可解的：</p><p><b>　　=16.6mm</b></p><p><b>　　

31、=175.8°</b></p><p><b>　　9、構件1的轉角</b></p><p>　　∵曲柄轉速=47r/min</p><p>　　∴=2*π*/60=5rad/s</p><p>　　表3 牛頭刨床在初始位置參數</p><p>　　7.主執(zhí)行機構的運動分析

32、（計算機編程）</p><p>　　先建立一直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。其中共有四個未知量、、及。為求解需建立兩個封閉矢量方程，為此需利用兩個封閉圖形ABCA及CDEGC，由此可得，</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p><b>　　寫成投影方程為：</b></p><

33、p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　解上面方程組，即可求得、、及四個位置參數，其中。</p><p>　　將上列各式對時間取一次、二次導數，并寫成矩陣形式，即可得以下速度和加速度方程式。</p><p>　　速度方程式：(1-3)</p><p>　　機構從動件的位置參數矩陣：</p&

34、gt;<p>　　機構從動件的的速度列陣：</p><p>　　機構原動件的位置參數矩陣：</p><p>　?。簷C構原動件的角速度</p><p><b>　　加速度方程式：</b></p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　機構從動

35、件的位置參數矩陣求導：</p><p>　　機構從動件的的加速度列陣： </p><p>　　機構原動件的位置參數矩陣求導： </p><p>　　主程序（matlab）：</p><p>　　%牛頭刨床運動分析主程序</p><p>　　%x(1)——代表;</p><p>　　%x(2)——

36、 代表構件3的轉角；</p><p>　　%x(3）——代表構件4的轉角；</p><p>　　%x(4)——代表E點的線位移;</p><p>　　%x(5)——代表；</p><p>　　%x(6)——代表;</p><p>　　%x(7)——代表;</p><p>　　%x(8)——代表;

37、</p><p>　　%x(9）——代表;</p><p>　　%x(10)——代表構件1的轉角。</p><p>　　x=[ 0.4083 72.8*pi/180 175.8*pi/180 0.0166 0.1205 0.631 0.1704 0.390 0.6155 0];%賦初值</p><p>　　dr=pi/180;%度轉化為弧度&

38、lt;/p><p>　　dth=10*dr;w1=5;%每10度計算一個點</p><p>　　for i=1:37</p><p>　　y=ntpc(x); %調用從動件位置方程求解函數ntpc(自編)</p><p>　　s3=y(1);theta3=y(2);theta4=y(3);se=y(4); %得到位置參數。</p>

39、<p>　　%將各位置參數用向量儲存，便于后面繪圖，角度用度表示</p><p>　　ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y(3)/dr;sse(i)=y(4);</p><p><b>　　%進行速度分析</b></p><p>　　A=[cos(theta3) -s3

40、*sin(theta3) 0 0;</p><p>　　sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0;</p><p>　　0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1;</p><p>　　0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0];%A機構從動件的位置參數矩陣</p

41、><p>　　B=[-x(5)*sin(x(10));x(5)*cos(x(10));0;0];%B機構原動件的位置參數列陣</p><p>　　yy=w1*inv(A)*B;%公式1-3求解，yy表示機構從動件速度列陣，inv(A)是A的逆陣 </p><p>　　vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4);</p>

42、<p>　　%將各速度參數以向量的方式表示，以便后面繪圖</p><p>　　dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy(3);dvse(i)=yy(4);</p><p>　　%dA為從動件位置參數矩陣對時間一次求導</p><p><b>　　%進行角速度分析</b></p><p

43、>　　dA=[-w3*sin(theta3) -vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3) 0 0;</p><p>　　w3*cos(theta3) vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3) 0 0;</p><p>　　0 -x(6)*w3*cos(theta3) -x(7)*w4*cos(theta4) 0;</p>

44、;<p>　　0 -x(6)*w3*sin(theta3) -x(7)*w4*sin(theta4) 0];</p><p>　　%dB就是原動件位置參數列陣對時間一次求導</p><p>　　dB=[-x(5)*w1*cos(x(10));-x(5)*w1*sin(x(10));0;0];</p><p>　　KK=-dA*yy+w1*dB; %KK

45、為公式1-4右端</p><p>　　ya=inv(A)*KK;%公式1-4求解，ya為從動件加速度列陣</p><p>　　%將各加速度以向量表示</p><p>　　as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya(2);atheta4(i)=ya(3);ase(i)=ya(4);</p><p>　　x(10)=x(10)+dth;

46、 %計算下一個點</p><p><b>　　x(1)=s3;</b></p><p>　　x(2)=theta3;</p><p>　　x(3)=theta4;</p><p><b>　　x(4)=se;</b></p><p><b>　　end</b&

47、gt;</p><p><b>　　%繪制運動參數曲線</b></p><p>　　subplot(2,2,1); % 選擇第1個子窗口</p><p>　　plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%繪制位置線圖</p><p>　　subplot(

48、2,2,2); </p><p>　　plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%繪制速度線圖</p><p>　　subplot(2,2,3); </p><p>　　plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase); %繪制加速度線圖</p><p>　　%這個函數是關于牛頭刨床位置方

49、程求解，可得：s3,theta3,theta4,sE四個運動變量。</p><p><b>　　子程序：</b></p><p>　　function y=ntpc(x)</p><p>　　%x(1)——代表;</p><p>　　%x(2)—— 代表構件3的轉角；</p><p>　　%x(3

50、）——代表構件4的轉角；</p><p>　　%x(4)——代表E點的線位移;</p><p>　　%x(5)——代表；</p><p>　　%x(6)——代表;</p><p>　　%x(7)——代表;</p><p>　　%x(8)——代表;</p><p>　　%x(9）——代表;<

51、/p><p>　　%x(10)——代表構件1的轉角。</p><p>　　%先賦初值；這些初值來自于主程序。</p><p><b>　　s3=x(1);</b></p><p>　　theta3=x(2);</p><p>　　theta4=x(3);</p><p><

52、;b>　　se=x(4);</b></p><p>　　epsilon=1e-6;%設置求解精度為10-6</p><p>　　%用矩陣的形式表示位置方程組（4x1的矩陣）</p><p>　　f=[s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10));s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10))-x(8);</p&g

53、t;<p>　　x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9)];</p><p>　　%用牛頓-辛普森法求解</p><p>　　while norm(f)>epsilon</p><p>　　%J位置方程組的雅可比矩陣，即從動件位置參數矩

54、陣</p><p>　　J=[cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0;</p><p>　　sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0;</p><p>　　0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1;</p><p>　　0 x(6)*cos(theta3)

55、x(7)*cos(theta4) 0]; </p><p>　　dth=inv(J)*(-1.0*f); %計算增量，進行迭代，inv(J) 為J的逆陣</p><p>　　s3=s3+dth(1);</p><p>　　theta3=theta3+dth(2);</p><p>　　theta4=theta4+dth(3);</p

56、><p>　　se=se+dth(4);</p><p>　　f=[s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10));s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10))-x(8);</p><p>　　x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(

57、9)];</p><p>　　norm(f);%若未達精度，會繼續(xù)迭代。</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　%輸出4個參數</b></p><p><b>　　y(1)=s3;</b></p><p>　　y(2)=

58、theta3;</p><p>　　y(3)=theta4;</p><p><b>　　y(4)=se;</b></p><p>　　將程序輸入matlab中就可得到E點的位移、速度和加速度的運動線圖（圖3、圖4、圖5）。</p><p><b>　　圖3 位置線圖</b></p>

59、<p><b>　　圖4 速度線圖</b></p><p><b>　　圖5 加速度線圖</b></p><p>　　8.主執(zhí)行機構的運動分析及動態(tài)靜力分析（作圖法）</p><p>　　建立直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。利用兩個封閉圖形ABCA及CDEGC。（令S3= = = = = =

60、）</p><p><b>　　投影方程式為</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（4）&

61、lt;/b></p><p>　　8.1 主執(zhí)行機構的速運動分析</p><p>　　1.速度分析：（具體值及矢量圖見A1號圖）</p><p>　　圖解法驗證當曲柄角度為60°時的運動分析：</p><p>　　因構件1和2在B處的轉動副相連，故，其大小等于，方向垂直于AB線。</p><p>　　

62、取構件2和3的重合點B進行速度分析。列速度矢量方程，得</p><p>　　大小 ? √ ?</p><p>　　方向 √ √ √</p><p>　　通過圖解法可求得 ，B3點與D點同在構件3上，故</p><p><b>　　則可求的D點速度。</b></p><

63、;p>　　取4構件作為研究對象，列速度矢量方程，得 </p><p>　　大小 ? √ 　?</p><p>　　方向 √ √ √</p><p>　　再通過圖解法，得到E點的速度。</p><p>　　2.加速度分析：（具體值及矢量圖見A1號圖）</p><p>　　因構件1

64、和2在B點處的轉動副相連，故,方向垂直與AB。</p><p>　　取2、3構件重合點B為研究對象，列加速度矢量方程得：</p><p>　　大小: ？ ？ √ √ √ ？</p><p>　　方向： ？ √ √ √ √ √</p><p>　　作加速度矢量圖，可求得</p><p>

65、<b>　　又，則可得。</b></p><p>　　取4構件為研究對象,列加速度矢量方程,得</p><p>　　大小 ？ √ √ ？</p><p>　　方向 √ √ √ √</p><p>　　由加速度矢量圖可求得E點加速度。</p><p>　　8.2 主執(zhí)行機構

66、的動態(tài)靜力分析</p><p>　　取4為研究對象，分離4、5構件進行動態(tài)靜力分析，已知，，。設與水平導軌的夾角為，可測得的大小。</p><p><b>　　由</b></p><p><b>　　可得和.</b></p><p>　　分離2、3構件進行動態(tài)靜力分析，已知，。</p>

67、<p><b>　　由此可得：，</b></p><p><b>　　根據</b></p><p>　　、、、分別為、、、作用與C的距離（其大小可測得），可以求得。</p><p><b>　　由力矢量圖可得和。</b></p><p>　　對曲柄1進行動態(tài)靜力分析

68、，,作用與A的距離為h,其大小可測得，所以曲柄上的平衡力矩</p><p>　　9.凸輪機構的曲線的設計</p><p>　　表4 進給機構設計參數</p><p>　　通常凸輪滾子半徑=（0.1-0.5），所以根據滾子半徑去凸輪基圓半徑=80mm。由工作循環(huán)圖得到凸輪推程運動角為=140°，取凸輪回程運動角為=140°，遠休止角為=20

69、76;，近休止角為=60°。</p><p>　　9.1 凸輪機構位移曲線的設計</p><p>　　由于刨刀速度較低，所以推桿運動規(guī)律可選用一次多項式運動規(guī)律，即</p><p><b>　　推程的運動方程為：</b></p><p><b>　　回程的運動方程為：</b></p

70、><p><b>　　則得到各點角位移</b></p><p>　　9.2 凸輪機構輪廓曲線的設計</p><p>　　設計凸輪輪廓依據反轉法原理。取機架長度=130mm凸輪以等角速度逆時針方向回轉，推桿運動規(guī)律同前。</p><p>　　選取適當的長度比例尺定出O和A的位置，以O為圓心，為半徑作基圓。以O為圓心，以為半徑

71、作圓。再以為半徑，A為圓心作圓弧，交基圓于點B。確定擺動推桿在反轉過程中依次占據的各個位置。然后依據各個角位移確定滾子中心在復合運動中依次占據的各個位置。最后將各點連成光滑曲線，即為凸輪理論輪廓曲線。</p><p>　　然后再以理論輪廓曲線上的一系列點為圓心，以滾子半徑為半徑作一系列的圓，最后作此圓族的包絡線，即為凸輪的工作廓線。</p><p><b>　　參考文獻</