牛头刨床刨刀的往复运动机构.docx
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牛头刨床刨刀的往复运动机构
机械原理课程设计
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
学生姓名
专业
机械设计制造及其自动化
年级
2012级
学号
设计题目
牛头刨床刨刀的往复运动机构
评价内容
评价指标
评分
权值
评定
成绩
业务水平
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。
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。
40
工作量、
工作态度
按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
20
合计
100
指导教师评语
1．设计任务书……………………………………………………4
1.1设计题目………………………………………………………..4
1.2牛头刨床简介………………………………………………………4
1.3牛头刨床工作原理…………………………………………………4
1.4设计要求及设计参数…………………………………………6
1.5设计任务…………………………………………7
二．导杆机构的设计及运动分析…………………………………8
2.1机构运动简图……………………………………………8
2.2机构运动速度多边形……………………………………………9
2.3机构运动加速度多边形……………………………………………11
三．导杆机构动态静力分析……………………………………………14
3.1静态图……………………………………………14
3.2惯性力及惯性力偶矩……………………………………………14
3.3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……………………………………………………………21
参考文献.................................................................................................22
一、设计任务书
1.1设计题目：
牛头刨床刨刀的往复运动机构
1.2牛头刨床简介：
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。
1.3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2－3－4－5－6，最后带动刨头和刨刀作往复运动。
当刨头右行时，刨刀进行切削，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。
图1牛头刨床机构简图
图3曲柄位置图
1.4设计要求及设计参数：
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：
设计内容
符号
数据
单位
导杆的运动分析
n1
60
lAC
380
lAB
110
lCD
540
lDE
0.25lCD
LCs3
0.5lCD
xs5
240
ys5
50
导杆机构动态静力计算
G3
200
G5
700
Fr
7000
yFr
80
Js3
1.1
1.5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，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
2.1机构运动简图：
图2-1机构运动简图
1.选方案Ⅰ，在连杆机构中，曲柄有30个连续等分1～30个位置（见图3），选取4位置进行设计及运动分析，取长度比例尺
=0.004
.
2.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
，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。
2.2机构运动速度多边形：
图2-2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：
υB3=υB3B2+υB2
大小?
?
√
方向⊥CB∥BC⊥AB
计算：
n=60r/min=1r/s,ω=2πn=2πrad/s,
υB2=ω×lAB=2πrad/s×0.11m=0.22πm/s
速度多边形：
在图上任取速度极点P，速度比例尺μv【=υB2/Pb1=（0.22πm/s）/120㎜】=0.006（m/s）/mm，过点p作直线pb1（长度为120㎜）垂直杆AB代表υB2的方向线，过点p作垂直杆CB的直线，代表υB3；再过点b1作直线平行于BC，代表υB3B2的方向线，这两方向线交点为b3，则矢量pb3和b1b3分别代表υB3和υB3B2，其大小分别为：
υB3=μv×pb3=0.006（m/s）/mm×62㎜=0.37m/s
υB3B2=μv×b2b3=0.006（m/s）/mm×101㎜=0.6m/s.
根据影像相似原理求出υD:
CB/CD=pb3/pd,即106.5/135=62/pd,解得pd=78㎜，
υD=μv×pd=0.006（m/s）/mm×78㎜=0.468m/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
υE=υED+υD
大小?
?
√
方向∥导路⊥ED⊥CD
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υE及υED，其大小分别为：
υE=μv×pe=0.006（m/s）/mm×75㎜=0.45m/s
υED=μv×de=0.006（m/s）/mm×20㎜=0.12m/s
因为4位置为工作行程，故刨头在此过程中匀速即：
υS5=υE，根据重心得加速度影像相似原理求出υS3：
CS3/CD=PS3/Pd即67.5㎜/135㎜=PS3/78㎜，解得PS3=39㎜，
υS3=μv×PS3=0.006（m/s）/mm×39㎜=0.234m/s
方向在Pd上，机构运动速度多边形如图2-2所示。
2.3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
anB3+atB3=aB2+akB3B2+arB3B2
方向B3→C⊥B3CB2→A⊥B3C∥B3C
大小
?
2ω3VB3B2?
计算:
由图2-1结构运动简图得:
lB3C=106.5
=106.5㎜×0.004m/mm=426㎜=0.426m；
由图2-2机构运动速度多边形求出:
VB3=μv×pb3=0.06（m/s）/mm×62mm=0.37m/s;
ω3=v3/lb3c=（0.37m/s）/（0.426m）=0.87rad/s;
故anB3=ω23×lB3C=（0.87rad/s）2×0.426m=0.32m/s2
ω=2πn=2πrad/s；lAB=110mm=0.11m
故aB2=
=（2πrad/s）2×0.11m=4.34m/s2
由图2-2机构运动速度多边形求出:
VB3B2=μv×b2b3=0.006（m/s）/㎜×101mm=0.6m/s
故akB3B2=2ω3VB3B2=2×0.87rad/s×0.6m/s=1m/s2
在一般情况下，arB3B2=anB3B2＋atB3B2,但是目前情况下，由于构件2和构件3组成移动副，所以anB3B2=0，则arB3B2=atB3B2，其方向平行于相对移动方向；akB3B2是哥氏加速度，对于平面运动之内，akB3B2=2ω3VB3B2哥氏加速度akB3B2的方向是将VB3B2沿ω2的转动方向转90度（即图2-3中的b′k′的方向），在上面的矢量方程式中只有atB3和arB3B2的大小为未知，故可用图解法求解。
加速度多边形：
从任意极点π连续作矢量πb′2（120mm）和b′2k′代表aB2和akB3B2，其加速度比例尺ua=aB2/πb′2=0.036（m/s2）/㎜；再过π作矢量πb3’’代表anB3，然后过k′作直线k′b3’平行于线段CB3代表arB3B2的方向线，并过点b3’’作直线b3’’b3’垂直于线段CB3，代表atB3的方向线，它们相交于点b3’，则矢量πb′3便代表aB3。
机构运动加速度多边形如图2-3所示。
图2-3机构运动加速度多边形
由机构运动加速度多边形可求出：
atB3=b3’’b3’×ua=72.5㎜×0.036（m/s2）/㎜=2.61m/s2；arB3B2=k′b3’×ua=55㎜×0.036（m/s2）/㎜=1.98m/s2
再根据加速度影像相似原理，得：
CB/CD=πb3’/πd3’即106.5㎜/135㎜=72.5㎜/πd3’
解得πd3’=93㎜；
CS3/CD=πS3/πd3’即67.5㎜/135㎜=πS3/93㎜
解得πS3=46.5㎜；
故
aD3=πd3’×ua=93㎜×0.036（m/s2）/㎜=3.348m/s2；
as3=πS3×ua=46.5㎜×0.036（m/s2）/㎜=1.674m/s2
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
3.1静态图
图3-1机构位置状态图
3.2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：
Fis3=-m×as3
=-G3/g×aS3=-G3/g×ua×πS3
=-（200N）/（9.8N/㎏）×【0.036（m/s2）/㎜】×46.5㎜
=-34N
方向：
as=ans+ats，它决定了Fi的方向，因Fis3=-m3×as3，故Fi3及F’i3的方向与图2-3中的πS3（代表as3的方向）的方向相反。
惯性力偶矩：
Mis3=-JS3·αS3
=-JS3×（atCD/lCD）
=-1.1㎏㎡×[（0.036（m/s2）/㎜）×93㎜]/0.54m
=-6.28N·m
作用线间距离为h：
h=Mis3/Fi3=（-6.28N·m）/（-34N）=200㎜
变速转动的构件都同时具有惯性力Fi和惯性力偶矩Mi，故它们均可用一等于Fi3的总惯性力F’i3来代替。
按照比例尺
=0.004
.确定Fi3与F’i3之间的图上距离，将Fi3和F’i3在静力图上表示，如图3-1所示。
3.3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：
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）
（b）
（c）
图3-2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（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：
下面借助图3-2（a）来画力的封闭多边形。
图3-3力的多边形
首先确定力的比例尺μF=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/μF=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
R34=lcd×μF=100㎜×70N/㎜=7000N
R75=lda×μF=15.5㎜×70N/㎜=1085N
GS5、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：
在图3-2（a）中量得：
hr=20㎜；hG=60㎜，对点E取矩，得：
ΣME=0，Fr×hr＋G5×hG－R75×h75=0
h75=（Fr×hr＋G5×hG）/R75
=（7000N×20㎜＋700N×60㎜）/1085N
=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：
杆3的点D受到杆4的一个力，与R34大小相等，方向相反；距离重心位置h处受到一个总惯性力F’i3；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、F’i3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：
ΣMC=0,F12×h12－Gs3×hG－F’i3×hi3－R43h43=0
F12=（Gs3×hG＋F’i3×hi3＋R43h43）/h12
=（200N×64㎜＋34N×464㎜＋7000N×516㎜）/428㎜=8506N
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μF=Fr/100㎜=7000N/100㎜=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/μF=）2.8㎜，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/μF=）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=48μF=48㎜×70N/㎜=3360N
对曲柄2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
ΣM=0,F12×h1-MA=0
即MA=F12×h1
=8506N×0.15m
=1275.9N·m
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：
1、机械原理/孙恒，陈作模主编——六版——北京2001
2、理论力学Ⅰ/哈尔滨工业大学理论力学研究室编——六版——北京2002.8
3、机械原理课程设计指导书/罗洪田主编——北京1986.10
4、机械原理与课程设计上册/张策主编——北京2004.9
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