牛头刨床机构运动分析课程设计解读.docx
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牛头刨床机构运动分析课程设计解读
江苏师范大学机电工程学院
课程设计说明书
题目：
牛头刨床机构设计及运动分析
系别
专业班级
学生姓名
学号
指导教师
2014年1月8日
1、概述
1.1、课程设计的目的———————————————2
1.2、工作原理——————————————————2
1.3、设计要求——————————————————3
1.4、设计数据——————————————————4
1.5、创新设计内容及工作量————————————4
二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析
2.1、方案分析——————————————————5
2.2、主传动机构尺寸的综合与确定—————————5
2.2、杆组拆分——————————————————6
2.4、绘制刀头位移曲线图—————————————7
三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序
3.1、解析法进行运动分析—————————————8
3.2、程序编写过程（计算机C语言程序）——————10
3.3、计算数据结果———————————————12
3.4、位移、速度和加速度运动曲线图与分析—————13
四、小结
心得体会———————————————————18五、参考文献
参考文献———————————————————19
一、概述
1.1、课程设计的目的
目的：
机械课程创新设计是培养学生机械系统方案设计能力的技术基础课程，他是机制专业课程学习过程中的一个重要实践环节。
其目的是以机制专业课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本专业课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析、计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。
1.2、工作原理
牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。
图1为其参考示意图。
电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。
刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。
在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；刨刀左行时，即为空回行程，此行程无工作阻力。
在刨刀空回行程时，凸轮8通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。
（a）机械系统示意图（b）刨头阻力曲线图
（c）执行机构运动简图
图1牛头刨床
1.3、设计要求
电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。
允许曲柄2转速偏差为±5％。
要求导杆机构的最大压力角应为最小值。
执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。
按小批量生产规模设计。
1.4、设计数据
题号
1
导杆
机构
运动
分析
转速n2（r/min）
48
机架lO2O1（mm）
380
工作行程H（mm）
310
行程速比系数K
1.46
连杆与导杆之比lBC/lO1B
0.25
导杆
机构
动态
静力
分析
工作阻力Fmax（N）
4500
导杆质量m4（kg）
20
滑块6质量m6（kg）
70
导杆4质心转动惯量Js4（kg·m2）
1.1
1.5、创新设计内容及工作量
1）根据给定的工作原理和设计数据确定机构的运动尺寸；
2）导杆机构的运动分析。
用解析法求出刨头6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度，并编程绘制运动线图
3）编写计算机辅助优化设计与运动分析说明书，包括问题的数学模型、程序框图、源程序及计算结果图表等内容。
二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析
2.1、方案分析
1.机构具有确定运动，自由度为F=3n-（2
）=3×5-（2×7+0）=1，曲柄为机构原动件；
2.通过曲柄带动摆动导杆机构和滑块机构使刨刀往复移动，实现切削功能，能满足功能要求
3.工作性能，工作行程中，刨刀速度较慢，变化平缓符合切削要求；摆动导杆机构使其具有急回作用，可满足任意行程速比系数K的要求；
4.传递性能，机构传动角恒为90°，传动性能好，能承受较大的载荷，机构运动链较长，传动间隙较大；
5.动力性能，传动平稳，冲击震动较小；
6.结构和理性，结构简单合理，尺寸和质量也较小，制造和维修也较容易；
7.经济性，无特殊工艺和设备要求，成本较低。
2.2、主传动机构尺寸的综合与确定
由已知数据经过计算得
图
（2）牛头刨床机构简图
由
得出
=33.66°
2.3、杆组拆分
Ⅰ级杆组
Ⅱ级杆组Ⅱ级杆组
2.4、绘制刀头位移曲线图
三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序
3.1、解析法进行运动分析
如图，建立直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。
利用两个封闭图形ABCA及BDEGB。
投影方程式为
图（3）牛头刨床结构分析图
（1）
（2）
（3）
（4）
1求
、
由公式
（1）和
（2）得：
（5）
（6）上式等价于
（7）
求
对时间一阶导得：
（8）
求对时间二阶导：
（9）
2求滑块E的
由（3）、（4）式得：
（10）
（11）
求对时间一阶导得：
（12）
（13）
求对时间二阶导得：
（14）
（15）
根据设计要求，不同位置的速度、加速度、位移都不同，将利用C语言编写程序，达到输出各个位置的速度、加速度以及位移的目的。
程序的源代码以及执行程序之后显示结果均予以显示。
3.2、程序源代码（计算机C语言程序）
#include
#include
#definePI3.1415926
voidmain（）
{
doublea=0.110,b=0.535,c=0.134,d=0.380,e=0.523,f=5;
/*O1A=AB,b=O1B,c=BC,d=O1O2,e=H,f=ω1*/
doubleB,C,E,F,G,I,L,M,O;
/*B=θ3,C=θ4,E=Se，F=ω3，G=ω4，I=Ve，L=а3，M=а4，O=аe*/
doublex=0;
printf（"@1@3@4SeW3W4VeA3A4Ae\n"）;
while（x<6.3）
{
B=atan（（d+a*sin（x））/（a*cos（x）））;/*求θ3*/
if（B<0）B=PI+B;
C=PI-asin（（e-b*sin（B））/c）;/*求θ4*/
if（C<0）C=PI+C;
E=b*cos（B）+c*cos（C）;/*求Se*/
F=（a*f*（a+d*sin（x）））/（d*d+a*a+2*d*a*sin（x））;/*求ω3*/
G=-（F*b*cos（B））/（c*cos（C））;/*求ω4*/
I=-（F*b*sin（B-C））/cos（C）;/*求Ve*/
L=（（d*d-a*a）*d*a*f*f*cos（x））/（（d*d+a*a+2*d*a*sin（x））*（d*d+a*a+2*d*a*sin（x）））;/*求а3*/
M=（F*F*b*sin（B）+G*G*c*sin（C）-L*b*cos（B））/（c*cos（C））;/*求а4*/
O=-（L*b*sin（B-C）+F*F*b*cos（B-C）-G*G*c）/cos（C）;/*求аe*/
printf（"%3.0f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f%3.3f\n",x*180/PI,（B*180）/PI,（C*180）/PI,E,F,G,I,L,M,O）;
x=x+PI*10/180;
}
}
以上程序在C语言环境下运行，执行文件执行输出结果显示见表1
3.3、计算数据结果
表1.各构件的位置、速度和加速度
3.4、位移、速度和加速度的运动曲线图与分析（MATLAB程序、图）
>>clearall;clc;
w1=5;l1=0.110;l3=0.535;l6=0.380;l61=0.523;l4=0.134;
form=1:
3601
o1（m）=pi*（m-1）/1800;o31（m）=atan（（l6+l1*sin（o1（m）））/（l1*cos（o1（m））））;
ifo31（m）>=0
o3（m）=o31（m）;
elseo3（m）=pi+o31（m）;
end;
s3（m）=（l1*cos（o1（m）））/cos（o3（m））;o4（m）=pi-asin（（l61-l3*sin（o3（m）））/l4）;
se（m）=l3*cos（o3（m））+l4*cos（o4（m））;
ifo1（m）==pi/2
o3（m）=pi/2;s3（m）=l1+l6;
end
ifo1（m）==3*pi/2
o3（m）=pi/2;s3（m）=l6-l1;
end
A1=[cos（o3（m））,-s3（m）*sin（o3（m））,0,0;sin（o3（m））,s3（m）*cos（o3（m））,0,0;0,-l3*sin（o3（m））,-l4*sin（o4（m））,-1;0,l3*cos（o3（m））,l4*cos（o4（m））,0];
B1=w1*[-l1*sin（o1（m））;l1*cos（o1（m））;0;0];D1=A1\B1;E1（:
m）=D1;ds（m）=D1
（1）;w3（m）=D1
（2）;w4（m）=D1（3）;ve（m）=D1（4）;
A2=[cos（o3（m））,-s3（m）*sin（o3（m））,0,0;sin（o3（m））,s3（m）*cos（o3（m））,0,0;0,-l3*sin（o3（m））,-l4*sin（o4（m））,-1;0,l3*cos（o3（m））,l4*cos（o4（m））,0];
B2=-[-w3（m）*sin（o3（m））,（-ds（m）*sin（o3（m））-s3（m）*w3（m）*cos（o3（m）））,0,0;w3（m）*cos（o3（m））,（ds（m）*cos（o3（m））-s3（m）*w3（m）*sin（o3（m）））,0,0;0,-l3*w3（m）*cos（o3（m））,-l4*w4（m）*cos（o4（m））,0;0,-l3*w3（m）*sin（o3（m））,-l4*w4（m）*sin（o4（m））,0]*[ds（m）;w3（m）;w4（m）;ve（m）];
C2=w1*[-l1*w1*cos（o1（m））;-l1*w1*sin（o1（m））;0;0];B=B2+C2;D2=A2\B;E2（:
m）=D2;dds（m）=D2
（1）;a3（m）=D2
（2）;a4（m）=D2（3）;ae（m）=D2（4）;
end;
o11=o1*180/pi;y=[o3*180/pi;o4*180/pi];w=[w3;w4];a=[a3;a4];figure;
subplot（221）;h1=plotyy（o11,y,o11,se）;
title（'位置线图'）;xlabel（'\it\theta1（°）'）;ylabel（'\it\theta3\theta4,（°）Se（m）'）;gridon
subplot（222）;h2=plotyy（o11,w,o11,ve）;
title（'速度线图'）;
xlabel（'\it\theta1（°）'）;ylabel（'\it\omega3\omega4（rad/s）Ve（m/s）'）;gridon
subplot（212）;h3=plotyy（o11,a,o11,ae）;
title（'加速度线图'）;
xlabel（'\it\theta1（°）'）;ylabel（'\it\alpha3\alpha4（rad/s^2）\alphaE（m/s^2）'）;gridon
F=[o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae]';G=F（1:
10:
3601,:
）
图（4）牛头刨床运动位置线图
分析：
随着摇杆的摆动，θ1的增大和减小，但摇杆牵引连杆，使得θ4的角度变化幅度不大，呈浮动装态。
因为θ3和θ/2之间的关系，其大小变化和θ1的变化相反，而牛头刨床车刀的位移也随着θ3的大小变化做相应变化，当θ3的角度最大时，则车刀的位移量最小，当θ3达到实际运动中最小位置时，车刀的位移量最大。
图（5）牛头刨床运动速度线图
分析：
根据图来进行分析，摇杆的角速度ω3随θ1的角度变化而变化当θ在60°～120°范围内时，ω3达到最大，而θ1在260°～280°，ω3最小。
连杆4的角速度根据运动的状况，其角速度呈浮动状态，其运动情况如图中所示。
θ1为0°（360°）时，牛头刨床的车刀正等待下一次切削（切削完毕），当θ1角度从零开始增大时，车刀的速度先减速，在θ1达到80°～100°时，Ve达到最小，然后速度开始增大，开始切削，在θ1到达270°左右的时候，速度最大，然后减速，由于设计要求，刨刀前后都有一段空行程。
图（6）牛头刨床运动加速度线图
分析：
刨刀的加速度在θ1为零的时候做加速度减小的减速运动，在θ1为90°左右时，开始做加速度增加的加速运动，在θ1到达230°左右的时候加速度最大，然后做加速度减小的加速运动，在θ1到达270°左右的时候开始做加速度小于零的减速运动，当加速度最小时，刨刀开始往回运动，运动到θ1初始位置，开始下一周期的切削循环。
连杆4的加速度上下波动，周期循环。
摇杆的加速与因为角度关系，和刨刀的加速度相反，其运动状态与刨刀的运动基本相反
四、小结
流星的光辉来自星体的摩擦，珍珠的晶莹来自贝壳的眼泪，成功的背后需要我们为之付出很大的努力。
通过几天的奋斗，在老师悉心的指导下，在同学们的密切配合下，我的机械原理课程设计终于完成了。
虽然我的设计可能还有不少的错误和误差，但心中还是无比的喜悦。
在这几天中，我有很多的体验，同时也有我也找到许多的毛病，比如：
专业知识的不能熟练应用，作图时绘图不是太合理。
但是通过这次实践设计，我觉得我的能力有了很打的提高。
比如：
通过这次设计我学会了查找一些相关的工具书，并且巩固复习了一些设计数据的计算方法（速度、加速度、力）。
虽然这次的课程设计有些不足，但希望在今后的设计中，能够得到正真的提升，使自己的设计能力进一步趋向成熟。
当然我也会努力学习让自己的专业知识日益深厚。
我在这次设计中感到了团队合作的重要性。
这将使我受益终生。
人生中会遇到很多的问题和坎坷，无论它们有多么的棘手，但我相信，只要努力，成功就一定会在眼前！
最后，衷心感谢王繁森老师耐心的指导，我们才能完成这次的课程设计。
五、参考文献
彭文生李志民《机械设计（第二版）》高等教育出版社
郑文纬吴克坚《机械原理（第七版）》高等教育出版社
邹慧君《机械原理课程设计手册》高等教育出版社
张平等《MATLAB基础与应用简明教程》北京航空航天大学出版社
（德）K.洛克（KurtLuck）K.—H.莫德勒（Karl-HeinzModler）孔建益（译）陆锡年（校）《机械原理*分析*综合*优化》机械工业出版社
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