机械原理课程设计牛头刨床牛逼版.docx
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机械原理课程设计牛头刨床牛逼版
——装订线——
牛头刨床
0.机构简介与设计数据
0.1牛头刨床简介
牛头刨床是一种用平面切削加工的机床，如下图所示。
电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。
刨床工作时，由曲柄机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。
刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较底并且均匀，以减少电动机的容量和提高切削质量；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产效率。
为此刨床采用有急回作用的导杆机构。
刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构，使工作台连同工作件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。
刨头在工作行程中，受到很大的工作阻力（在切削的前后个有一段约0.5H的空刀距离，见图）而空回行程中则没有切削阻力。
因此刨头在整个运动循环中受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。
牛头刨床机构简图及其阻力曲线
0.2设计数据
运动分析数据
导杆机构的运动分析
n2
lo2o4
lo2A
lo4B
lBC
lo4s4
xs6
ys6
r/min
mm
方案Ⅰ
60
380
110
540
0.25lo4B
0.5lo4B
240
50
导杆机构的动态静力分析数据
导杆机构的动态静力分析
G4
G6
P
yp
Js4
N
mm
Kg·m2
方案Ⅰ
200
700
7000
80
1.1
凸轮机构设计数据
方案
凸轮机构设计
φmax
lo9D
[α]
φ
φs
φ,
o
mm
o
方案Ⅰ
15
125
40
75
10
75
飞轮转动惯量确定数据
飞轮转动惯量的确定
δ
no’
Z1
Zo”
Z1’
Jo2
Jo1
Jo”
Jo’
r/min
Kg·m2
方案Ⅰ
0.05
1440
10
20
40
0.5
0.3
0.2
0.2
1.导杆机构的运动分析
已知曲柄每分钟的转数n2,各构件的尺寸及重心位置，且刨头导路x-x位于导杆端点B所作圆弧高的平分线上（见图）.
要求做出机构的运动简图，用解析法和图解法求出方案Ⅰ中1′+10°和9位置的速度、加速度，并对结果进行误差分析。
1.1矢量方程图解法
用CAD按一定的比例绘制机构位置机构简图及相应的速度和加速度多边形图，并量出个对应量进行对矢量方程的所求得的结果分析误差。
矢量方程图解法：
其中l2=lAO2,l4=lBO4,l5=lBC,vB=vB4=vB5,aB=aB4=aB5
（1）速度
未知量
矢量方程
vA4的大小
vB的大小
vC的大小
vA4=vA3+vA4A3
方向：
大小：
？
l02Aω2？
影像法
vB=vA4
l4/lAO4
vC=vB+vCB
方向：
//导路
大小：
?
vA4
l4/lAO？
（2）加速度
未知量
矢量方程
aA4的大小
aB的大小
aC的大小
aA4=anA4+atA4=aA3+akA4A3+arA4A3
方向：
A
O4
AO4A
O2
AB
大小：
v2A4/lAO4?
l2ω222ω3vA4A3?
影像法aB5=aB4=l4aA4/lao4，方向与aA4相同
aC=aB5+anC5B5+atC5B5
方向：
//导路
BO4
C
B
BC
大小：
?
l4aA4/lao4v2C5B5/l5?
1.2矩阵法
建立直角坐标系，标出各杆矢量及方位角。
其中共有四个未知量θ4，θ5，s4,sC.建立两个封闭矢量方程，为此需用两个封闭图形O2AO4及O4BCEO4，由此可得
l6+l2=s4,l4+l5=l6′+sC
写成投影方程为
S4cosθ4=l2cosθ2
S4sinθ4=l6+l2sinθ2
l4cosθ4+l5cosθ5-sE=0
l4sinθ4+l5sinθ5=l′6
以上个式即可求得θ4、θ5、s4及sE四个运动变量。
其中l4、l5、l2、l6为已知量
以上矢量方程式未知量代数式如下：
θ4=arctan[（l2sinθ2+l6）/cosθ2l2]
l'6=[l24-（l2l4/l6）2]1/2/2
θ5=arcsin[（sinθ4*l4-l'6）/l5]
SE=l4cosθ4+l5cosθ5
S4=cosθ2l2/cosθ4
将上面投影式子分别对t求导，得
S'4cosθ4+S4（-sinθ4）ω4=-l2sinθ2ω2
S'4sinθ4+S4cosθ4ω4=-l2sinθ2ω2
其中，S'4、ω4、为未知量，且由题目已知条件ω2=nπ/30=60π/30=2π=6.28318530717959rad/s
将余下的式子对t求导，得
-l4sinθ4ω4-l5sinθ5ω5=0
l4cosθ4ω4+l5cosθ5ω5=0
其中，ω5为未知量。
把其写成矩阵形式，运用MATLAB运算。
最后运动切削点C的速度vc、S'4、ω5、ω4均可以得到。
把上面各式再对时间t二次求导，得到加速度列式：
S''4cosθ4-S'4sinθ4ω4-S'4sinθ4ω4-S4（cosθ4ω24+sinθ4a4）=-l2（cosθ2ω22–sinθ2a2）
S''4sinθ4+S'4cosθ4ω4+S'4sinθ4ω4+S4（-sinθ4ω24+cosθ4a4）=-l2（sinθ2ω22+cosθ2a2）
-l4（ω24cosθ4+sinθ4a4）-l5（ω25cosθ5+sinθ5a5）=ac
-l4（-ω24sinθ4+cosθ4a4）+l5（-ω25sinθ5+cosθ5a5）=0
并写成矩阵形式，即得以下速度和加速度方程式：
=
结果（m/s）
解析法
图解法
误差
相对误差
vC-1′+10°
0.47551263599017
0.47554935165475
0.0000367156645799
0.0000772128
vC-9
0.55188059464559
0.55184267791977
0.00003.7916725819
0.0000687045
结果（m/s2）
解析法
图解法
误差
相对误差
aC-1′+10°
3.27201696587885
3.27228737447811
0.00027040859925
0.0000826427
aC-9
8.50636345766704
8.50521459601177
0.00114886165527
0.0001350590
2.导杆机构的动态静力分析
已知各构件的重量G（曲柄2、滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重心的转动惯量Js4及切削力P的变化规律（图1），及在导杆机构设计和运动分析中得出的机构尺寸，速度和加速度。
要求求方案Ⅰ第二位置各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平均力矩。
先用图解法，再用虚位移验证所得结果。
图解法：
2.1杆组5-6
5-6组示力体
已知G6，P，FI6=（G6/g）mC，lI6为R16对C的力臂，
未知量
平衡条件
方程
R45和R16的大小
F=0
G6+P+FI6+R45+R16=0
l16
MC=0
G6xs6+PyP-R16l16-FI6yS6=0
未知量
结果
R45的大小
7236.7881N
R16的大小
910.1964N
l16的大小
0.786987m
2.2杆组3-4
由以上求得R45，杆5是二力杆，所以R54=R45，杆4的角加速度
4=atA4/lA4O4,惯性力偶矩MI4=JS4
4,惯性力FI4=（G/g）aB4/2,总惯性力F′I4（=FI4）偏离质心S4的距离为h′4=MI4/FI4（其对S4的方向为逆时针），h4为G4对O4的力臂，hI4为F′I4对O4的力臂，h54为R54对O4的力臂，h23为R23对O4的力臂，
未知量
平衡条件
方程
R23的大小
M=0
G4h4+F′I4hI4+R54h54-R23h23=0
R14的大小
F=0
G4+F′I4+R54+R23+R14=0
未知量
结果（N）
R23的大小
8773.038
R14的大小
2436.7602
2.3杆组1-2
未知量
平衡条件
方程
R12的大小
F=0
R32+R12=0
Mb的大小
M=0
R32h32-Mb=0
未知量
图解结果
虚位移结果
误差率
R12的大小
8773.038N
--
--
Mb的大小
550.6257809395801N
m
550.6257561876643N
m
0.00000004495233929465
2.4虚位移原理
所有外力的功率和为0，NP+NI6+NG4+NI4+NM=0，
NP=|P||vC|cos180°,
NI6=|FI6||vC|cos180°,
NG4=0.5|G4||vB|cos103.75252336°,
NI4=|FI4||vI4|cos171.89875340°,
NM=Mbω2,
把数据代入上式，得平衡力矩Mb=550.6257561876643N.m，
3.飞轮设计
已知机器运转的速度不均匀系数δ，平衡力矩Mb,飞轮安装在曲柄轴上，驱动力矩Med为常数。
要求：
求方案Ⅰ飞轮转动惯量JF。
3.1等效阻力矩
公式Mer=∑FVcosθ=|P||vc||cos180o|+0.5vB|G|cos
，
其中在1，1/，，2，3，4，5，6，7，7＇，8＇位置，
=
，在8，9，10，11，12位置，
=180-
。
在8，8′，9，10，11，12，1位置P=0。
15个位置的等效阻力矩：
位置
vc（m/s）
ω4（rad/s）
（°）
Mer（Nm）
1′
0.37642984044598
-0.73221043681139
103.2967
有切削力：
-421.010*********
没切削力：
-1.63580340173244
7′
0.38093795214087
-0.72036389908547
76.7310
有切削力：
-422.7806688877953
没切削力：
1.61643777386792
8′
0
0
75.1782
0
1
0
0
104.8218
0
2
0.39899626827684
-0.77402415612856
103.0285
-446.2160946849664
3
0.63915294780580
-1.19665719236257
98.6781
-713.8551813304498
4
0.74969259589138
-1.38431464396260
93.0033
-835.9999383051339
5
0.74892875184810
-1.39450266589950
86.9253
-833.7539972144682
6
0.65215617269322
-1.23035813656626
81.2604
-724.8505566866700
7
0.44466267902492
-0.84146698630294
76.9323
-493.5507916597052
8
0.06239414232435
-0.11765343213362
75.1785
0.29211978696631
9
-0.55188059464559
.0440********
77.5763
-2.28424945459885
10
-1.22159366596714
2.29298853615083
85.0311
-2.25611142114737
11
-1.29481390934867
2.39279760027020
95.0822
1.88122008879673
12
-0.62769640589338
1.20913304931302
102.4821
2.53044215000846
方案Ⅰ
——装订线——
:
nO2=60r/minno’=1440r/min
则传动比为：
i=no’/nO2=1440/60=24,
ω20=（1500/24）*2*3.14/60=6.541666666rad/s
ωm=ω10=2*pi=6.28318530717959rad/s
[δ]=0.05
ωmax=ωm（1+[δ]/2）=2*pi*（1+0.025）=6.44026493985908rad/s
ωmin=ωm（1-[δ]）/2=2*pi*（1-0.025）=6.12610567450010rad/s
3.2等效驱动力矩
由上面等效阻力矩作图（见附图），在同一个周期内，驱动力矩做功应等于阻力矩做功。
（Med-Mer）dφ=0
用近似面积计算：
等效阻力矩线围成面积=7055.69001mm2,
可求得等效驱动力矩：
2
Med=7055.69001*8.0024*π/90，
Med=39.18652*8.0024=313.5862226666667Nm，
3.3求最大盈亏功
最大盈亏功△Wmax=
（Med-Mer）dφ=斜线以上部分的总面积，=0.2mm
用CAD量得斜线以上部分的总面积=3879.53623912826mm2，根据比例尺，有
△Wmax=3879.53623912826*4*π/90=1083.695904439571（J）
3.4原机构的等效转动惯量
Je=Jo2+Jo1·（no1/n2）2+Jo”（no”/n2）2+Jo’（no’/n2）2
又nO2/nO′=60/1440,nO′/nO″=dO″/dO′=300/100,nO″/nO1=z1′/zO″=10/20,
将以上各值带入（4-4）中：
Je=133.3kg·m2
3.5求飞轮的转动惯量JF
JF=△Wmax·900/n2·π2[δ]-
=1083.695904439571*900/602/π2/0.05-133.3
=415.7067587308556kg*m2
3.6结果
项目
数据
项目
数据
△Wmax
1083.695904439571J
313.5862226666667Nm
133.3kg·m2
JF
4.157067587308556kg·m2
4.凸轮机构设计
4.1推杆运动规律
已知摆杆9为等加速等减速运动规律，其推程运动角φ，远休止角φs,,回程运动角φ,,摆杆长度lo9D，最大摆角Φmax，许用压力角[α]凸轮与曲柄共轴。
要求确定方案Ⅰ凸轮的基本尺寸，选定滚子的半径，画出凸轮的实际廓线。
步骤：
1）根据从动件的运动规律，按照下列公式计算推程和回程的各个角位移φ。
等加速推程：
φ=2φmaxδ2/δo2
φ，=
=4φmaxδ
/δo2
∴φ“=4φmaxδ/δo2
等减速推程：
φ=φmax-2φmax（δo-δ）2/δo2
φ,=
=4φmax（δo-δ）
/δo2
∴φ“=-4φmax（δo-δ）/δo2
把推程角6等分，并列出对应的摆角：
表
位置
1
2
3
4
5
6
7
（°）
0
12.5
25
37.5
50
62.5
75
φ（°）
0
0.833333
3.33333
7.5000
11.6666
14.16633
15.0000
dφ/dt
0
0.837758
1.67551
2.51327
1.67551
0.837758
0
等加速回程：
φ=φmax-2φmaxδ2/δ，o2
φ,=
=-4φmaxδ
/δ，o2
∴φ“=-4φmaxδ/δo2
等减速回程：
φ=2φmax（δ，o-δ）2/δ，o2
φ,=
=-4φmax（δ，o-δ）
/δ，o2
——装订线——
∴φ“=-4φmax（δo-δ）/δo2
位置
1
2
3
4
5
6
6
（°）
85
97.5
110
122.5
135
147.5
160
φ（°）
15
14.1666
11.6666
7.5000
3.33333
0.833333
0
dφ/dt
0
-0.8377
-1.6755
-2.5132
-1.67551
-0.83775
0
4.2凸轮基本尺寸设计
-w4sinθ4-S4inθ4-S4w4cosθ400
w4cosθ4S4cosθ4-S4w4sinθ400
0-L4w4cosθ4-L5w5cosθ50
0-L4w4sinθ4-L5w5sinθ50
用AutoCAD2004作图确定基圆的半径和中心距。
以摆杆长为半径，以摆动中心为圆心，以φma角为圆心角作圆弧。
自摆动中心作一系列辐射线按预定摆角分割φma，所对应的弧，得到相应的分割点。
在摆动中心相应辐射线上由各分割点分别向左或右截取各线段，线段所代表的实际长度就等于
，截取方向根据D点速度方向顺着凸轮转向转过90o后所指的方向来确定。
然后过各线段的末点作与相应辐射线的法线的夹角成为[α]（许用压力角）的直线，即一系列直线确定凸轮中心的安全区域，然后在安全中心确定凸轮中心，分别取相应的凸轮基圆半径和中心距。
4.3凸轮轮廓设计
用AutoCAD2004进行绘制凸轮廓线：
作凸轮理论廓线和工作廓线：
在上图选最小基圆半径O2D作基圆，然后机架以中心距a为半径，以
为圆心，以凸轮与初始位置的夹角
的反转角为圆心作弧,凸轮不动。
对每一反转角，以摆杆长为半径以
圆心作圆交于基圆的一点，连接交点与
，再以列表
（1）
（2）对应的摆角为圆心角作弧，即弧线的端点为理论廓线的一点。
对每一反转角及其对应摆角重复上述操作。
连接各弧线端点得凸轮理论廓线。
然后选合适的磙子半径作圆心在理论廓线上的一系列磙子圆，作一系列磙子圆的包络线，即得工作廓线。
4.4理论廓线最小曲率半径
三圆法确定理论廓线最小曲率半径：
在所得的凸轮廓线最弯曲处取一点为圆心作一小圆，再以圆和廓线相交的两点为圆心作两个同样大小的圆，分别得到与第一个圆相交的两个交点，再分别作过两交点的直线得两直线相交于一点，再以这交点为圆心，以两直线交点到第一个小圆的圆心的距离为半径作圆，即此圆的半径为凸轮理论廓线最小的曲率半径。
4.5列表
项目
数据（mm）
r0
43.3
lO2O9
138.47
ρmin
36.72
rr
9
R1
34.3
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