机械原理课程设计牛头刨床.docx
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机械原理课程设计牛头刨床
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第一章设计的任务与原始参数
1.1设计任务
●题目：
牛头刨床
●工作原理：
牛头刨床是一种常用的平面切削加工机床，电动机经带传动、齿轮传动（图中未画出）最后带动曲柄1（见图1）转动，刨床工作时，是由导杆机构1-2-3-4-5带动刨头和刨刀作往复运动，刨头5右行时，刨刀切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀；刨头左行时，不进行切削，称空回行程，此时速度较高，以节省时间提高生产率，为此刨床采用有急回作用的导杆机构。
图1
牛头刨床的工艺功能要求如下：
1）刨削速度尽可能为匀速，并要求刨刀有急回特性。
2）刨削时工件静止不动，刨刀空回程后期工件作横向进给，且每次横向进给量要求相同，横向进给量很小并可随工件的不同可调。
3）工件加工面被抛去一层之后，刨刀能沿垂直工件加工面方向下移一个切削深度，然后工件能方便地作反方向间歇横向进给，且每次进给量仍然要求相同。
4）原动机采用电动机。
●
设计步骤：
运动方案设计电动机的选择齿轮机构设计（m=4~7）主机构设计主机构运动分析（矩阵解析法）主机构受力分析（可用图解法）主机构的速度波动调节小结编制说明书
1.2原始参数
刨削平均速度Vm=530mm/s行程速度变化系数K=1.46
刨刀冲程H=320mm切削阻力Fr=3500N
空行程摩擦阻力175N刨刀越程量ΔS=16mm
刨刀重量550N杆件线密度220kg/m
机器运转速度许用不均匀系数δ=0.05
图2
第二章运动方案设计·
2.1减速装置的选择
原动机采用电动机，转速较快，故电机转子的回转运动需要通过减速装置再传给刨刀切削运动的执行机构，来使动力速度达到设定值，定轴轮系结构简单紧凑，决定选用定轴轮系作为减速装置。
2.2刨刀切削运动的实现结构
按照原始条件，原动机采用电动机，电机转子的回转运动经过减速传动装置后再传给刨刀切削运动的执行机构，所以它应具备将回转运动转换成双向移动的功能，常用于实现这一功能的执行机构有以下几种：
（1）移动从动件凸轮机构：
易实现工作行程为匀速及具有急回特性的要求，但受力差，易磨损，行程大时基圆大，凸轮尺寸大，较难平衡和制造。
（2）平面连杆机构：
受力好，磨损小，工作可靠，且具有急回特性，但只能实现近似均速运动。
（3）齿条机构：
可实现工作行程为匀速移动的要求，但行程开始及终止时有冲击，适用于大行程而不宜小行程，且必须增加换向变速机构才能得到急回运动。
（4）螺旋机构：
能得到均速移动的工作行程，且为面接触，受力好，但行程开始和终止时有冲击，安装和润滑较困难，且必须增设换向和变速机构，才能得到急回运动。
（5）组合机构：
如凸轮——连杆组合机构，能实现给定的运动要求，但具有凸轮机构存在的缺点，且设计制造较复杂。
综上所述，刨刀切削运动采用平面六杆机构。
第三章电动机的选择
3.1确定电机功率Pd
1）根据机构位置、切削阻力Fr及空程阻力Fr1确定一个运动循环中阻力矩所做的功。
Wr=Fr×（H-2ΔS）+Fr1×（H+2ΔS）（3-1）
Wr=1069.6J
2）计算刨刀切削运动所需的功率
Pr=Wr×kVm/H（1+k）（3-2）
Pr=1051.393W
3）考虑到机械摩擦损失及工件横向进给运动所需功率（估算其效率为80%）
Pd=1/0.8*Pr（3-3）
Pd=1314.2W
3.2根据Pd查得电动机部分型号表选择电动机
型号
额定
功率
额定
电流
转速
效率
功率
因数
堵转转矩
堵转电流
最大转矩
噪声
振动
速度
重量
额定转矩
额定电流
额定转矩
1级
2级
kW
A
r/min
%
COSФ
倍
倍
倍
dB（A）
mm/s
Kg
同步转速3000r/min2级
Y80M1-2
0.75
1.8
2830
75.0
0.84
2.2
6.5
2.3
66
71
1.8
17
Y80M2-2
1.1
2.5
2830
77.0
0.86
2.2
7.0
2.3
66
71
1.8
18
Y90S-2
1.5
3.4
2840
78.0
0.85
2.2
7.0
2.3
70
75
1.8
22
Y90L-2
2.2
4.8
2840
80.5
0.86
2.2
7.0
2.3
70
75
1.8
25
Y100L-2
3
6.4
2880
82.0
0.87
2.2
7.0
2.3
74
79
1.8
34
Y112M-2
4
8.2
2890
85.5
0.87
2.2
7.0
2.3
74
79
1.8
45
Y132S1-2
5.5
11.1
2900
85.5
0.88
2.0
7.0
2.3
78
83
1.8
67
同步转速1500r/min4级
Y80M1-4
0.55
1.5
1390
73.0
0.76
2.4
6.0
2.3
56
67
1.8
17
Y80M2-4
0.75
2
1390
74.5
0.76
2.3
6.0
2.3
56
67
1.8
17
Y90S-4
1.1
2.7
1400
78.0
0.78
2.3
6.5
2.3
61
67
1.8
25
Y90L-4
1.5
3.7
1400
79.0
0.79
2.3
6.5
2.3
62
67
1.8
26
Y100L1-4
2.2
5
1430
81.0
0.82
2.2
7.0
2.3
65
70
1.8
34
Y100L2-4
3
6.8
1430
82.5
0.81
2.2
7.0
2.3
65
70
1.8
35
Y112M-4
4
8.8
1440
84.5
0.82
2.2
7.0
2.3
68
74
1.8
47
Y132S-4
5.5
11.6
1440
85.5
0.84
2.2
7.0
2.3
70
78
1.8
68
同步转速1000r/min6级
Y90S-6
0.75
2.3
910
72.5
0.7
2.0
5.5
2.2
56
65
1.8
21
Y90L-6
1.1
3.2
910
73.5
0.7
2.0
5.5
2.2
56
65
1.8
24
Y100L-6
1.5
4
940
77.5
0.7
2.0
6.0
2.2
62
67
1.8
35
Y112M-6
2.2
5.6
940
80.5
0.7
2.0
6.0
2.2
62
67
1.8
45
Y132S-6
3
7.2
960
83.0
0.8
2.0
6.5
2.2
66
71
1.8
66
Y132M1-6
4
9.4
960
84.0
0.8
2.0
6.5
2.2
66
71
1.8
75
Y132M2-6
5.5
12.6
960
85.3
0.8
2.0
6.5
2.2
66
71
1.8
85
Y160M-6
7.5
17
970
86.0
0.8
2.0
6.5
2.0
69
75
1.8
116
Y160L-6
11
24.6
970
87.0
0.8
2.0
6.5
2.0
70
75
1.8
139
综合选择Y90L-4电动机，额定功率1.5KW，转速1400r/min.
第四章传动比分配
4.1计算传动比i和选定减速装置
电机轴转速nd比执行机构原动件（曲柄AB）的转速n1大得多，其比值
，所以其间必须配置减速机构，可以根据i值选定减速机构的类型组合。
i=（4-1）
=22.94
因传动比较大，普通轮系传动比不高，故决定采用电动机→V带轮→2K-H型行星齿轮系负号机构组成
第五章减速机构设计
5.1总体方案图
●传动效率：
对滚动轴承ηb=0.99
联轴器ηc=0.99
V带轮ηv=0.94
2K-H型行星齿轮系η2k-h=0.98
η总=ηc·ηb·ηv·ηb·ηc·η2k-h（5-1）
η总=0.885
5.2减速零件参数
结合减速方案及查阅机械设计手册得：
V带轮基准直径:
小轮Dd1=31.5mm，大轮Dd2=125mm
滑移系数:
ε=0.015传动比
（5-2）
考虑到齿数大于100的齿轮滚切时，会因找不到合适的挂轮而影响加工，查阅NGW型行星齿轮传动齿数表得:
Z1=20，Z2=37，Z3=94
传动比
（5-3）
（5-4）
（5-4）
4.0287*5.7=22.96
非常接近原先设计的减速机构传动比
齿轮详细参数如下：
齿轮Z1Z2Z3
齿数203794
模数m444
压力角α（˚）202020
分度圆直径d（mm）80148376
齿顶高ha（mm）444
齿根高hf（mm）555
齿全高h（mm）999
齿顶圆直径da（mm）88156368
齿根圆直径df（mm）70138366
基圆直径db（mm）75.1754139.0745353.3244
齿距p（mm）12.566412.566412.5664
基圆齿距（法向）pb（mm）11.808511.808511.8085
齿厚s（mm）6.28326.28326.2832
第六章主机构设计
1.1机构运动简图及标号
图4
1.2极位夹角、曲柄1（杆AB）角速度及各杆件长度计算
极位夹角
（6-1）
θ=33.65853659˚
刨刀工作行程的刨削平均速度
（6-2）
曲柄1角速度ω1=6.17623rad/s
转速
（6-3）
=61.03903
试定l6=0.3m,其它各杆件长度可以根据左右两极限位置的三角关系计算，可以很方便精确地使用matlab计算，并且可以在修改杆件l6的值时马上算得其它各杆件的值，源代码如下：
clear;
k=1.46;
l6=0.3;
h1=320;h=0.5*h1;%刨刀冲程
theta0=（0.5*pi*（k-1））/（k+1）;%极位夹角的一半（弧度）
l1=sin（theta0）*l6;
l3=h/sin（theta0）;
l4=（l3-（h/tan（theta0）））/（2*sin（theta0））;
l61=l3*cos（theta0）+l4*sin（theta0）;%计算各杆长度
savejisuanl;%写入到文件中供后面计算矩阵使用
结果如下：
（单位：
m）
l1
l3
l4
l6
l61
0.086856
0.5564
0.040875
0.3
0.5408
第七章主机构运动分析
7.1.位置分析
如图3所示，由于这里有四个未知量，为了求解需要建立两个封闭的矢量方程。
由封闭图形ABCA可写出一个矢量方程
l6+l1=S3（7-1）
分别在xy轴上投影得方程组1
l1=s3（7-2）
l6+l1=s3（7-3）
由上式得
s3=（7-4）
=s3）（7-5）
由封闭图形CDEGC可写出一个矢量方程
l3+l4=+sE（7-6）
分别在xy轴上投影得方程组2：
l3+l4=sE（7-7）
l3+l4=（7-8）
由上式得
=（7-9）
sE=l3+l4（7-10）
7.2.速度分析
将式1和2对时间t求一次导数，得速度关系,并写成矩阵形式，
=ω1
7.3.加速度分析
将式1和2对时间t求二次导数，得速度关系,并写成矩阵形式，
=
-+ω1
7.4矩阵计算及绘图
matlab程序如下：
（为使结果更加精确，将前面写入到文件里的数据直接加载过来）
clear;
w1=6.17623;
loadjisuanl;%载入前面保存的数据文件，包含参数l1l3l4l6l61等
forn=1:
3601;
theta1（n）=（n-1）*pi/1800;
s3（n）=sqrt（（l1*cos（theta1（n）））.^2+（l6+l1*sin（theta1（n）））.^2）;
theta3（n）=acos（l1*cos（theta1（n））/s3（n））;
theta4（n）=pi-asin（（l61-l3*sin（theta3（n）））/l4）;
se（n）=l3*cos（theta3（n））+l4*cos（theta4（n））;%位移及角位移表达式
A1=[cos（theta3（n））,-s3（n）*sin（theta3（n））,0,0;
sin（theta3（n））,s3（n）*cos（theta3（n））,0,0;
0,-l3*sin（theta3（n））,-l4*sin（theta4（n））,-1;
0,l3*cos（theta3（n））,l4*cos（theta4（n））,0];
B1=w1*[-l1*sin（theta1（n））;l1*cos（theta1（n））;0;0];
D1=A1\B1;
v23（n）=D1
（1）;
w3（n）=D1
（2）;
w4（n）=D1（3）;
ve（n）=D1（4）;
A2=[cos（theta3（n））,-s3（n）*sin（theta3（n））,0,0;
sin（theta3（n））,s3（n）*cos（theta3（n））,0,0;
0,-l3*sin（theta3（n））,-l4*sin（theta4（n））,-1;
0,l3*cos（theta3（n））,l4*cos（theta4（n））,0];
B2=-[-w3（n）*sin（theta3（n））,（-v23（n）*sin（theta3（n））-s3（n）*w3（n）*cos（theta3（n）））,0,0;
w3（n）*cos（theta3（n））,（v23（n）*cos（theta3（n））-s3（n）*w3（n）*sin（theta3（n）））,0,0;
0,-l3*w3（n）*cos（theta3（n））,-l4*w4（n）*cos（theta4（n））,0;
0,-l3*w3（n）*sin（theta3（n））,-l4*w4（n）*sin（theta4（n））,0];
C2=w1*[-l1*w1*cos（theta1（n））;-l1*w1*sin（theta1（n））;0;0];
B=B2*D1+C2;
D2=A2\B;
a23（n）=D2
（1）;
a3（n）=D2
（2）;
a4（n）=D2（3）;
ae（n）=D2（4）;
end;
theta11=theta1*180/pi;
y=[theta3*180/pi;theta4*180/pi];
w=[w3;w4];
a=[a3;a4];
figure
（1）;
subplot（2,1,1）;
[ax]=plotyy（theta11,y,theta11,se）;
axisauto;
gridon;
title（'位移线图'）;
xlabel（'\it\theta1'）;
set（get（ax
（1）,'ylabel'）,'string','角位移/（\circ）'）;
set（get（ax
（2）,'ylabel'）,'string','位移/m）'）;
text（22,190,'\theta_4'）;
text（22,140,'S_E'）;
text（22,90,'\theta_3'）;%标注曲线
subplot（2,2,3）;
[ax]=plotyy（theta11,w,theta11,ve）;
gridon;
axisauto;
title（'速度线图'）;
xlabel（'\it\theta1'）;
set（get（ax
（1）,'ylabel'）,'string','角速度/（rad/s）'）;
set（get（ax
（2）,'ylabel'）,'string','速度/（m/s）'）
text（22,3.5,'\omega_4'）;
text（22,1.5,'\omega_3'）;
text（22,-1,'V_E'）;
subplot（2,2,4）;
[ax]=plotyy（theta11,a,theta11,ae）;
gridon;
axisauto;
title（'加速度线图'）;
xlabel（'\it\theta1'）;
set（get（ax
（1）,'ylabel'）,'string','角加速度/（rad/s^2）'）;
set（get（ax
（2）,'ylabel'）,'string','加速度/（n/s^2）'）;
text（10,25,'\alpha_4'）;
text（10,0,'\alpha_3'）;
text（10,-45,'\alpha_E'）;
F=[theta11;
theta3./pi*180;
theta4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae]';
G=F（1:
100:
3601,:
）
7.5输出图像及数据表格
机构的位置线图、速度线图和加速度线图
各构件的位置、速度和加速度
第八章主机构受力分析
在A1图纸上面画出θ1分别为0˚90˚270˚时各个构件的受力图，然后分析各个构件的受力并求出各个未知力的大小。
先求出各个构件的惯性力和惯性力矩并将大小和方向在A1图纸上面表示出来，对构件4运用质量代换法，将构件4的质量集中到DE两点求其惯性力，同时将杆件的相互作用力用来表示，最后标出每个杆件的自身重力用Gx表示。
（8-1）
（8-2）
8.1位置1：
θ1=0˚
引用前面的输出数据：
在A1图纸上画出牛头刨床各杆的受力图，将每个力分解沿XY坐标轴方向：
F5=-maE（8-3）
F5+Fr1=FR45x（8-4）
分析杆4，用质量代换法处理，DE两端各为m4，其惯性力矩分别为F41、、
m4=ρl·l4（8-5）
F41=-m4·aE（8-6）
=m4··l3（8-7）
=-m4·α3·l3（8-8）
（FR45y+0.5G4）·l4·sin（θ4-90˚）=（FR45x+F41）·l4·cos（θ4-90˚）（8-9）
X方向上有：
F41+FR54X=FR34X+·cosθ3+·sinθ3（8-10）
Y方向上有：
FR34Y+·cosθ3=·sinθ3+FR54Y+G4（8-11）
返回分析杆5：
Y方向上有：
G5=FR45Y+FF1+FF2（8-12）
对E点取矩：
ME=FF2·（H-SE）-FF1（H+SE）=0（8-13）
继续分析杆3：
其惯性力、，惯性力矩为M3
m3=ρl·l3（8-14）
=m3··l3（8-15）
=-m3·α3·l3（8-16）
M3=J·α3=·ρl·（8-17）
MC=··l3+FR23·LCB-FR43X·l3·sinθ3-FR43Y·l3·cosθ3-9.8*m3·cosθ3+M3=0（8-18）
lCB·cosθ3=l1·cosθ1（8-19）
X方向上有：
FRCX+FR43X=（FR23+）·sinθ3（8-20）
Y方向上有：
FRCY+（FR23+）·cosθ3=FR43Y+G3（8-21）
继续分析滑块2：
X方向上有：
FR23·sinθ3=FR12X（8-22）
Y方向上有：
FR23·cosθ3=FR12Y（8-23）
最后分析曲柄1：
其惯性力为F1
m1=ρl·l1（8-24）
F1=m1··l1（8-25）
X方向上有：
F1+FR61X=FR21X（8-26）
Y方向上有：
FR61Y=9.8*m1+FR21Y（8-27）
带入数据逐次解得：
（单位N）
F5FR45XF41FR54YFR34XFR34YFF1FF2
267.45442.45184.580.572.16117.60628.95205.6978.93353.47
FR23FRCXFRCYFR12XFR12YF1FR61XFR61Y
7.77293.332415.001972.54652.282319.73671.6231.662288.07858.89
8.2位置2：
θ1=90˚
在A1图纸上画出牛头刨床各杆的受力图，将每个力分解沿XY坐标轴方向：
F5=-maE（8-28）
F5+Fr=FR45x（8-29）
分析杆4，用质量代换法处理，DE两端各为m4，其惯性力矩分别为F41、、
m4=ρl·l4（8-30）
F41=-m4·aE（8-31）
=m4··l3（8-32）
（FR54y-0.5G4）·l4·cos（θ4-180˚）=（FR54x+F41）·l4·sin（θ4-180˚）（8-33）
X方向上有：
F41+FR54X=FR34X（8-34）
Y方向上有：
FR34Y++G4=FR54Y（8-35）
返回分析杆5：
Y方向上有：
G5+FR45Y=FF1+FF2（8-36）
对E点取矩：
ME=FF2·（H-SE）-FF1（H+SE）=0（8-37）
继续分析杆3：
其惯性力、，惯性力矩为M3
m3=ρl·l3（8-38）
=m3··l3（8-39）
MC=FR23·LCB-FR43X·l3=0[8-40]
lCB=l6+l1（8-41）
X方向上有：
FRCX+FR43X=FR2（8-42）
Y方向上有：
FRCY+FR43Y=+G3（8-43）
继续分析滑块2：
X方向上有：
FR23=FR12X（8-44）
最后分析曲柄1：
其惯性力为F1
m1=ρl·l1（8-45）
F1=m1··l1（8-46）
X方向上有：
FR61X=FR21X（8-47）
Y方向上有：
FR61Y=G+F1（8-48）
带入数据逐次解得：
（单位N）
F5FR45XF41FR54YFR34XFR34YFF1FF2
18.043518.041.454.8111
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