机械牛头刨床连杆机构结构优化设计毕业论文.docx
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机械牛头刨床连杆机构结构优化设计毕业论文
机械牛头刨床连杆机构结构优化设计毕业论文
机械牛头刨床连杆机构结构优化设计
摘要
本文主要针对牛头创床连杆机构结构的优化，主要以六杆机构为例，且以切削过程中速度平稳这一问题展开的.牛头创床在切削过程中要求速度平稳，这样可得到较好的工件质量。
回程时，由于不切削工件，返回时的速度较大，有急回特性的特点。
传统的设计方法是选择较大的导杆摆角和合适的导路位置，这样急回特性明显，传动性能也得到了改善，机械效率也得到了提高。
本文是在国内外研究的背景之下，通过观察牛头创床六杆机构的整体结构，了解该机构的整体运动状态，利用动力学软件ＡＤＡＭＳ对其进行约束。
利用虚拟样机技术实现整个机构的仿真。
仿真出来的结果与理论数据作对比，对比验证试验仿真的可行性。
通过优化，发现优化后的速度接近实际的切削速度，速度相对于优化前的速度减小，从而实现创头在切削工件时速度平稳的要求。
优化后速度得到了平稳，加速度峰值减小了，提高了工件的寿命，急回特性明显增加。
关键词：
机械牛头刨床；连杆机构；仿真；ＡＤＡＭＳ；优化设计
StructuralOptimizationDesignofConnectingMechanismofMechanical
Abstract
Inthispaper,wemainlyaimattheoptimizationofthestructureoftheconnectingrodmechanismoftheNgauTaubed,whichismainlybasedonthesix-barmechanism,andthespeedofthecuttingprocessisverysmooth,sothatthespeedisstableinthecuttingprocess.Thequalityoftheworkpiece.Returntime,becausetheworkpieceisnotcut,thereturnofthelargerspeed,therearecharacteristicsofthecharacteristicsofemergency.Thetraditionaldesignmethodistochoosealargerpoleswingangleandtheappropriateguideposition,sothattherapidreturncharacteristicsoftheobvious,transmissionperformancehasalsobeenimproved,mechanicalefficiencyhasalsobeenimproved.
Inthispaper,underthebackgroundofdomesticandforeignresearch,byobservingtheoverallstructureoftheNgauTaubedsix-barmechanism,weunderstandtheoverallmotionofthemechanismandusethedynamicsoftwareADAMStoconstrainit.Realizethesimulationofthewholeorganizationwithvirtualprototypingtechnology.Thesimulationresultsarecomparedwiththetheoreticaldata,andthefeasibilityofthesimulationisverified.Throughoptimization,itisfoundthattheoptimizedspeedisclosetotheactualcuttingspeed,andthespeedisreducedwithrespecttothespeedbeforeoptimization,soastorealizetherequirementofsmoothcuttingoftheworkpiece.Afteroptimization,thevelocityissmooth,theaccelerationpeakisreduced,thelifeoftheworkpieceisimproved,andtherapidreturncharacteristicisobviouslyincreased.
Keywords:
Mechanicalbulldozerplaner;Linkagemechanism;Simulation;ADAMS;Optimizationdesign
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论1
1.1论文的研究背景1
1.2研究目的及意义2
1.3国内外相关领域的硏究现状3
第二章总体结构5
2.1牛头创床的结构组成5
2.2牛头刨床的工作原理5
2.3牛头刨床的连杆机构5
2.4牛头刨床的自由度分析6
2.5滑块速度的计算7
第三章牛头刨床的系统8
3.1主轴箱8
3.1.1主轴箱的电动机选择8
3.1.2电动机规格的选取8
3.1.3主轴箱上主传动轴设计9
3.1.41308调心滚子轴承设计11
3.2牛头刨床的结构设计12
3.2.1床身12
3.2.2主轴箱13
3.2.3摇臂机构13
3.2.4滑枕14
3.2.5工作台14
3.3传动机构组成及传动器工作原理14
第四章基于ＡＤＡＭＳ的牛头创床连杆机构的运16
动仿真16
4.1ＡＤＡＭＳ软件的简介16
4.２参数化建模16
4.2.1创建设计变量16
4.2.2坐标点参数化17
4.2.3模型仿真17
4.3机构参数优化17
4.3.1优化目标的选取17
4.3.2优化变量的确定17
4.3.2约束条件约束条件的建立18
结论与展望19
致谢20
参考文献21
第1章绪论
1.1论文的研究背景
我国创床事业的发展经历了漫长的岁月变化，尽管经历了无数次的失败，通过国人的不懈努力，创床事业还是在工业领域中崭露头角。
追溯到新中国成立之前，我国工业的发展水平较为落后。
当时人们都是通过人的低价劳动力，牲畜等来完成较大规模的工作量。
切削火型或重型材料时，都要花费乂量的时间，更不用去考虑人力和物为的消耗，虽然采用外国的先进技术在时间和空间上是有效的，但并非长久之计。
在这种情况下，虽然我国没有国外那样的先进设备，即便在这一技术领域中还相当落后，经过长期的奋斗和坚持，我们国家终于在这一领域中打破了僵局。
我国创床事业的进一步发展是在新中国成立Ｗ后开始的。
当时我国的工业一盘散沙，只有少许的资本家拥有一些独资机械，更谈不上所谓的创床Ｗ。
科学不断地发展，新技术不断地进入人们的视野当中，人类对产品的加工和生产也要求我们精益求精。
因此大量的先进机械设备随之而来。
现阶段，在机械制造行业中，机床是很重要的一种工业设备。
在众多的行业领域里，机床所承担的工作量是十分繁重的，所占的比重在整个机械领域中有一半Ｗ上。
因此，先进的机床从技术的角度出发，它不但能反映加王产品的质量和精度，同时也影响着我国经济的发展。
也就是说，如果好的设备没有得到发展，如果没有如今这些种类繁多的、精良的产品去促进我们改善陈旧的机床，我们很难得到我们屯、目中完美的产品。
机床是人们不断探索，不断去尝试，不断去创造的产物。
到了１８世纪中叶，人们不断地创新，不断地求真务实，机床才真正的发展起来，实现了真正意义上大型产品的加工。
当时，经济发展的趋势很快，一些欧美国家正从手工业不断地向资本主义机器化方向慢慢转变。
在机床领域中，制造业得到了蓬勃发展。
机床的出现提高了产品的精度，解放了大貴劳动人民的双手，不仅提高了工作的效率，同时标志着一个新的工业时代的诞生。
直到１９世纪末，各类机床如：
削床、统床、锭床、钻床、拉床等相应的制造出来。
通过人们的不断改进和设计，一步一步的得到今天如此高精度的机床。
而如今创床的种类变得非常多，
按照创床的结构分类，大体上可分为类：
（1）插床（立创床）：
这种机床在工作过程中是它的刀具在垂直平面内作往返运动，工作台作直线进给运动。
（2）悬臂创床：
这种机床在工作过程中是它的悬臂垂直刀架横向进给，侧刀架作垂直进给运动。
（３）牛头创床：
这种机床在切削工时，刀具安装在滑枕的刀架上通常作纵向的往复运动，工作台作横向或垂向间歇的进给运动。
在创床当中，有一种创床在传动过程中，滑枕带动创刀做直线往返运动，因此滑枕前端的刀架形似牛而命名为牛头创床。
如下图所示：
如图1-1牛头刨床
1.2研究目的及意义
本文主要讲牛头刨床连杆机构中的六杆机构，六杆机构是牛头仙床主传动机构的简化机构。
在整个加工过程中．滑枕的运动是切削过程中的主要运动，此运动在王作行程中作直线往复运动，它在整个运动过程中分为两个阶段，一个阶段为切削工件时的进给运动，另一阶段为回程阶段Ｗ。
在工作进程时，创刀切削金属工件时，在不影响加工质量的情况下，要求削头速度平稳，几乎接近匀速。
返回时创刀不切削工件，返回时的速度极快。
由于滑枕回程速度大于滑枕的工作行程的速度，因此回程时具有急回特性的特点Ｗ。
牛头创床中六杆机构是一个重耍的组成部分，在研究牛头创床六杆机构的领域中，传统的设计想法是改变导杆摆角，这样可Ｗ获得较大的急回特性，给定一个合适的导路位置，这样可Ｗ改善六杆机构的传动性能，但如何去改变创头切削时的速度无法凭经验决定。
这需要通过大量的试验去证明。
当今社会人曰众多，可Ｗ说巧众曰难调，人们不仅需要质量好的产品，同时在满足质量好的需求么外还要尽可能的节省材料、提高工作效率、达到最高效益。
因此人们不断地通过改进机构的结构和生产要求，希窜通过科学的手段实现更好的技术手段。
本义的主要研究呂的是在国内外研究的背景之下，通过观察牛头创床六杆机构的整体结构，了解该机构的整体运动状态，在将建立的牛头创床模型导入到ＡＤＡＭＳ软件中，通过对机构的分析，在ＡＤＡＭＳ软件中对机构添加约束和作用力，实现了牛头创床六杆机构在虚拟环境下的虚拟Ｗ。
利用ＰＲＯ化的Ｈ维建模技术，可Ｗ将牛头创床六杆机构的各部分逐一表达出来，通过装配可Ｗ看出各构件的连接方式。
利用ＡＤＡＭＳ软件可Ｗ形象地仿真出各个点。
不同时刻的运动状态，能完美地呈现出牛头创床的不同位置点受到不同因素的影响，在不同时间段和位置上机构几何参数的速度Ｗ及加速度。
利用优化设计的方法，找出杆长的选取范閱，找到最优杆长，从而提高牛头创床工作效率。
牛头削床的发展并不是随机而来的，而是通过人们的需求和在加工过程中不断进化而得出来的，牛头创床在加工工件过程中由于对产品的加工精度很高的标准，因此人们对切削工件的速度和精度也有更高的要求和限制。
在飞速发展的今天，万物皆向好的趋势更替发展，大量研究者不断涌入，对牛头创床也不断地研究和更改，虽然创床的种类不多，些研究者对创床机构的很多地方都做了相应的尝试和改造。
本文通过优化方法将影响创头切削速度的量为设计变量，通过不断地优化，找出影响削头切削速度的关键性因素。
送一方法的运用使创头在切削工件过程中速度得到了平稳，提高了加工工件的切削质量，利用虚拟样机的仿真技术代替了真实环境下大作业的工作貴。
节省了原材料的同时，也节省了人力和物力。
通过优化方法得到后的结论，将会给后续研究内容提供借鉴和参考。
1.3国内外相关领域的硏究现状
解放前夕，我国的机械加工厂少之有少，并品各个机械厂的规模都不是很大。
但是能够制造出少量的牛头创床。
解放前，我园创床的数量很少，种类也比较单一。
解放后，中网政府相当重视这一领域的发展，为了与罔民经济相协调在中国各大城市不断地扩建、新建创床厂，几年的努力，创床从小变大，从弱变强，不断占领了市场。
现在中国市场上的仙床品类齐全，可Ｗ算是一个大的体系。
随后人们通过不懈的努力和创新，终于在这一领域上崭露头角。
牛头创床的不断改进不仅给人们带來了便利，它的创造价值和经验也让更多未知新生事物的想象得到了Ｗ能。
牛头创床在加工中，急回特性主要表现在回程的速度大于进程的速度。
耸：
程的速度越乂表明急回特性越明显。
这是牛头创床六杆机构在加工过程中最主要的特征要求之一，目的是提高创床的工作效率Ｗ。
近年来我国学者潜屯研究不断提升牛头削床的工作性能和加工质量。
在牛头创床的各个领域中都有了进一步的发展。
钱文婷，徐承妍，李滨城等人利用ＭＡＴＬＡＢ软件对牛头倒床导杆机构进行了运动学分析或仿真，通过仿真直观的揭示了机构的运动规律和受力情况，采用微分的方法应用別ＭＵＬＩＮＫ进行仿真Ｗ。
使得今后在建立牛头创床导轨机构数学建模的过程中个格外方便快捷Ｗ。
李勉，赵玉成，顿文涛，蔡镇，谷小青，马斌强，袁超等人通过ＡＮＳＹＳ软件对牛头创床机构进行刚柔稱合动力分析，得到了导杆和连杆作为柔性体的创床机构的运动特征曲线和切削阻力作用下导杆和连杆的最大应力随时间变化的曲线，这一方法实现了在同一软件平台中刚柔稱合机械系统的运动分析。
兰州理工大学流体动力与控制学院的敏政、邵翔宇、王乐、王异凡等人，对牛头削床进行多目标规划下的优化设计，将目标规划通过ＭＡＴＬＡＢ程序实现Ｗ。
江苏大学的周埼通过利用虚拟样机技术代替了真实的牛头创床，利用ＡＤＭＡＳ软件绘制出图形与理论图形相对比，形象地表达出这一新技术的提出，为牛头创床新产品的诞生提出了借鉴意义。
昆明理工大学的岳艳琴、舒大文、尚鹏举等人利用ＡＤＡＭＳ建立虚拟样机模型，对该机构进行参数优化设计，在寻求最优目标函数的同时Ｗ机构在工作过程中最大压力角最小为目标两数，提高了机构的工作效率￡１０１。
还有很多中国学者对牛头创床的各部分都做了研究，如牛头创床的床身，抬刀装置等，都在为这一领域贡献自己的力量。
国外生产牛头创床的公司很多，往往这些公司都会根据工作性能和工作实况去生产相应类型的牛头创床，国外的专家和学也是不断地对牛头创床做了相应的研究和改进。
第2章总体结构
2.1牛头创床的结构组成
牛头创床大体上由床身、滑枕、刀架、工作台、进给机构和变速机构等主要部件组成。
如下图所示：
如图2-1牛头刨床结构图
2.2牛头刨床的工作原理
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。
2.3牛头刨床的连杆机构
由图可以看出牛头创床的运动状态和运动规律ｐｅｌ，由曲柄ＡＢ转动带动连杆和滑块使得创刀在工作平面内做往返运动。
创刀向右运动是进程，在加工工件过程中要求加工速度平稳，几乎接近匀速，这样不仅能提高加工工件质量还能减少
对刀具的磨损，同时能提离刀具的王作寿命。
向左运动是回程，由于回程是空程，所以时间短、速度较大所以具有急回特性。
如图2-3牛头刨床的机构示意图
2.4牛头刨床的自由度分析
1-曲柄2-滑块3-摆动杆4-连杆5-滑块
以铰链Ｃ点为坐标原点，建立机构的直角坐标系。
ｌ１，l3，ｌ４分别为曲柄１、摆动杆３、连杆４的长度、ｌ２，ｌ５分别为Ａ点、滑枕中心到Ｃ点的垂直距离。
ψ，φ，β分别为曲柄１、摆动杆３以及连杆４与水平方向的夹角（角
度均为逆时针方向）。
如图可知没有高副只有底副六个，两个滑动副五个转动副，由自由度的计算公式有3*5-2*7=1.
2.5滑块速度的计算
为Ｂ，Ｄ和Ｆ点的速度分析简图
如图2-5速度分析图
（１）Ｂ点速度：
根据速度合成定理，对于Ｂ点在滑块２上建立动点，摆动杆３为动系，则绝对速度为绕Ａ点的转动，相对速度为沿着摆动杆的移动，牵连速度为绕Ｃ点的转动。
故可以将Ｂ点速度ＶＢ分解为沿摆动杆３的移动ＶＢｒ，和绕Ｃ点的转动。
其中ＶＢ＝ｎπｌ１/３０。
根据图２-5可以得到
ＶＢｒ＝ＶＢsin（φ－ψ）ＶＢｅ＝ＶＢcos（φ－ψ）
ｗＣＤ＝ＶＢＳ２cos（φ－ψ）
（2）Ｄ点速度：
ＶＤ＝ｗＣＤｌ３＝ＶＢｌ３Ｓ２cos（φ－ψ），方向垂直摆动杆３向上。
（3）Ｆ点速度：
取连杆４为研究对象，将Ｄ点速度和Ｆ点的速度沿连杆４投影，根据速度投影定理，两者应该相等，由图２即可得到：
ＶＦ＝l/ｃｏｓβ[ＶＢｌ３Ｓ２cos（φ－ψ）sin（β－φ）]
第3章牛头刨床的系统
3.1主轴箱
变速箱由P=3千瓦，n=960转/分三相异步电动机驱动，电动机固定在床身后壁的支架上，变速箱内装有三根支撑于滚动轴承上的平行轴，下轴装有由齿轮组成的滑移齿轮，通过三角皮带得转动，伸在外面的操纵手柄B，将这些齿轮拨到适当位置，与中轴上的齿轮相啮合，使中轴得到三种速度。
上轴由9和7两齿轮组成滑移齿轮，再由伸在外面的操纵手柄A拨动该齿轮，使之与中轴上的齿轮适当啮合。
这样第三轴可得到6种速度，为避免齿轮损坏，变速时两个手柄应移到固定位置上，并禁止在机床运转时变速。
3.1.1主轴箱的电动机选择
查文献得刨刀工作时,切削力的大小约为:
不加切削液时为2000N.由于刨床在速度最慢时切削力最大所以先设计速度最小时变速箱的参数由机床技术参数最大工作行程550毫米,每分钟最小往复次数12.5,计算的刨刀需要的功率为P=FV=
选择电机容量P
3.1.2电动机规格的选取
1．查资料[4]选Y系列三相异步电动机：
Y132M2-6,功率P=3kW，转速n=960r/min
传动比分配：
总传动比i=960/12.5=76.8带传动传动比取i01=3.8
则i12=2,i23=2.2,i34=4.6
2．计算功率，转速，扭矩：
以下公式[5]
功率：
电机轴：
I轴:
II轴:
III轴：
Ⅵ轴：
1.88kW
各轴转速：
n0=960r/min
n1=n0/i01=960/3.8=252.63r/min
n2=n1/i12=252.63/2=126.32r/min
n3=n2/i23=126.32/2.2=57.41r/min
n4=n3/i34=57.41/4.6=12.5r/min
各轴扭矩：
轴1：
III轴：
Ⅳ轴：
3.1.3主轴箱上主传动轴设计
1.已知：
轴的最低转速n=252.63r/min，轴的功率P=2.197kw，转矩T=83.5N.m
2.计算轴的直径和长度
取轴的材料为45号钢，调质处理。
由手册查得C=120
由公式
（3.22）
代入数据：
；
；取β=0.5。
得
考虑到键槽对轴的强度有影响
取
mm
图3.2轴的结构示意图
取
mm此处安装调心滚子轴承该轴段长度
=100mm；
mm该轴段长度
mm；
mm此处安装滑移齿轮该轴段长度
mm；
mm该轴段长度
mm；
mm该轴段长度
mm；
mm此处安装油封装置，便于轴承盖的装拆及对轴承加润滑脂油该轴段长度
mm；
mm该轴段长度
mm；
mm此处安装调心滚子轴承1308则该轴段长度
。
3.求作用在齿轮上的力
（1）
KN
KN
KN
KN
KN
（2）水平面内弯矩
（3）竖直面内弯矩
（4）合成弯矩
（5）计算当量弯矩
，取
（6）校核轴的强度
查表得
=65MPa，β=0.6
mm
4.绘制弯矩扭矩图
3.3轴的载荷分析图
3.1.41308调心滚子轴承设计
初选两个调心轴承1308，公称压力角aP=20o 由手册查得CN=0.5，负荷性质为中等冲击，由表得fd=1.8。
传动轴转速 n=252.63r/min
由“传动轴”计算可知，皮带作用力Q=1932.5N,齿轮法向作用力Pn=4.3×103N
根据各支点的弯矩等于零得，即：
W1=0.222Q—466R2+628Pn=0
求得R2=6715N
W2=0,688Q—466R1+162Pn=0
求得R1=4348N
由于R2＞R1，所以只需计算支承2的寿命和静负荷
选定轴承调心球轴承，该轴承的参数为：
α=15o,Cr=71.5kN,CO=69.8kN。
要求寿命大于20000小时
1．核算轴承的寿命[5]
计算实际负荷
每个轴承承受的实际径向负荷为：
Fr=R2=6715N,
因为齿轮轴向负荷为：
Fa=S=1.25Frtanα=1.25×6715×tan15o≈2249N
计算当量动载荷
Fa/Fr=2249/6715≈0.33＜e=0.38
查表得X=1,Y=0,X0=0.5,Y0=0.46
在此情况下径向当量动载荷为：
Pr=Fr=6715N,因为是球轴承，取ε=3。
计算轴承寿命:
Lh=106/（60n）（Cr/P）ε=106/（60×240）×（71.5×103/6715）3≈83833h
此值大于要求寿命20000h，寿命符合要求。
2.校核轴承的静载荷
角接触球轴承的径向当量静载荷为：
P0=X0Fr+Y0Fa=0.5×6715+0.46×2249=4392N（3. 由表得安全系数So=1.5
故SoP0=1.5×4932=7398N＜C0=71500N，所以静负荷也符合要求。
3.2牛头刨床的结构设计
本设计的刨床主体结构是由床身、滑枕、工作台、主轴箱和摇臂机构组成。
如图3.2.1所示。
3.2.1床身
1－床身2－主轴箱3－滑枕4－工作台5摇臂机构
图3-2-1牛头刨床外形图
床身为铸铁的箱形壳体固定在底座上。
床身内装有变速机构和摇臂机构，床身上部装有两斜箱条与床身上平面组成供滑枕移动用的燕尾形导轨，二箱条中一个是固定的，另一个可以调整滑枕与导轨的间隙，床身前面为垂直方形导轨，横梁滑面沿此导轨移动，后面装一后罩，作防护用。
3.2.2主轴箱
变速箱由P=3千瓦，n=960转/分三相异步电动机驱动，电动机固定在床身后壁的支架上，变速箱内装有三根支撑于滚动轴承上的平行轴，下轴装有由齿轮组成的滑移齿轮，通过三角皮带得转动，伸在外面的操纵手柄B，将这些齿轮拨到适当位置，与中轴上的齿轮相啮合，使中轴得到三种速度。
上轴由9和7两齿轮组成滑移齿轮，再由伸在外面的操纵手柄A拨动该齿轮，使之与中轴上的齿轮适当啮合。
这样第三轴可得到6种速度，为避免齿轮损坏，变速时两个手柄应移到固定位置上，并禁止在机床运转时变速。
3.2.3摇臂机构
主轴箱里的旋转运动，经过摇臂机构
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