地大 机械原理课程设计牛头刨床设计1好学长不留名.docx
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地大机械原理课程设计牛头刨床设计1好学长不留名
机械原理课程设计
实习报告
专业：
机械设计制造及其自动化
课题：
牛头刨床机构设计
姓名：
学号：
班级序号：
072081
指导老师：
曾小慧王玉丹
实习时间：
2010.7.12-7.24
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目录
一、设计任务
二、牛头刨床简介及工作原理
三、原始参数
四、导杆机构的运动综合
五、用解析法作导杆机构的运动分析
六、导杆机构的动态静力分析
七、Matlab编程并绘图
八、行星轮系设计
九、变位齿轮设计
十、课程设计总结
十一、参考文献
十二、粉末成型压机方案设想
一、设计任务
1牛头刨床刀杆机构的运动综合、运动分析和动态静力分析；
2对牛头刨床传动装置中行星轮机构、齿轮机构进行综合。
二、牛头刨床简介及工作原理
图1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。
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，电动机经行星轮系和齿轮Z4、Z5减速带动曲柄2转动。
刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头和刨刀作往复运动。
刨头向左时，刨刀进行切削，这个行程称工作行程，刨头受到较大的切削力。
刨头右行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产力。
三、原始参数
H：
刨头行程；K：
行程速比系数；Fc切削阻力；m4m5m6分别为导杆、连杆及刨头的质量；J4、J5分别分别为导杆4及导杆5绕各自质心的转动惯量；m1、mH分别为行星减速器中心轮及齿轮4、5的模数；Z4，Z5为齿轮4及5的齿数；n1：
电机转速；n2：
曲柄2及齿轮5的转速；k：
行星轮个数。
导杆机构的运动分析和运动综合
导杆机构的动力分析
H
K
lO2O3
lO3O4/lO3B
lBF/lO3B
lBS5/lBF
m4
m5
m6
Js4
Js5
FC
单位
mm
mm
kg
kgm2
kg
600
1.8
370
0.5
0.3
0.5
22
3
52
0.9
0.015
1400
行星轮设计
变位齿轮
n1
n2
K
类型
m1
Z4
Z5
mH
α
单位
rpm
mm
mm
1000
80
3
2K-H
5
14
49
16
20
四、导杆机构的运动综合
设LO3B=L3LBF=L4LO3D=L'6LO2A=L1LO3O2=L6
LO3A=S3LDE=SE
1、导杆的摆角ψ
K=1.8
2、导杆的长度L3
3、连杆的长度L4
4、刨头导路中心线xx至O3点的垂直距离L'6
根据已知xx被认为通过圆弧BB’的绕度ME的中点D知
5、曲柄的长度L1
6、切削越程长度0.05H，如图所示
则切削越程长度为0.05H=0.05×600=30mm
7、机构运动简图
8、计算机构的自由度
F=3×5－2×7=1
五、用解析法作导杆机构的运动分析
如图所示，先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及其方位角。
其中共有四个未知量
、
、
、
。
为求解需建立两个封闭的矢量方程，为此需利用两个封闭的图形O3AO2O3及O3BFDO3，由此可得：
O3
并写成投影方程为：
由上述各式可解得：
由以上各式即可求得
、
、
、
四个运动变量，而滑块的方位角
=
。
然后，分别将上式对时间取一次、二次导数，并写成矩阵形式，及得一下速度和加速度方程式。
而
=
、
=
根据以上各式，将已知参数代入，即可应用计算机计算。
并根据所得数值作出机构的位置线图、速度线图、加速度线图。
这些线图称为机构的运动线图。
通过这些线图可以一目了然的看出机构的一个运动循环中位移、速度、加速度的变化情况，有利于进一步掌握机构的性能。
六、导杆机构的动态静力分析
受力分析时不计摩擦，且各约束力和约束反力均设为正方向
（1）对刨刀进行受力分析
（2）对5杆进行受力分析
联立
（1）
（2）（3）（4）（5）各式可以得到矩阵形式如下：
（3）对滑块3进行受力分析（不计重力）
（4）对4杆进行受力分析
（5）对原动件曲柄2进行受力分析
曲柄2不计重力，且转动的角速度一定，角加速度为零，惯性力矢和惯性力矩都为零
∑Fx=0,FR32x+FR12x=0；
∑Fy=0,FR32y+FR12y=0;
∑Mo2=0,FR32x×L2sinφ+FR32y×L2cosφ=0;
七、Matlab编程绘图
Matlab源程序：
clearall;clc;
%初始条件
theta1=linspace（-20.77,339.23,100）;%单位度
theta1=theta1*pi/180;%转换为弧度制
W1=80*pi/30;%角速度单位rad/s
H=0.6;%行程单位m
L1=0.1605;%O2A的长度单位m
L3=0.6914;%O3B的长度单位m
L4=0.2074;%BF的长度单位m
L6=0.370;%O2O3的长度单位m
L6u=0.6572;%O3D的长度单位m
Z=pi/180;%角度与弧度之间的转换
dT=（theta1（3）-theta1
（2））/W1;%时间间隔
forj=1:
100
t（j）=dT*（j-1）;%时间因素
end
%求解S3、Theta3、Theta4和SE四个变量
S3=（（L6）^2+（L1）^2-2*L6*L1*cos（theta1+pi/2））.^0.5;%求出O3A的值
fori=1:
100%求解角度theta3、Theta4和SE的长度
theta3（i）=acos（L1*cos（theta1（i））/S3（i））;
theta4（i）=asin（（L6u-L3*sin（theta3（i）））/L4）;
SE（i）=L3*cos（theta3（i））+L4*cos（theta4（i））;
end%求解完成
%求解完成
%求解VS3、W3、W4和VE四个变量
fori=1:
100
J=inv（[cos（theta3（i））,-S3（i）*sin（theta3（i））,0,0;
sin（theta3（i））,S3（i）*cos（theta3（i））,0,0;
0,-L3*sin（theta3（i））,-L4*sin（theta4（i））,-1;
0,L3*cos（theta3（i））,L4*cos（theta4（i））,0]）;
K=J*W1*[-L1*sin（theta1（i））;L1*cos（theta1（i））;0;0];
VS3（i）=K
（1）;
W3（i）=K
（2）;
W4（i）=K（3）;
VE（i）=K（4）;
end%求解完成
%求解aS3、a3、a4、aE四个变量
fori=1:
100
J=inv（[cos（theta3（i））,-S3（i）*sin（theta3（i））,0,0;
sin（theta3（i））,S3（i）*cos（theta3（i））,0,0;
0,-L3*sin（theta3（i））,-L4*sin（theta4（i））,-1;
0,L3*cos（theta3（i））,L4*cos（theta4（i））,0]）;
P=W1*W1*[-L1*cos（theta1（i））;-L1*sin（theta1（i））;0;0];
M=[-W3（i）*sin（theta3（i））,-VS3（i）*sin（theta3（i））-S3（i）*W3（i）*cos（theta3（i））,0,0;
W3（i）*cos（theta3（i））,VS3（i）*cos（theta3（i））-S3（i）*W3（i）*sin（theta3（i））,0,0;
0,-L3*W3（i）*cos（theta3（i））,-L4*W4（i）*cos（theta4（i））,0;
0,-L3*W3（i）*sin（theta3（i））,-L4*W4（i）*sin（theta4（i））,0];
N=[VS3（i）;W3（i）;W4（i）;VE（i）];
K=J*（-M*N+P）;
aS3（i）=K
（1）;
a3（i）=K
（2）;
a4（i）=K（3）;
aE（i）=K（4）;
end%求解完成
%动态静力分析
%初始条件
M4=22;
M5=3;
M6=52;
Js4=0.9;
Js5=0.015;
Fc=1400;
Ls4=0.5*L3;
Ls5=0.5*L4;
%给切削阻力赋值
fori=1:
100
if（（abs（SE
（1）-SE（i））>0.05*H&&abs（SE
（1）-SE（i））<0.95*H）&&（theta1（i）Fc（i）=1400;
else
Fc（i）=0;
end
end%赋值完成
%求解平衡力矩
J4=Js4+M4*（0.5*L3）*（0.5*L3）;%导杆对点O3的转动惯量
fori=1:
100
Ekk（i）=（M6*VE（i）*VE（i）+Js5*W4（i）*W4（i）+M5*VE（i）*VE（i）+J4*W3（i）*W3（i））/2;%计算总动能
end
dEkk
（1）=Ekk
（1）-Ekk（100）;%动能的改变量
fori=2:
100
dEkk（i）=Ekk（i）-Ekk（i-1）;%动能的改变量
end
fori=1:
100
MM（i）=（dEkk（i）+Fc（i）*abs（VE（i）））/W1;%求平衡力矩
end
%画图
%画运动图
figure
（1）;
plot（t,theta3,'r'）;holdon;
plotyy（t,theta4,t,SE）;gridon;
xlabel（'时间t/s'）;
ylabel（'theta3、theta4（rad）'）;
title（'角度Theta3、theta4和位移SE'）;
axis（[0,0.75,-0.2,2]）;
figure
（2）;
plot（t,W3,'r'）;holdon;gridon;
plotyy（t,W4,t,VE）;
xlabel（'时间t/s'）;
ylabel（'W3、W4（rad/s）'）;
title（'角度速度W3、W4和速度VE'）;
axis（[0,0.75,-5,3]）;
figure（3）;
plot（t,a3,'r'）;holdon;
plotyy（t,a4,t,aE）;gridon;
xlabel（'时间t/s'）;
ylabel（'a3、a4（rad/s/s）'）;
title（'角度加速度a3、a4和加速度aE'）;
axis（[0,0.75,-80,80]）;
%运动图画完
%画反力图
figure（4）;
plotyy（theta1,Fc,theta1,SE）;
xlabel（'Theta1（时间t）'）;
ylabel（'Fc'）;
axis（[theta1
（1）,theta1（100）,-50,1400]）;
title（'切削阻力Fc与位移SE'）;gridon;
figure（5）;
plotyy（theta1,MM,theta1,Fc）;
xlabel（'Theta1（时间t）'）;
ylabel（'力矩'）;
axis（[theta1
（1）,theta1（100）,-50,300]）;
title（'平衡力矩'）;gridon;
figure（6）;
plotyy（theta1,Ekk,theta1,SE）;
xlabel（'Theta1（时间t）'）;
ylabel（'Fc'）;
title（'导杆、连杆和刨头的总动能'）;gridon;
theta1
（1）
theta1（100）
各个图像如下所示：
八、行星轮系设计
已知Z4=14，Z5=49，n1=1000rpm，
行星轮系的设计必须满足四个条件：
（1）传动比条件
固定行星架H
（2）同心条件
（3）均布条件
（4）邻接条件
由以上各式可得配齿公式
且Z1Z2Z3为整数，齿轮结构要紧凑
则Z1=42Z2=33Z3=108
由于各齿轮的齿数都大于17，故为标准齿轮传动。
行星系齿轮的参数
九、变位齿轮设计
（1）确定传动类型
已知
则为等变位齿轮传动
（2）确定变位系数
对于变位齿轮，为有利于强度的提高，小齿轮4采用正变位，大齿轮5采用负变位，，使大小齿轮的强度趋于接近，从而使齿轮承载能力提高。
（3）检验重合度
故满足重合度要求
（4）变位齿轮4、5的几何尺寸
十、课程设计总结
通过这次机械原理课程设计，提高了我们综合运用机械原理课程理论的能力，培养了分析和解决一般机械运动实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。
掌握了一些常用执行机构、传动机构或简单机器的设计方法和过程。
这次机械设计课程设计历时了一个多星期，时间上虽有些紧张，做设计的时候有些东西也是现学现卖。
但这样的安排可以让我们利用一整段时间巩固和学习新的知识，把所学运用到实际设计当中。
在所学理论知识的基础上也充分的发挥了创造性。
各类资料的查询也熟练了很多。
自己的计算机绘图水平也有了一定的提高，并对所学知识有了进一步的理解。
当然，作为自己的第一次设计，其中肯定有太多的不足，希望在今后的设计中，能够得到改正，使自己日益臻于成熟，专业知识日益深厚。
。
“功到自然成.”只有通过不锻炼,自己才能迎接更大的挑战和机遇,我相信我自己一定能够在锻炼成长.
十一、参考文献
《机械原理（第七版）》
孙恒，陈作模，葛文杰，高等教育出版社，2000
《机械原理课程设计手册》
邹慧君主编，高等教育出版社，1998
《MATLAB基础与应用简明教程》
张平等编著，北京航空航天大学出版社，2005
《机械原理*分析*综合*优化》
（德）K.洛克（KurtLuck）K.—H.莫德勒（Karl-HeinzModler）
孔建益（译）陆锡年（校）机械工业出版社，2003
十二、粉末成型压机方案设想
（1）机构传动示意图
（2）工作原理和工艺动作分解
要保证系统的正常工作，须使三个执行机构协调运动，故需做机构运动的协调设计，即机械运动循环图的设计，现分析如下：
所选系统具有一个模具（圆筒形型腔）和三个执行构件（一个上冲头，一个下冲头和一个料筛）。
根据工艺过程，三个执行构件的运动形式为：
（1）上冲头完成往复（铅垂上下）直移运动，下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，因冲头上升后要留有送粉器的进入的空间、故冲头行程约为90110mm。
若机构主动件一转
（2）完成一个运动循环,。
（2）在上模冲压制粉末的过程中，下冲模始终固定不动，即单向压制，当上模冲上行回位时，下模冲上顶压坯脱模，当压坯被顶出行腔后，下冲模固定不动，待送粉器将压坯推出型腔后，下冲模下行回位，此过程下冲模做间歇往复直线运动。
（3）送粉器在模具型腔上方往复振动，然后向左退回，待坯料成形并被推出型腔后，送粉器再在台面上右移约4550mm推移成形片坯，其最大行程为110mm。
注意：
为减小因速度突变而产生的刚性冲击，完成上述过程的凸轮机构可采用三角函数运动规律。
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