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1、机械工程学院机械原理课程设计课程名称 机械原理课程设计 题目名称 牛头刨床 专业班级 2012 级机械设计制造及其自动化本科班 学 号 学生姓名 指导教师 日 期 2016-1-13 0一、牛头刨床的工作原理牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图 1 所示。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）完成刨头的往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程。此时要求速度较低并且均匀，以减小电动机容量和提高切削质量。刨头左行时，刨刀不切削，称为空行程，此时要求速度较高，以提高生产率。刨刀每切削一次，利用空回行程的时间，工作台应连同工作件作一次进给运动，以便刨刀继
2、续切削，刨头在工作过程中，受到很大的阻力，在切削的前后各有一段约 0.05H 的空刀距离(如图 2)，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，受力变化较大，这就影响了主轴的平衡运转，故须安装飞轮一减小主轴的速度波动，提高切削质量和减小电动机容量。1二、设计内容(1) 根据牛头刨床的工作原理，拟定 23 个其他形式的执行机构（连杆机构） ，并对这些机构进行分析对比；(2) 根据给定的数据（表 1）确定机构的运动尺寸（任选 1 组），用图解法对导杆机构进行运动分析，并将设计结果和步骤写在设计说明书中；(3) 基于 ADAMS 软件，构建导杆机构的参数化模型，进行仿真分析，输出刨头和导
3、杆的位移曲线（ ） 、速度曲线S（ ） 、加速度曲线（ ） ；输出各运动副位置所受到的反a力。 （要求将参数化建模过程以及输出的仿真曲线在任务书中详细给出）(4) 编写设计说明书。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程，机构运动简图（A3 纸）等。2表 1题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10转速 1n48 49 48 55 60 56 52 50 47 50机架 21OL400 350 380 410 380 370 360 370 390 430工作行程 H250 300 310 310 310 320 330 380 390 400行程速比系数 K1.34 1.40 1.46 1
4、.37 1.46 1.48 1.44 1.53 1.5 1.4导杆机构运动分析连杆与导杆之比 BOCL10.32 0.3 0.25 0.25 0.28 0.26 0.33 0.3 0.33 0.36工作阻力 ( )rFN5200 4600 4500 4000 6000 5500 4000 4100 4200 3800导杆质量( )(3m)kg24 20 20 28 26 22 20 22 26 22滑块质量( )590 70 70 70 80 62 80 80 80 80导杆机构动态静力分析导杆质心转动惯量 ( )3SJ2kgm1.3 1.1 1.1 1.1 1.2 1.2 1.2 1.2 1
5、.2 1.2三、设计数据与要求（1）设计要求3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；凸轮机构的最大压力角应在许用值之内，摆动从动件 9 的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。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。（2）设计数据（题号 4 数据）转速 n2(r/min) 55机架 lO2O4(mm) 410工作行程 H(mm) 310行程速比系数 K 1.37导杆机构运动分析连杆与导杆之比 0.25工
6、作阻力 Fmax(N) 4000导杆质量 m4 (kg) 28滑块 6 质量 m6 (kg) 70导杆机构动态静力分析 导杆 4 质心转动惯量 Js4 (kg m2) 1.14四、方案选项方案一如下：说明：电动机带动曲柄，曲柄带动连杆传动，连杆迫使刨刀往复运动。自由度F=3*n-(2p1+pn)=3*5-2*7=1评价：该方案整体上是不错的，制造成本低，而其急回性能好，稳定，精确性能好，但是利用杠杆传力该机构的承载能力不够好。方案二：方案为偏置曲柄滑块机构。评价：结构简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随
7、着行程速比系数 K 的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。5方案三如下说明：该机构具有确定的运动，自由度 F=3*n-(2p1+pn)=3*5-2*7=1 电机带动曲柄，曲柄带动滑块移动，滑块带动摇杆摆动，摇杆带动滑块，滑块迫使刨刀往复运动，评价：该方案的工作性能相当好，无论从传力性、精确性上都是相对比较好的。五、主机构运动方案的确定以上三个方案相比，方案三的具有较少的移动副，刨削质量好，且冲击震动较小，摩擦阻力要少于一方案，由此看来方案三更理想。速度均方根偏差方案三的要小于方案一，说明方案三的速度波动更小。主机构在切削的过程中能够获得更加平稳的运动速度，更加符合设计要求。 综上所述，选用方案
8、二作为机构的主切削机构。(一）导杆机构设计要求概述：6图 5-1已知曲柄每分钟的转数 ，各构件尺寸，且刨头导路 位于导杆端头 B 所2nx-作圆弧的平分线上。要求作机构的运动简图，并作机构一个位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图，画在 2 号图纸上。（二）计算过程：已知数据 n2=55r/min 得 2=255/60(rad/s)=5.76rad/s 根据图示 3-1-2 可知，求极位夹角 :=180(K-1)/(K+1)=28LAO2=100mm.lBO4=638mm求连杆长度： l BC= lBO4 *0.25=160mm 0.05H 的空刀距离: 0.05*310=15.5mm7图
9、 5-2取一点（3）速度,加速度分析；取曲柄位置“3”进行速度分析。如图示;因构件 2 和 3 在 A 处的转动副相连，故 A3= A2，其大小等于 2 lO2A，方向垂直于 O2 A线，指向与 2一致。确定构件 3 上 A 点的速度： 构件 2 与构件 3 用转动副 A 相联，所以 A3= A2。又 A2= 2lO2A =0.15.76=0.576m/s求 4V的速度： 选取速度比例尺 ： v=0.03(m/s)/mm; A4 = A3 + A4A3方向： BO 4 AO 2 BO 4 大小： ？ 2lO2A ？8图 5-3用图解法求解如图 5-3：式中 A3、 A4表示构件 3 和构件 4
10、 上 A 点的绝对速度， A4A3表示构件4 上 A 点相对于构件 3 上 A 点的速度，其方向平行于线段 BO4，大小未知；构件4 上 A 点的速度方向垂直于线段 BO4，大小未知。在图上任取一点 P，作 A3 的方向线 pa3 ，方向垂直于 AO2，指向与 2的方向一致，长度等于 A3/ v， （其中 v为速度比例尺） 。过点 p 作直线垂直于 BO4 代表 A4的方向线，再过 a3作直线平行于线段 BO4 代表 A4A3的方向线这两条直线的交点为a4，则矢量 pa4和 a3a4分别代 A4和 A4A3 。由速度多边形 Pa3a4得：v A4A3= v LA4A3=0.18m/s3 求 B
11、O 4的角速度 4：曲柄位于起点 1 时位置如图（1）：vA4= vPA4=0.57m/s 此时:杆 BO 4的角速度 4： 4=vA4/lO4A=1.13rad/s杆 BO 4的速度 V4:VB4= 4lO4B=0.72m/s 由图一，由余玄定理可得，AO2O4=60+75=1359LAO4=LAO2+LO2O4-2LAO2 LO2O4 COSAO2O4=507mm取 5 构件作为研究对象，列速度矢量方程，得 B = C + BC大小 ? ?方向 O 4B XX BCV C= v Pc=0.72m/s VBC=0.12m/s5=v CB/l BC=0.75rad/s取 5 构件作为研究对象，
12、列速度矢量方程，得 B = C + BC大小： ? ?方向： O 4B XX BCV C= v Pc=0.69m/s VBC=0.12m/s5=v CB/l BC=0.75rad/s图 5-4由速度已知曲柄上 A(A2 A3 A4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件 4 上 A 点的加速度 aA4,因为 aA3=aA3=W2 lo2A =3.32m/s2a n A4=W42 lo4A=0.694m/s210a KA4A3=2W3VA4A3=0.407 m/s2a n CB=W52 l CB=0.09 m/s2取 3、4 构件重合点 A 为研究对象，列加速度矢量方程得：aA4 = a
13、A4n + aA4 = aA3n + aA4A3K + aA4A3r大小: ? 42 lO4A ? 2 4 A4 A3 ?方向： ? /BA O 4B /AO2 O 4B O 4B取加速度极点为 ,加速度比例尺 a=0.1（m/s 2）/mm,aA4= uapa4=0.88m/s2aB=uapb=1.7m/s2ac = acBn + a cB + aBn + a B大小： ? ? 方向： XX /CB BC /AB ABaC= l ca=1.8m/s2图 5-5再取一点（10）点速度,加速度分析取曲柄位置“10”进行速度分析。如图示;因构件 2 和 3 在 A 处的转动副相11连，故 A3=
14、A2，其大小等于 2 lO2A，方向垂直于 O2 A线，指向与 2一致。图 5-6vA2=vA3=w2lO2A=(2*n 2/60)*lO2A=0.576m/s取构件 3 和 4 的重合点 A 进行速度分析。列速度矢量方程，得 A4 = A3 + A4A3 大小 ? ?方向 O 4A O 2A O 4取速度极点 P，速度比例尺 v=0.05(m/s)/mm ,作速度多边形如图vA4= vPA4=0.45m/s 4=vA4/lO4A=1.33rad/svB= 4lO4B=0.85m/svA4A3=A4A3=0.37m/s取 5 构件作为研究对象，列速度矢量方程，得 B = C + BC大小 ? ?方向 O 4B XX BC12图5-7V C= v Pc=0.84m/s5=v CB/l BC=1.2rad/s由
