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1、6创新课程设计（牛头刨床压力角优化设计）学 校： 江苏师范大学 班 级： 09 机 51 学 号： 09295034 姓 名： 徐 天 雨 指导老师： 王 繁 生 自2012年1月7日至2013年1月18日牛头刨床优化设计一工作原理：牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。图1为其参考示意图。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）完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；刨刀左行时，即为空回行程，
2、此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，凸轮8通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。O1图1 牛头刨床二设计要求： 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。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。三设计数据：导杆机构运动分析转速n2(r/min)60机架LO2O1(mm)380工作行程H(mm)310行程速比系数K1.46连杆与导杆之比LBC /LO1B0.
3、28导杆机构动态静力分析工作阻力Fmax（N）5500导杆质量m4 (kg) 26滑块6质量m6 (kg)80导杆4质心转动惯量JS4 (kg.m2)1.2表1四创新设计内容及工作量：1) 根据给定的工作原理和设计数据确定机构的运动尺寸；2) 压力角优化设计。利用计算机编程对导杆机构的最大压力角进行优化设计；3) 编写计算机辅助优化设计与运动分析说明书，包括问题的数学模型、程序图框、源程序及计算结果图表等内容。按机构压力角大小最优设计牛头刨床徐天雨( 江苏师范大学机械工程学院, 徐州 )Optimum Design of Shaper According to Mechanical Press
4、ure AngleTIAN YU- xu(School of mechanical engineering, Jiangsu University ,xuzhou, China)摘要本文的主要目的是按机构压力角大小最优设计牛头刨床。牛头刨床是工程中最多用的加工机械之一，工程中往往会有这样一类设计问题：已知机构的行程速比系数、冲程、曲柄及刨头推杆的尺寸，要求确定滑杆与摆动导杆的距离。对这样的设计问题，传统的设计方法多采用类比、试凑的办法，设计结果不能公认最优。这里从机构拥有最好运动性出发, 以机构最大压力角最小为寻优目标函数, 最优确定牛头刨床的几何尺寸。 关键词:导杆机构； 压力角; 牛头刨床
5、; 最优设计 AbstractThe primary purpose of this paper was to optimum design of shaper according mechanical pressure angle The shaper is one of the most used in engineering machinery，Projects often have such a class of design problems: The known mechanism of travel speed ratio coefficient, stroke, the cra
6、nk and the plough head push rod size, Asked to identify a slide rod and a swing rod distance. The design problem is this, The traditional design method by analogy, trial-and-error method, optimal design results cannot be recognized. From the f est motive function of the mechanism and the minimal val
7、ue of machanism maximum pressure angle as the object function, the optimum design of the geometrical dimensions of the shaper can be made. Key words: guide mechanism; pressure angle; shaper; the optimum design目录一牛头刨床导杆机构几何尺寸关系6 1.1 导杆尺寸计算6 1.2 机构简图 6二机构特别位置处压力角7三.最优化数学模型8四.程序框图 8五.用Matlab编写源程序及计算结果
8、10 5.1 编写源程序10 5.2 计算结果11致谢 12参考文献 13论文正文：一牛头刨床导杆机构几何尺寸关系：1.1 导杆尺寸计算根据图1所示牛头刨床机构和原始数据，可知机构行程速比系数K=1.46，行程H=310mm，机架LO2O1=380mm，连杆与导杆之比LBC /LO1B=0.28，则机构几何尺寸如下：导杆摆角曲柄2 导杆4 连杆4 1.2 机构简图BCB1B2e-xS2eO1图2 牛头刨床机构简图二.机构特别位置处压力角： 机构在行程过程中, 由于对称性, 刨头可能的最大压力角位置是导杆处在B、B1 处, 可能的最大压力角分别为C、C1 。摆动导杆的最大压力角位置是导杆处于B处
9、, 最大压力C 。且根据几何关系有B =+C 由于C1 与C 、B 呈背离关系(C1增加则C 、B 会减少) 且B C , 所以要使机构整体最大压力角最小, 只要有C1 =B 即可。在滑杆处于导杆摆弧的平均位置处, 会有C =C1 , 这时C =C1 = arcsin()=4.387 其中e =LO1B ( 1 - cos)=11.47依据C1与C 、B背离关系, 要使C1=B, 设计滑杆的位置应取在滑杆处于导杆摆弧的平均位置之下。向下的位移量设为变量x , 这时: C = arc sin（) C1= ar c sin()C = +C = + arc sin()三.最优化数学模型： 如果机构最
10、大压力角呈最小, 必有C1 =B随着x 的取值, 寻优目标函数为 minf ( x ) = (C1 B )2= ar c sin() - - arc sin() 2设计变量x 的取值范围可根据满足C1=B时, 必有B 0条件导出, 即 + arcsin() 0 arcsin() - sin ; x epsilon)|(hdelta) if(fpfq) b=q;fb=fq;q=p;fq=fp; h=b-a;p=a+(1-t)*h;fp=feval(f,p); else a=p;fa=fp;p=q;fp=fq; h=b-a;q=a+t*h;fq=feval(f,q); end k=k+1;G(k,
11、:)=a,p,q,b;enddx=abs(b-a);df=abs(fb-fa);if(fp=fq) x=p;fs=fp;else x=q;fs=fq;endE=dx,df;5.2 计算结果 输入目标函数：x,fx,k,G,E=golds(inline(16.83/180*pi+asin(11.47-s)/150)-asin(11.47+s)/150)2),0,54.4,1e-4,1e-5) 输出结果：x =21.8856fx =1.3147e-015k =29G = 0 20.7790 33.6210 54.4000 0 12.8421 20.7790 33.6210 12.8421 20.7790 25.6842 33.6210 12.8421 17.7473 20.7
