牛头刨床机械原理课程设计.docx

目录
第一章 设计的任务与原始参数 - 3 -
1.1设计任务 - 3 -
1.2 原始参数 - 4 -
第二章 运动方案设计· - 5 -
2.1减速装置的选择 - 5 -
2.2刨刀切削运动的实现结构 - 5 -
第三章 电动机的选择 - 6 -
3.1 确定电机功率Pd - 6 -
3.2 根据Pd查得电动机部分型号表选择电动机 - 7 -
第四章 传动比分配 - 8 -
4.1计算传动比i和选定减速装置 - 8 -
第五章 减速机构设计 - 9 -
5.1 总体方案图 - 9 -
5.2 减速零件参数 - 10 -
第六章 主机构设计 - 12 -
1.1机构运动简图及标号 - 12 -
1.2 极位夹角、曲柄1（杆AB）角速度及各杆件长度计算 - 12 -
第七章 主机构运动分析 - 14 -
7.1.位置分析 - 14 -
7.2.速度分析 - 15 -
7.3.加速度分析 - 15 -
7.4矩阵计算及绘图 - 15 -
7.5输出图像及数据表格 - 19 -
第八章 主机构受力分析 - 21 -
8.1 位置1：θ1=0˚ - 21 -
8.2 位置2：θ1=90˚ - 24 -
8.3 位置3：θ1=270˚ - 26 -
第九章 主机构的速度波动调节 - 29 -
9.1 等效驱动力矩及飞轮质量的计算 - 29 -
9.2 运用excel函数及绘图处理matlab输出的数据 - 30 -
第十章 小结 - 32 -
10.1 心得体会 - 32 -
10.2 参考文献 - 32 -
10.3 致谢 - 32 -

第一章 设计的任务与原始参数
1.1设计任务
l 题目：牛头刨床
l 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，此时规定速度较低并且均匀；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规定如下：
1）刨削速度尽也许为匀速，并规定刨刀有急回特性。
2）刨削时工件静止不动，刨刀空回程后期工件作横向进给，且每次横向进给量规定相同，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，且每次进给量仍然规定相同。
4）原动机采用电动机。
l 设计环节：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 =530 mm/s 行程速度变化系数K=1.46
刨刀冲程 H=320 mm 切削阻力 Fr=3500 N
空行程摩擦阻力 175 N 刨刀越程量 ΔS=16 mm
刨刀重量 550 N 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，来使动力速度达成设定值，定轴轮系结构简朴紧凑，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通过减速传动装置后再传给刨刀切削运动的执行机构，所以它应具有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规定，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规定，但行程开始及终止时有冲击，合用于大行程而不宜小行程，且必须增长换向变速机构才干得到急回运动。
（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，才干得到急回运动。
（5） 组合机构：如凸轮——连杆组合机构，能实现给定的运动规定，但具有凸轮机构存在的缺陷，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 拟定电机功率Pd
1) 根据机构位置、切削阻力Fr及空程阻力Fr1拟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 =1069.6 J
2) 计算刨刀切削运动所需的功率
Pr= Wr ×kVm / H (1 +k) (3-2)
Pr =1051.393 W
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 =1314.2 W

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/min 2 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/min 4 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/min 6 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 传动比分派
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=ndn1 (4-1)
i=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

l 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
i1=Dd2Dd1×1-ε (5-2)
i1=4.0287
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
i13H=ω1Hω3H=ω1-ωHω3-ωH=-Z2Z3Z1Z2=-Z3Z1 (5-3)
i1H=1+Z3Z1 (5-4)
i1H=5.7
i总=i1×i1H (5-4)
i总=4.0287*5.7=22.96
非常接近原先设计的减速机构传动比

齿轮具体参数如下：
齿轮 Z1 Z2 Z3
齿数 20 37 94
模数m 4 4 4
压力角α(˚) 20 20 20
分度圆直径d(mm) 80 148 376
齿顶高ha(mm) 4 4 4
齿根高hf(mm) 5 5 5
齿全高h(mm) 9 9 9
齿顶圆直径da(mm) 88 156 368
齿根圆直径df(mm) 70 138 366
基圆直径db(mm) 75.1754 139.0745 353.3244
齿距p(mm) 12.5664 12.5664 12.5664
基圆齿距（法向）pb(mm) 11.8085 11.8085 11.8085
齿厚s(mm) 6.2832 6.2832 6.2832
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=6.17623 rad/s
转速
(6-3)
n1=61.03903rmin
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的值时立即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
save jisuanl; %写入到文献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x y轴上投影得方程组1
l1 cosθ1 = s3 cosθ3 (7-2)
l6+ l1sinθ1= s3 sinθ3 (7-3)
由上式得
s3 = (l1cosθ1)2+(l6+ l1sinθ1)2 (7-4)
θ3 = cos-1( l1 cosθ1/ s3 ) (7-5)
由封闭图形CDEGC可写出一个矢量方程
l3+l4=l6' +sE (7-6)
分别在x y轴上投影得方程组2：
l3 cosθ3 + l4 cosθ4 = sE (7-7)
l3 sinθ3 + l4 sinθ4 =l6' (7-8)
由上式得
θ4 = sin-1l6'- l3 sinθ3 l4 (7-9)
sE = l3 cosθ3 + l4 cosθ4 (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，
cosθ3-s3sinθ300sinθ3 s3 cosθ3000-l3 sinθ3-l4 sinθ4-10l3 cosθ3 l4 cosθ40 ν23ω3ω4νE=ω1-l1sinθ1l1 cosθ100
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，
cosθ3-s3sinθ300sinθ3 s3 cosθ3000-l3 sinθ3-l4 sinθ4-10l3 cosθ3 l4 cosθ40 α23α3α4αE=

- -ω3sinθ3-ν23sinθ3-s3ω3cosθ300ω3cosθ3ν23cosθ3-s3ω3sinθ3000-l3ω3cosθ3-l4ω4cosθ400-l3ω3sinθ3-l4ω4 sinθ40+ω1-l1ω1cosθ1-l1ω1sinθ100

7.4矩阵计算及绘图
matlab程序如下：（为使结果更加精确，将前面写入到文献里的数据直接加载过来）
clear;
w1=6.17623;
load jisuanl; %载入前面保存的数据文献，包含参数l1 l3 l4 l6 l61等
for n=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);
axis auto;
grid on;
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);
grid on;
axis auto;
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);
grid on;
axis auto;
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图纸上面表达出来，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，同时将杆件的互相作用力用FRabx FRaby来表达，最后标出每个杆件的自身重力用Gx表达。
FRabx=-FRbax (8-1)
FRaby=-FRbay (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，用质量代换法解决，DE两端各为12m4，其惯性力矩分别为F41、F42n、F42t
m4=ρl·l4 (8-5)
F41=-12m4·aE (8-6)
F42n=12m4·ω32·l3 (8-7)
F42t=-12m4·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+F42n·cosθ3+F42t·sinθ3 (8-10)
Y方向上有：
FR34Y+F42t·cosθ3=F42n·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·(12H-SE)-FF1(12H+SE)=0 (8-13)
继续分析杆3：其惯性力分解为F3n、F3t，惯性力矩为M3
m3=ρl·l3 (8-14)
F3n=12m3·ω32·l3 (8-15)
F3t=-12m3·α3·l3 (8-16)
M3=J·α3=13·ρl·l32 (8-17)
MC=F3t·12·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+F3t)·sinθ3 (8-20)
Y方向上有：
FRCY+(FR23+F3t)·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=12m1·ω12·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）
F5 FR45X F41 F42n F42t FR54Y FR34X FR34Y FF1 FF2
267.45 442.45 184.58 0.57 2.16 117.60 628.95 205.69 78.93 353.47

F3n F3t FR23 FRCX FRCY FR12X FR12Y F1 FR61X FR61Y
7.77 293.33 2415.00 1972.54 652.28 2319.73 671.62 31.66 2288.07 858.89

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，用质量代换法解决，DE两端各为12m4，其惯性力矩分别为F41、F42n、F42t
m4=ρl·l4 (8-30)
F41=-12m4·aE (8-31)
F42n=12m4·ω32·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+F42n+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·(12H-SE)-FF1(12H+SE) =0 (8-37)
继续分析杆3：其惯性力分解为F3n、F3t，惯性力矩为M3
m3=ρl·l3 (8-38)
F3n=12m3·ω32·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= F3n+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=12m1·ω12·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）
F5 FR45X F41 F42n FR54Y FR34X FR34Y FF1 FF2
18.04 3518.04 1.45 4.81 1108.67 3514.68 1015.72 1032.00 626.67

F3n FR23 FRCX FRCY FR12X F1 FR61X FR61y
65.48 5054.98 1540.3 249.53 5054.98 31.66 5054.98 218.93

8.3 位置3：θ1=270˚

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 (8-49)
F5+ FR45x = Fr1 (8-50)
分析杆4，用质量代换法解决，DE两端各为12m4，其惯性力矩分别为F41、F42n、F42t
m4=ρl·l4 (8-51)
F41=-12m4·aE (8-52)
F42n=12m4·ω32·l3 (8-53)
(FR54y+0.5G4)·l4·cos (θ4-180˚)=(FR54x-F41)·l4·sin(θ4-180˚) (8-54)
X方向上有：
F41+ FR34X = FR54X