牛头刨床机械设计说明书.doc

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太原理工大学阳泉学院

机械原理课程设计说明书

设计题目： 牛头刨床设计
班 级： 13级机制专升本
姓 名： 原朝
学 号： 130531027
指导教师： 张立仁

成绩

签字

日期

2014年 1 月 10 日

前言
机械原理课程设计是高等工业学校机械类专业学生第一次较全面的机械运动学和动力学分析与设计的训练，是本课程的一个重要实践环节。是培养学生机械运动方案设计、创新设计以及应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程。其基本目的在于：
（１）进一步加深学生所学的理论知识，培养学生独立解决有关本课程实际问题的能力。
（２）使学生对于机械运动学和动力学的分析设计有一较完整的概念。
（３）使学生得到拟定运动方案的训练，并具有初步设计选型与组合以及确定传动方案的能力。
（４）通过课程设计，进一步提高学生运算、绘图、表达、运用计算机和查阅技术资料的能力。
（5）培养学生综合运用所学知识，理论联系实际，独立思考与分析问题能力和创新能力。
机械原理课程设计的任务是对机械的主体机构（连杆机构、飞轮机构凸轮机构）进行设计和运动分析、动态静力分析，并根据给定机器的工作要求，在此基础上设计凸轮；或对各机构进行运动分析。

目录
一、工作原理 4
二、设计要求 4
三、设计数据 5
四、设计内容 5
1.连杆机构的分析对比 5
2.机构的运动尺寸 6
3.机构的运动分析 7
3.1导杆的速度、加速度分析 8
3.2刨头的速度、加速度分析 10
4.凸轮的机构设计 12
4.1凸轮基圆半径、行程的确定 12
4.2从动件运动规律位移图的确定 13
4.3凸轮轮廓曲线的设计 14
五、心得体会 15
参考文献 16

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一、工作原理
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图，电动机经皮带和齿轮传动，经过减速机构减速从而带动曲柄2。刨床工作时，由导杆4经过连杆5带动刨刀6作往复运动。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，以减少电动机容量和提高切削质量，刨头左行时，刨刀不切削，称空行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮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作一次进给运动，以便刨刀继续切削。

二、 设计要求
电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃点与铰链点的垂直距离为50，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。

三、设计数据
其设计数据如表1所示。
本组选择第三组数据
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
导杆机构运动分析
转速n2（r/min）
48
49
50
52
50
48
47
55
60
机架lO2O4(mm)
380
350
430
360
370
400
390
410
380
工作行程H(mm)
310
300
400
330
380
250
390
310
310
行程速比系数K
1.46
1.40
1.40
1.44
1.53
1.34
1.50
1.37
1.46
连杆与导杆之比
l BC/ lO4B
0.25
0.3
0.36
0.33
0.3
0.32
0.33
0.25
0.28
四、设计内容
1.机构的运动尺寸
已知摆动导杆机构的行程速比系数K为1.40，根据公式K=﹙π＋θ﹚／﹙π－θ﹚，可求出极位夹角θ=30°，由极位夹角可知导杆的摆角为30°。

图1
由机架长度和摆角可求出曲柄的长度，曲柄的长度=430mm×sin15°=111mm。
由于BC平行且等于B1C1，可得四边形BCC1B1是平行四边形，根据平行四边形法则，得出BB1=CC1=H=400mm，导杆O4B=200mm／sin15°=772.7mm。
连杆与导杆之比l BC/ lO4B =0.36，连杆的长度=772.7×0.36=278mm。
导杆机构的最大压力角要求应为最小值，取图中所示位置的压力角为45°，可求得C点到O4点的垂直距离为885mm。
2.机构的运动分析

图2
2.1导杆的速度、加速度分析
解题时应从构件2开始，构件2和构件3的运动关系符合两构件重合点的关系，适当选择重合点是解题的关键。因为构件2上各点的速度、加速度均已知，重合点的选择取决于构件3，在构件3上应选择速度方向和加速度方向已知的点作为重合点。本题中重合点应选择A点，因构件3上A点的速度方向垂直于O4B,向心加速度方向由A指向O4，且速度分析后大小可求，切向加速度方向垂直于O4B，满足上述要求。
解 首先按长度比例尺绘出机构运动简图，如图2所示。
（1）速度分析
VA3=LO2A·ω m／s=0.5809m／s
VA4 = VA3 + VA4A3
方向：⊥O4B ⊥O2A ∥O4B
大小： ？ √ ？
式中，仅V A4和VA4A3大小未知，可以求解。选择速度比例尺
µv=0.05（m/s）/mm
任选速度极点P，过P作PC1代表VA3，然后过C1点作平行于O4B的方向线C1C2，再过P点作PC2垂直于O4A，交C1C2于C2点，则PC2代表VA4，C1C2代表VA4A3，VA4和VA4A3的大小分别为
VA4=µv·PA4=9×0.05 m/s =0.45m/s
ω4= VA4／lO4A=1.36rad/s

(2) 加速度分析
加速度的分析步骤与速度分析的步骤基本相同。
aA4 = aA4n + aA4τ = aA3 + aA4A3K + aA4A3r
方向： A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B ∥O4B
大小: lO2Aω42 ? √ 2ω4VA4A3 ?
式中，aA4A3K的方向是将VA4A3 的方向沿ω4 的方向转90°，于O4B指向右下方。选择加速度比例尺
µa= 0.1（m／s2)/mm
任选加速度极点p ，pA3的长度代表A3的加速度,长度为30mm, 、再作aA4A3K长度8mm 方向⊥O4B ，再作aA4A3r方向∥O4B。再过p点作aA4n长度为7.8mm方向∥O4B，再作aA4τ方向 ⊥O4B，aA4τ与aA4A3r交点即为A4点。

aA4=µa·PA4=0.1×27=2.7m／s2
aA4τ=µa·aA4τ=0.1×25= 0.25m／s2
α4= aA4τ／lO4A=0.76rad／s2

2.2刨头的速度、加速度分析
（1）速度分析
VB= lO4B·ω4=1.36×0.772 m／s =1.05m／s
VC = VB + VCB
方向：水平 ⊥O4B ⊥BC
大小： ？ lO4B·ω4 ？
式中，仅V C和VCB大小未知，可以求解。选择速度比例尺
µv =0.05 (m/s)/mm
VC=µv·pC= 0.05×23=1.15 m／s
W5= VCB/LCB=4×0.05/0.278=0.72rad／s

(2)加速度分析
ɑCBn= lCB·ω52=0.144m／s2 ɑB=ɑA·(lO4B／lO4A) =6.3 m／s2
ɑC = ɑB + ɑCBn + ɑCBτ
方向：水平 √ C→B ⊥BC
大小： ？ √ √ ？
选择加速度比例尺
µa=0.1（m／s2）／mm
任选加速度极点P1，作P1B代表ɑB，过B点作ɑCBn，其长度等于ɑCBn／µa。再作垂直于BC的方向线ɑCBτ。然后过P1点作水平线，交于ɑCBτ的点C，则P1C代表ɑC。

ɑC=µa·P1B=0.1×54=5.4m／s2

4.凸轮的机构设计
该凸轮机构从动件的运动规律为等加速、等减速运动。各数据如下，本组选择第三组数据。
凸轮
机构
设计
从动件最大摆角
15º
15º
15º
15º
15º
15º
15º
15º
15º
从动件杆长
125
135
130
122
123
124
126
128
130
许用压力角
40°
38°
42°
45°
43°
44°
41°
40°
42°
推程运动角
75°
70°
65°
60°
70°
75°
65°
60°
72°
远休止角
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
10°
回程运动角
75°
70°
65°
60°
70°
75°
65°
60°
72°
4.1凸轮基圆半径、行程的确定
已知从动件lO9D的长度为130mm，在图中任选一点O9，以130mm为半径画一段圆弧，当从动件处于静休止位置，设此时的压力角为30°。当从动件转过15°，到达远休止位置，设此时的压力角为35°，两条力的方向线的交点A即为凸轮的转动中心，因为当凸轮处于静休止、远休止位置，凸轮对从动件的力的方向过凸轮转动中心。量出AD的长度即为凸轮的基圆半径，DD1的长度即为凸轮的行程。AD=92mm，DD1=34mm。滚子半径=0.2×AD=18.4mm

4.2从动件运动规律位移图的确定
从动件的运动规律为等加速、等减速运动，根据凸轮的行程和推程运动角画出推程的位移图，如下图所示。

4.3凸轮轮廓曲线的设计
1）设计原理
设计凸轮轮廓依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（－ω）（ω为原凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（－ω）绕凸轮轴心O2逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心O9相对机架摆动，则从动件的尖顶在复合运动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。
2）设计凸轮轮廓的步骤如下
（1）将位移曲线s-δ的推程运动角进行等分，得各等分点的位移线。
（2）以O点为圆心、34mm为半径作凸轮的基圆，在基圆上从A0点开始逆时针方向量取近休止角、推程运动角、远休止角和回程运动角，并作推程运动角和回程运动角的各等分点A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，O点分别与其相连并延长。
（3）在O点与各点的连线上，从基圆起向外截取从动件相应的位移量，得到滚子中心相对于凸轮的一系列位置B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，回程的做法与其相同。
（4）将各点连成光滑的曲线，即得所求的凸轮理论轮廓曲线，然后在理论轮廓线上取一系列的点为圆心，以滚子半径为半径，作一系列的滚子圆，再做此圆族的内包络线，即为凸轮的实际廓线，如图所示。

五、心得体会
经过两周的努力，我们在张老师的指导下做完了我们人生的第一个课程计，我们感到十分的自豪。在进行课题设计的过程中，我们克服了各种因素完成了我们的课题设计。因为课题设计是在考完试后进行的，看着周围的同学都相继回家了，而我却要在学校进行课程设计，心里不由得对课程设计产生了一些抵触。但是开始了课程设计才发现，原来这个课程设计能对以前所学过的相关知识进行一次全面系统的复习。 
在设计过程中，我们首先进行的是方案的选择。经过一番比较，我们从4种机构方案中选出了我们认为最佳的方案。通过这一过程我们明白了一个合理的机构在现实生产生活中的重要性和节能环保方面的效果。选择完机构方案，通过一些计算和分析我们确定了机构每个构件的尺寸，为下面的机构速度及加速度分析做好了铺垫。然而在进行机构速度及加速度分析时遇到了在整个课程设计过程中所遇到的最大的一个难题，即机构的速度及加速度分析和图解法。由于在学习过程中只是把其的皮毛弄懂而已，故在进行分析时才感到书到用时方恨少！后来通过仔细阅读机械原理课本关于速度及加速度分析和图解法部分的内容后，对于机构的速度和加速度分析有了更深的理解，从而对用图解法求杆件的速度和加速度有了自己的认识。同时通过AutoCAD来绘制速度多边形和加速度多边形来求出导杆和刨头在一个点的速度和加速度，为以后解决这类问题提供了一个新的思路。通过AutoCAD可直观的反映出速度和加速度的大小，大大节约了为我们的运算过程。 
总的来说，在这次课程设计的过程中，我还是存在一些问题。在设计过程中粗心大意，导致画图过程中经常失误等，以后还需要进行更加系统的学习。 

参考文献
[1].李树军主编.机械原理[M].北京：科学出版社，2009
[2].王淑仁主编. 机械原理课程设计手册[C].北京:科学出版社.2009

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