机械原理课程设计——牛头刨床设计.doc

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

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 ； m4 m5 m6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
kg.m2
kg
II
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

II
1000
80
3
2K-H
5
14
49
16
20

四、导杆机构的运动综合

设LO3B=L3 LBF=L4 LO3D=L'6 LO2A=L1 LO3O2=L6
LO3A=S3 LDE=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
O2
D
B
F
A
SE
L4
L3
S3
L1
L6
L6´
X

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
FR56y
FR16
FR56x
F6
Fc
G6

（2）对5杆进行受力分析
B
F
S5
FR65x

FR65y

F5y

F5x

G5

FR45y

FR45x

M5

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)
FR23x
FR23y
FR43xxx
FR43y
A

(4)对4杆进行受力分析
O3
A
S4
FR54x

FR54y
FR14x
FR14y
FR34x
FR34y
F4x
F4y
G4
M4
B

（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：
clear all;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
for j=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
for i=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
for i=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
for i=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
for i=1:100
if((abs(SE(1)-SE(i))>0.05*H&&abs(SE(1)-SE(i))<0.95*H)&&(theta1(i)<pi))
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
for i=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
for i=2:100
dEkk(i)=Ekk(i)-Ekk(i-1);%动能的改变量
end
for i=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');hold on;
plotyy(t,theta4,t,SE);grid on;
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');hold on;grid on;
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');hold on;
plotyy(t,a4,t,aE);grid on;
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');grid on;
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');grid on;
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');grid on;
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Z1 Z2 Z3为整数，齿轮结构要紧凑
则Z1=42 Z2=33 Z3=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（Kurt Luck）K.—H.莫德勒（Karl-Heinz Modler）
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90~110 mm。若机构主动件一转 (2p)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45~50 mm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。