机械原理课程设计--牛头刨床.docx

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1：1=0- 21 -8.2 位置2：1=90- 24 -8.3 位置3：1=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，此时要求速度较低并且均匀；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要求如下：1）刨削速度尽可能为匀速，并要求刨刀有急回特性。2）刨削时工件静止不动，刨刀空回程后期工件作横向进给，且每次横向进给量要求相同，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，且每次进给量仍然要求相同。4）原动机采用电动机。l 设计步骤：运动方案设计 电动机的选择 齿轮机构设计 （m=47） 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 S=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 =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，来使动力速度达到设定值，定轴轮系结构简单紧凑，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经过减速传动装置后再传给刨刀切削运动的执行机构，所以它应具备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要求，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要求，但行程开始及终止时有冲击，适用于大行程而不宜小行程，且必须增加换向变速机构才能得到急回运动。 （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，才能得到急回运动。 （5） 组合机构：如凸轮连杆组合机构，能实现给定的运动要求，但具有凸轮机构存在的缺点，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 确定电机功率Pd 1) 根据机构位置、切削阻力Fr及空程阻力Fr1确定一个运动循环中阻力矩所做的功。Wr=Fr(H-2S)+ Fr1(H+2S) (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kWAr/min%COS倍倍倍dB(A)mm/sKg同步转速 3000r/min 2 级Y80M1-20.751.8283075.00.842.26.52.366711.817Y80M2-21.12.5283077.00.862.27.02.366711.818Y90S-21.53.4284078.00.852.27.02.370751.822Y90L-22.24.8284080.50.862.27.02.370751.825Y100L-236.4288082.00.872.27.02.374791.834Y112M-248.2289085.50.872.27.02.374791.845Y132S1-25.511.1290085.50.882.07.02.378831.867同步转速 1500r/min 4 级Y80M1-40.551.5139073.00.762.46.02.356671.817Y80M2-40.752139074.50.762.36.02.356671.817Y90S-41.12.7140078.00.782.36.52.361671.825Y90L-41.53.7140079.00.792.36.52.362671.826Y100L1-42.25143081.00.822.27.02.365701.834Y100L2-436.8143082.50.812.27.02.365701.835Y112M-448.8144084.50.822.27.02.368741.847Y132S-45.511.6144085.50.842.27.02.370781.868同步转速 1000r/min 6 级Y90S-60.752.391072.50.72.05.52.256651.821Y90L-61.13.291073.50.72.05.52.256651.824Y100L-61.5494077.50.72.06.02.262671.835Y112M-62.25.694080.50.72.06.02.262671.845Y132S-637.296083.00.82.06.52.266711.866Y132M1-649.496084.00.82.06.52.266711.875Y132M2-65.512.696085.30.82.06.52.266711.885Y160M-67.51797086.00.82.06.52.069751.8116Y160L-61124.697087.00.82.06.52.070751.8139 综合选择 Y90L-4电动机，额定功率1.5KW，转速1400r/min.第四章 传动比分配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= (4-1)=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 b=0.99 联轴器c=0.99 V带轮 v=0.94 2K-H型行星齿轮系 2k-h=0.98总=cbvbc2k-h (5-1)总=0.8855.2 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: =0.015 传动比 (5-2) 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 (5-3) (5-4) (5-4)4.0287*5.7=22.96非常接近原先设计的减速机构传动比齿轮详细参数如下：齿轮 Z1 Z2 Z3齿数 2037 94模数m444压力角()202020分度圆直径d(mm) 80148376齿顶高ha(mm)444齿根高hf(mm)555齿全高h(mm)999齿顶圆直径da(mm)88156368齿根圆直径df(mm)70138366基圆直径db(mm)75.1754139.0745353.3244齿距p(mm)12.5664 12.5664 12.5664基圆齿距（法向）pb(mm) 11.8085 11.808511.8085齿厚s(mm)6.28326.28326.2832第六章 主机构设计1.1机构运动简图及标号图41.2 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)=33.65853659刨刀工作行程的刨削平均速度 (6-2)曲柄1角速度1=6.17623 rad/s转速 (6-3)=61.03903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的值时马上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; %写入到文件中供后面计算矩阵使用结果如下：（单位：m）l1l3l4l6l610.0868560.55640.0408750.30.5408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1l1 = s3 (7-2)l6+ l1= s3 (7-3)由上式得s3 = (7-4) = s3 ) (7-5)由封闭图形CDEGC可写出一个矢量方程l3+l4= +sE (7-6)分别在x y轴上投影得方程组2： l3 + l4 = sE (7-7)l3 + l4 = (7-8) 由上式得 = (7-9)sE = l3 + l4 (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， =17.3.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， = - +17.4矩阵计算及绘图matlab程序如下：（为使结果更加精确，将前面写入到文件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件，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=A1B1;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=A2B;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(ittheta1);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(ittheta1);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(ittheta1);set(get(ax(1),ylabel),string,角加速度/(rad/s2);set(get(ax(2),ylabel),string,加速度/(n/s2);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1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图纸上面表示出来，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，同时将杆件的相互作用力用 来表示，最后标出每个杆件的自身重力用Gx表示。 (8-1) (8-2)8.1 位置1：1=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，用质量代换法处理，DE两端各为m4，其惯性力矩分别为F41、 m4=ll4 (8-5)F41=-m4aE (8-6)=m4l3 (8-7)=-m43l3 (8-8)(FR45y+0.5G4)l4sin(4-90)=(FR45x+F41)l4cos(4-90) (8-9)X方向上有：F41+FR54X=FR34X+cos3+sin3 (8-10)Y方向上有：FR34Y+cos3=sin3+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(H-SE)-FF1(H+SE)=0 (8-13)继续分析杆3：其惯性力、，惯性力矩为M3m3=ll3 (8-14)=m3l3 (8-15)=-m33l3 (8-16)M3=J3=l (8-17)MC=l3+FR23LCB-FR43Xl3sin3-FR43Yl3cos3-9.8*m3cos3+M3=0 (8-18)lCBcos3=l1cos1 (8-19)X方向上有：FRCX+FR43X=(FR23+)sin3 (8-20)Y方向上有：FRCY+(FR23+)cos3=FR43Y+G3 (8-21)继续分析滑块2：X方向上有：FR23sin3=FR12X (8-22)Y方向上有：FR23cos3=FR12Y (8-23)最后分析曲柄1：其惯性力为F1m1=ll1 (8-24)F1=m1l1 (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 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 FR23 FRCX FRCY FR12X FR12Y F1 FR61X FR61Y7.77 293.33 2415.00 1972.54 652.28 2319.73 671.62 31.66 2288.07 858.89 8.2 位置2：1=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，用质量代换法处理，DE两端各为m4，其惯性力矩分别为F41、m4=ll4 (8-30)F41=-m4aE (8-31)=m4l3 (8-32) (FR54y-0.5G4)l4cos (4-180)=(FR54x+F41)l4sin(4-180) (8-33)X方向上有：F41+FR54X=FR34X (8-34)Y方向上有：FR34Y+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(H-SE)-FF1(H+SE) =0 (8-37)继续分析杆3：其惯性力、，惯性力矩为M3m3=ll3 (8-38)=m3l3 (8-39)MC=FR23LCB-FR43Xl3=0 8-40lCB=l6+l1 (8-41)X方向上有：FRCX+FR43X=FR2 (8-42)Y方向上有：FRCY+ FR43Y= +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F1m1=ll1 (8-45)F1=m1l1 (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 FR54Y FR34X FR34Y FF1 FF2 18.04 3518.04 1.45 4.81 1108.67 3514.68 1015.72 1032.00 626.67 FR23 FRCX FRCY FR12X F1 FR61X FR61y65.48 5054.98 1540.3 249.53 5054.98 31.66 5054.98 218.93 8.3 位置3：1=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，用质量代换法处理，DE两端各为m4，其惯性力矩分别为F41、m4=ll4 (8-51)F41=-m4aE (8-52)=m4l3 (8-53) (FR54y+0.5G4)l4cos (4-180)=(FR54x-F41)l4sin(4-180) (8-54)X方向上有：F41+ FR34X = FR54X (8-55)Y方向上有：FR34Y =FR54Y+G4 (8-56)返回分析杆5： Y方向上有：G5 =FF1+FF2+FR45Y (8-57)对E点取矩：ME=FF2(H-SE)-FF1(H+SE) =0 (8-58)继续分析杆3：其惯性力、，惯性力矩为M3m3=ll3 (8-59)=m3l3 (8-60)lCB=l6-l1 (8-66)MC=FR23lCB-FR43Xl3=0 (8-67)X方向上有：FRCX+ FR23= FR43X (8-68)Y方向上有：FRCY = +G3+ FR43Y (8-69)继续分析滑块2：X方向上有：FR23=FR12X (8-70)最后分析曲柄1：其惯性力为F1m1=ll1 (8-71)F1=m1