牛头刨床设计任务书.doc

机械原理课程设计任务书之一

一、设计题目
牛头刨床机械系统

二、工作原理与结构组成
1. 牛头刨床简介

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。
2. 牛头刨床传动系统及结构组成
图2表明了牛头刨床的传动系统怎样把电动机的回转运动转变成刨刀的切削运动和工作台的进给运动。打开牛头刨床的外壳，对它的内部结构加以分析研究。装在电动机1的伸出轴端上的小皮带轮2，通过一组三角皮带3，驱动固定在轴I上的大皮带轮4，再由轴I借助于摩擦离合器8，转动空套在轴I上的三联齿轮5、6、7，驱动花键轴II右端的三联滑移齿轮9、10、11(三联滑移齿轮是用来变换相啮合的齿轮对，以改变转速，从而调整刨削速度的。图示为齿轮6与10相啮合)，并由轴II转动左端的三联滑移齿轮12、13，14，驱动固定在轴III上的三联齿轮15、16、17(图示为齿轮13与16相啮合)，再由固联于轴III右端的齿轮18，驱动固定在轴IV上的大齿轮19。由图1-2b可见，在大齿轮19上，装有用销钉20联接的滑块21，此滑块可绕销钉20转动，并可在导杆22的导槽中滑动(销钉20到大齿轮中心的距离可由图1-2c所示的机构进行调整)，所以当大齿轮转动时，便可借助滑块21来拨动导杆22绕固定支点(销钉23)左右摆动(同时导杆下端的导槽与滑块24之间可作相对滑动，以改变导杆的有效长度)。大齿轮每转一周，导杆便往复摆动一次。又由于导杆的上端是用销钉25与调整块26相联的，而调整块又在拧紧手柄27时被紧固在滑枕28上。所以当导杆22摆动时，滑枕28便沿着导轨29作前后往复运动。于是由图2可知，安装在滑枕前端刀架30上的刨刀31便作切削运动。

图2牛头刨床传动系统及结构组成

图3 曲柄长度调节机构 图4 主执行机构
工作台32由如下方式获得到适时的、间歇的进给运动。
在大齿轮19的空心轴IV上，固定着凸轮33。当轴IV转动时，凸轮便推动滚子34而使L形推杆35绕其轴VIII往复摆动，于是推杆35的另一端的扇形齿轮36也往复摆动，以驱动空套在轴V上的扇形齿轮37摆动。又由于在扇形齿轮37下部的小轴上，装有一个棘爪38，所以当扇形齿轮37摆动时，棘爪38便间歇地拨动空套在轴V上的棘轮39转动一个角度，并遇过牙嵌离合器40，使轴V带着其左端的圆锥齿轮47间歇地转动一个角度，以驱动与其相啮合的圆锥齿轮42，从而通过伸缩轴VI使其另一端的圆锥齿轮43间歇地转动，再通过轴VII上的圆锥齿轮44和牙嵌离合器45，使螺杆46间歇地转动，以推动固联在工作台32上的螺母47间歇地移动。这样，工作台32便沿着滑轨48间歇地进行进给运动。切削运动和进给运动恰当地配合起来，便可实现其刨削平面的功能。
由上述分析知，电动机是它接受外界输入能量的原动部分，刨刀和工作台(包括夹持装置)是它的执行部分，从原动部分到执行部分之间所经过的一系列装置则是它的传动部分。所以就其主体来说，这部机器是由原动部分、传动部分和执行部分三个组成部分所构成的。我们还可以对多种机器进行类似的分析，由此知，任何一部完整的机器，其主体都是由主动部分、传动部分和执行部分所组成的。
图2所示的牛头刨床由以下机构组成
皮带传动(机构)：小皮带轮2、皮带3和和大皮带轮4(包括轴，轴承、机架等，下同)。
齿轮机构：齿轮6和10(或13和16,18和19，36和37等)。
螺旋机构：螺杆46和螺母47。
摆动导杆机构：大齿轮19(包括销钉20)，滑块21、导杆22，滑块24等。
凸轮机构：凸轮33和推杆35(包括滚子34) 。
棘轮机构：扇形齿轮37，棘爪38和棘轮39。
…
组成上述各机构用的皮带轮、皮带，齿轮、螺杆、螺母、滑块，导杆、凸轮，椎杆、棘爪、棘轮等，以及联接用的螺栓、销钉等，支承用的轴、机架等都叫做零件。离合器、轴承等叫做部件或组件。

图5 牛头刨床传动系统机构简图
3. 牛头刨床传动系统机构简图
三、设计要求与技术条件
1）刨刀每分钟往复移动的次数可调，最小的每分种往复移动次数为15次（第一档），最大为80次（第六档），共六档，相邻两档每分种往复移动次数之比理论上应相等；
2）刨刀的行程H=150~650mm，可用人工无级调整；
3）刨刀在一定范围内可随小刀架实现手动无级垂直进给；
4）刨刀往复运动的起始位置，在一定范围内可用人工无级调整；
5）工作台自动实现横向进给，且进给量可由人工无级调整；
6）为了提高生产效率，要求刨刀的往复切削运动具有急回特性。当刨刀取最常用行程（400~450mm）时，其行程速比系数K控制为1.4~2.0；
7）第四档时，刨刀的行程H为400~450mm，刨刀的切削力不超过4200N，刨刀的切入、切出空行程均为5%H；
8）许用速度不均匀系数[d]=0.05。
9）工作行程，切削平稳（刨刀切削速度尽可能近似为常数）。

四、主执行机构设计参考方案

方案1
方案2
方案3

方案4
方案5
方案6
图6　参考方案

五、设计任务
1）完成各执行机构的选型与设计计算，选择原动机，拟定机械传动方案，确定传动系统各轮齿数和模数，画出机构运动简图和转速图；
2）按工艺要求进行协调设计，画出各执行机构的工作循环图；
3）对主执行机构用解析法进行运动分析，用相对运动图解法对其中的一个位置加以验证，并根据计算机计算结果画出刨刀位移图，速度图和加速度线图；
4）对主执行机构用解析法进行动态静力分析，用图解法对其中的一个位置进行验证，并根据计算机计算结果，画出机构平衡力矩Mb－Φ线图和固定支座反力fi－Φ线图（各构件的质量，质心的位置和过质心轴的转动惯量由设计者类比确定）；
5）采用解析法确定飞轮的转动惯量，并根据计算结果绘制Mr—Φ、Md—Φ，JV—Φ、E（ΔE）－Φ曲线；
6）对指定传动部件进行强度、结构设计，画出装配图及部分零件图；
7）根据机电液一体化策略和现代控制（包括计算机控制）理论，大胆提出一种或一种以上与该机现有传统设计不同的创新设计方案。

六、提交材料
1）设计计算说明书一份（含解析法计算结果与相应线图）
2）2号图（或3号图）一张（机械系统传动方案设计图，含转速图）
3）1号图一张（主执行机构的运动分析和动态静力分析图）
4）3号图一张（需作速度波动调节时的飞轮设计图，或由大齿轮图替代）
5）2号图一张（曲柄长度调节部装图），3号图一张（大齿轮实测后的零件图）
6）2号图一张（凸轮机构设计图，含运动循环图）

七、相关资料
资料一：各执行机构的协调设计（运动循环图）

图7 运动循环图
执行构件刨刀和工作台间运动配合关系的圆环式运动循环图
主执行机构设计方案完成后，极位夹角θ已知。确定上图中Φ角，为凸轮机构提供设计依据。
资料二：切削阻力线图及质心位置示意

图8 切削阻力线图及质心位置示意

资料三：曲柄长度调节机构部装图
图9 曲柄长度调节机构部装图

资料四：6档变速及转速图示意
图10 6档变速及转速图示意装图

确定传动系统各轮齿数和模数，画出机构运动简图和转速图。

图11 档位示意

档位示意

资料五：方案1主执行机构设计与分析示例
已知条件：刨刀的行程H为400~450 mm， 行程速比系数K=1.4~2.0
最大切削速度Vmax=0.8 m/min， 最大切削阻力 Pr=3500 N，Yp=150 mm

主执行机构参考方案数据(长度单位 mm)
LAC
LDE/LCD
LCS3
XS5
YS5
G3(N)
G5(N)
G1(N)
JS1(kgm2)
JS3(kgm2)
500
0.20
中点
250
50
200
640
90
48
0.05

机构运动简图及编号说明

主执行机构设计
1． 由行程速比系数K求出曲柄极位夹角θ，θ=Φ（Φ－导杆摆角）。
2． 求曲柄长LAB。
3． H=D¢D，LCD=H/2sin(Φ/2)。
4． 根据使“最大压力角最小”的原则，确定Ly。
5． 作尺度综合应注意使工作行程切削平稳（刨刀切削速度尽可能近似为常数）。
主执行机构运动分析程序调用说明

待求：曲柄组：点；第3类II级组：点、q、q ¢、q ²、r2、r3
第2类II级组：点、q1、q1¢、q2¢、r2
编号说明
曲柄回转中心Ａ为坐标原点，即①点。
带圆圈的数字为点编号，如 ①，②，……。
不带圆圈的数字为构件编号，如 1，2，……。
输入坐标：p[1][0]，p[1][1]；p[4][0]，p[4][1]
输出：p[i][0]，p[i][1]；vp[i][0]，vp[i][1]；ap[i][0]，ap[i][1]；(i=2,3,5)
p[i][0]，p[i][1]；vp[i][0]，vp[i][1]；ap[i][0]，ap[i][1]已在"liangan.cpp中定义为全局变量，主程序中由 #include "liangan.h" 说明。
注：加速度分析程序自动调用速度分析程序，速度分析程序自动调用位置分析程序。
曲柄位置、速度、加速度分析
void crank(int n1,int n2,float r,float theta,float w,float a);
虚参说明（全部为输入参数）
n1－曲柄回转中心点编号（本程序为1） n2－曲柄上待求点编号（本程序为2）
r－曲柄长度，　　　theta－曲柄转角 w－曲柄角速度，　　a－曲柄角加速度
输出参数：存入p[2][j]、p[2][j]、vp[2][j]（j=0：X坐标，j=1：Y坐标）
程序调用示例：crank(1,2,LAB,Fhi,Omg,Eps)
第3类II 组位置、速度、加速度分析
int kp23(int m,int n1,int n2,int n3,float e,float &r2,float r3,float& theta);
int kv23(int m,int n1,int n2,int n3,float e,float &r2,float r3,float &theta,float &w2,float &vr2);
int ka23(int m,int n1,int n2,int n3,float e,float &r2,float r3,float& theta,float &w2, float &vr2,float& a2,float &ar2);
虚参说明
输入参数：
m－装配模式（本程序为1） n1、n2、n3－点编号（本程序分别为3、2、4）
e－偏距（本程序为0） r3－本程序为导杆长度LCD
输出参数：
r2－本程序滑快上B点（第2点）至第3点的距离（rcb）
theta－本程序构件LCD（构件3）与水平线夹角（theta3）
w2－本程序构件LCD（构件3）角速度（w3）
a2－本程序构件LCD（构件3）角加速度（a3）
vr2－本程序滑快上B点（第2点）至第3点的速度（vrcb）
ar2－本程序滑快上B点（第2点）至第3点的加速度（arcb）
程序调用示例：ka23(1,3,2,4,0.0,rcb,LCD, theta3, w3,vrcb,a3,arcb);
第2类II 组位置、速度、加速度分析
int kp22(int m,int n1,int n2,int n3,float r1,float &r2,float &th1,float beta);
int kv22(int m,int n1,int n2,int n3,float r1,float &r2,float &th1,float beta,float &w1,
float vbeta,float &vr2);
int ka22(int m,int n1,int n2,int n3,float r1,float &r2,float &th1,float beta,float &w1,
float vbeta,float &vr2,float &a1,float abeta,float &ar2);
虚参说明
输入参数：
m－装配模式（本程序为1） n1、n2、n3－点编号（本程序分别为4、6、5）
r1－本程序为连杆长度LDE beta－滑快导路与水平线夹角（本程序为0）
vbeta－滑快导路角速度（本程序为0） abeta－滑快导路角加速度（本程序为0）

输出参数：
r2－本程序为滑快上E点（第5点）至第6点的距离（r5）
th1－本程序构件LDE（构件4）与水平线夹角（theta4）
w1－本程序构件LDE（构件4）角速度（w4）
a1－本程序构件LDE（构件4）角加速度（a4）
vr2－本程序为滑快上E点（第5点）相对第6点的速度（vr5）
ar2－本程序为滑快上E点（第5点）相对第6点的加速度（ar5）
程序调用示例：ka22(1,4,6,5,LDE,r5,theta4,0.0,w4,0.0,vr5,a4,0.0,ar5);
牛头刨床机构运动分析杆组函数调用时的虚实结合

参考资料
1 孟宪源，姜琪. 机构构型与应用. 北京：机械工业出版社，2003
2 黄茂林，秦伟. 机械原理. 北京：机械工业出版社，2002
3 申永胜主编. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社，1999
4王三民主编. 机械原理与设计课程设计. 北京：机械工业出版社，2005
5 裘建新主编. 机械原理课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，2005
6 牛鸣歧，王保民，王振甫. 机械原理课程设计手册. 重庆：重庆大学出版社，2001
7 席伟光，杨光，李波. 机械设计课程设计. 北京：高等教育出版社，2003
7 周有强主编. 机械无级变速器. 北京：机械工业出版社，2001

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