机械原理课程设计牛头刨床.doc

目 录

一.设计题目…………………………….……………………. .4

二. 牛头刨床机构简介……………………………….………. .4

三.机构简介与设计数据……………………………………. .. .5

四. 设计内容…………….………………………….…………. .6

五. 体会心得………………………………………………….14

一、设计题目：牛头刨床
1. ）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急回运动，行程速比系数在1.4左右。
2. ）为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。
3. ）曲柄转速在64r/min,刨刀的行程H在300mm左右为好，切削阻力约为9000N，其变化规律如图所示。
二、牛头刨床机构简介
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图4-1。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7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，称空回行程，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8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约5H的空刀距离，见图4-1，b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。

三、机构简介与设计数据
3.1机构简介
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作切削。此时要求速度较低且均匀，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，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产效率。为此刨床采用急回作用得导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与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。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力，而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需装飞轮来减小株洲的速度波动，以减少切削质量和电动机容量。

3.2设计数据

导杆机构的运动分析
导杆机构的动静态分析

n2
lo2o4
lo2A
lo4B
lBC
lo4s4
xs6
ys6
G4
G6
P
yp
Js4

r/min
mm
N
mm
kg.m2
Ⅱ
60
380
110
535
0.28o4B
0.5lo4B
310
50
260
800
6000
80
1.2

四、设计内容
4.1 导杆机构的运动分析
已知 曲柄每分钟转数n2，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路x-x位于导杆端点B
所作的圆弧高的平分线上。
要求 做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。以上内容与后面的动静力分析一起画在1号图纸上。
曲柄位置图的作法为取1和89为工作形成起点和终点对应的曲柄位置，19和79为切削起点和终点所对应的位置，其余2，3…12等，是由位置1起顺v2方向将曲柄圆周作12等分的位置。
步骤：
1）设计导杆机构。 按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块6的导路x-x的位置可根据连杆5传力给滑块6的最有利条件来确定，即x-x应位于B点所画圆弧高的平分线上（见图例1）。
2）作机构运动简图。选取比例尺按表4－2所分配的两个曲柄位置(2和8)作出机构的运动简图，其中2位置用粗线画出。曲柄位置的做法如图4－2；取滑块6在上极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，显然位置8 对应于滑块6处于下极限的位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1’和8’两位置。共计14个机构位置。
3）作速度，加速度多边形。选取速度比例尺=0.00773（）和加速度比例尺=0.0498（），用相对运动图解法作该两个位置的速度多边形和加速度多边形，并将起结果列入表。
导杆机构的速度加速度图作图过程
1.选取长度比例尺µ，作出机构在位置2 的运动简图。
如一号图纸所示，选取µ=l/OA（m/mm)进行作图，l表示构件的实际长度，OA表示构件在图样上的尺寸。作图时，必须注意µ的大小应选得适当，以保证对机构运动完整、准确、清楚的表达，另外应在图面上留下速度多边形、加速度多边形等其他相关分析图形的位置。
2.求原动件上运动副中心A的v＇和a
v=ω l ＝0.69m/s
式中v——B点速度（m/s） 方向丄AO
a=ω l=4.34m/s
式中a——A点加速度（m/s）,方向A →O
3.解待求点的速度及其相关构件的角速度
由原动件出发向远离原动件方向依次取各构件为分离体，利用绝对运动与牵连运动和相对运动关系矢量方程式，作图求解。
（1）列出OB杆A点的速度矢量方程 根据平面运动的构件两点间速度的关系
绝对速度=牵连速度+相对速度
先列出构件２、４上瞬时重合点Ａ（Ａ，Ａ）的方程，未知数为两个，其速度方程：
Ｖ　　＝　　v+ 　　v
　　　　 方向：丄ＡＯ　　　　丄AO　　∥ＡＯ
　　　　 大小：　？　　　　　ω2 l　　　　？
（２）定出速度比例尺　　在图纸中，取p为速度极点，取矢量pa代表v,则速度比例尺µ（m• s/mm）
µ==0.00773 m•s/mm
（３）作速度多边形，求出ω、ω根据矢量方程式作出速度多边形的pd部分，则v (m/s)为
v=µpa=0.69m/s
ω= v/ l=0rad/s
其转向为顺时针方向。
Ｖ　=ωl=0 m/s
B点速度为Ｖ，方向与v同向.
（４）列出C点速度矢量方程，作图求解V、V
V= Ｖ+ V
方向： 水平 丄BＯ 丄BC
大小： ？ ωl ？
通过作图，确定Ｃ点速度为
V =µbc=0m/s
V＝µpc=0m/s
式中V，方向丄BC
式中V——Ｃ点速度，方向为p→c。
４．解待求点的加速度及其相关构件的角加速度
（１）列出Ｃ点加速度矢量方程式　　牵连速度为移动时

绝对加速度＝牵连加速度＋相对加速度

牵连运动为转动时，（由于牵连运动与相对运动相互影响）

绝对加速度＝牵连加速度＋相对加速度＋哥氏加速度

要求Ｃ点加速度，得先求出Ｂ点加速度，要求出B点的加速度，则需要求出A点的加速度，再根据A点的加速度作图求出：
a= a + a=　 a + a+ a
方向： ？　 　 丄ＡＢ　 　 ∥ＡＢ　 丄ＡＢ
大小：？　　ωl　　　？　　ωl ? 2ωv
(2)定出加速度比例尺　　在一号图纸中取Π为加速度极点，去矢量Πa’代表a，则加速度比例尺µ（m•s/mm）
µ==0.0498 m/s/mm
(3)作加速度多边形，求出a、a、a，根据矢量方程图：
可求出：
a=µa=4.34m/s
a= a• l/ l=5.1m/s
a=ω• l=0m/s
(4)列出C点加速度矢量方程，作图求解a 、a、 a
a = a + a + a
方向： 水平 ∥BC 丄BC 如图
大小： ？ V/l ? 已求出（如图）
由上式可得：
a=5.1m/s

将代表a的矢量k’a’4平移到机构图上的点A4，可知a4的方向为逆时针方向。
2、8位置的速度分析表
项
目
位
置

v2
vA2
VCB
vC
VA4A3

VB4
v
aA3
aKA4A3
anA4
atA4
anCB
ac

大小
方向
8’
6.28
0.69
0
0
0.
0
0
顺时针
4.34
0
0
4.34
0
5.1

4. 2 导杆机构的动态静力分析
已知 各构件的重量G（曲柄2、滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重
心的转动惯量Js4及切削力P的变化规律。
要求 求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。以上内容做在运动分析的
同一张图纸上。

步骤:
1） 选取阻力比例尺= 50 ，根据给定的阻力Q和滑块的冲程H绘制阻力线图。
2） 根据个构件的重心的加速度即角加速度，确定各构件的惯性力和惯性力偶
矩 ，并将其合为一力，求出该力至重心的距离。
3）按杆组分解为示力体，用力多边形法决定各运动副中的反作用力合加于曲柄上的平衡力矩。
将所有位置的机构阻力，各运动副中的反作用力和平衡力矩的结果列入表中：
动态静力分析过程：
在分析动态静力的过程中可以分为刨头，摇杆滑块，曲柄三个部分。
首先说明刨头的力的分析过程：
对于刨头可以列出以下力的平衡方程式：
∑F=0 P + G6 + Fi6 + R45 + R16 = 0
方向： ∥x轴 ∥y轴 与a6反向 ∥BC ∥y轴
大小： 0 800 -m6a6 ? ?
以作图法求得:
位置8’ R45 = 390 N R16 =3900 N
力矩平衡方程式：
∑M=0 P*yp+G6*hg+Fi6*h6+R16*h16=0
我们还可以得到：
R45=R65

对于摇杆滑块机构可以列出平衡方程式：
∑F=0 R54 + R34 + Fi4 + G4 + R14=0
方向: ∥BC ⊥O4B ∥a4 ∥y轴 ?
大小： R54 ？ m4a4 260 ?
力矩平衡方程式：
∑M=0 R54*h54-R34*h34-Mi4-Fi4*hi4-G4*h4=0
由此可以求得R34的大小：R34= 3582.3 N
所以： 位置8’ R32=3582.3

在摇杆上可以得到R34=-R32

8’位置受力分析表
项
目
位
置

Fi6
Fi4
Mi4
大小
方向
8’
400
112.8
1438.7 顺时针
单位
N
N.m

项
目
位
置

P

N56=N65

N54=N54

N34=N23
Mb
大小
方向
8’
0
390

390

3582.3
0
顺时针
单位
N
N.m

五、参考文献
1、机械原理/孙恒，陈作模主编——六版——北京2001
2、理论力学Ⅰ/哈尔滨工业大学理论力学研究室编——六版——北京2002.8
3、机械原理课程设计指导书/罗洪田主编——北京1986.10
4、机械原理/东南大学机械学学科组 郑文纬 吴克坚主编——北京1997.7