机械原理课程设计牛头刨床传动装置说明书.doc

机械原理课程设计 牛头刨床传动装置说明书 目录第1章 设计任务 1.1 设计任务与目的1 1.2 原始参数3第2章 运动方案设计 2.1 主机构方案（选型）4第3章 电动机的选择 3.1 电动机的功率6 3.2 电动机的型号8第4章 齿轮机构设计 4.1 传动比的分配9 4.2 齿轮机构的设计9第5章 主机构的设计 5.1 主机构运动分析12 5.2 主机构受力分析17第6章 速度波动调节 6.1 的计算28 6.2 飞轮的设计29第7章 总结 7.1 体会心得307.2 参考文件31 第1章 设计任务1.1 设计任务及目的设计目的 1学会机械运动简图设计的步骤和方法。 2巩固所学的理论知识，掌握机构分析与综合的基本方法。 3培养学生使用技术资料，计算作图及分析与综合的能力。 4培养学生进行机械创新设计的能力。设计任务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。 下图为牛头刨床传动装置工作原理图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。中小型牛头刨床的主运动(见机床)大多采用曲柄摇杆机构(见曲柄滑块机构)传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。机床的主参数是最大刨削长度。牛头刨床主要有普通牛头刨床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。普通牛头刨床(见图)由滑枕带着刨刀作水平直线住复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加一仿形机构，用于加工成形表面，如透平叶片。移动式牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身(卧式)或立柱(立式)上移动，适用于刨削特大型工件的局部平面。 牛头刨床一种刨床，利用住复运动的刀具切割已固定在机床工作平台上的工件一般用来加工较小工件)。机床的刀架状似牛头，故名。 1.2 原始参数 牛头刨床传动装置原始参数： 方案平均数度(mm/s)变化系数k刨刀冲程H(mm)切削阻力(N)空行程摩擦阻力（N）IV6301.484205500275方案越程量S(mm)刨头重量（N）杆件线密度（kg/m）不均匀系数IV216503400.05 第2章 运动方案设计2.1 主机构方案主机构方案图：主机构尺寸计算： （2-1-1） 可得： （2-1-2）可得： （2-1-3）可得： （2-1-4） 可得： （2-1-5）可得： （2-1-6） 可得： （2-1-7）可得： （2-1-8）可得： 第3章 电动机的选择3.1 电动机的功率选择 通过综合比较分析，从电动机的功率、转速以及电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转等因素考虑。电动机部分选择交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它具有使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固等特点。 电动机的转速大概是n=1440r/min，而 ,所以总传动比大概是，V带传动常用传动比i1=24，单级圆柱齿轮传动i2=35，所以采用三级减速装置，第一级采用皮带，后两级采用展开式二级圆柱齿轮减速器。减速装置如图：刨床刨刀的有效功率： (3-1-1） （3-1-2）可得： 已知皮带传动的效率为 圆柱齿轮传动的效率为 一对轴承传动的效率为 弹性联轴器传动的效率 整个机构的传动效率为 所以总的效率为： （3-1-3）可得： （3-1-4）可得：3.1 电动机的型号选择电动机的选择：所选电动机要满足条件，同时要考虑到经济性。查表可得：选用型号为Y100L2-4电动机，其基本参数如下表所示：电动机型号额定功率（kW）满载转速（r/min）启动转矩最大转矩额定转矩额定转矩Y100L2-4314302.32.5第4章 齿轮机构设计4.1 传动比的分配已知电动机的转速为n=1430r/min，曲柄AB的转速为,所以总的传动比为： （4-1-1）可得： 取v带的传动比为查书知：二级展开式圆柱齿轮减速器的两级传动比要满足=(1.31.5),所以取,通过分析我们可以选择以下三级传动减速装置：V带传动齿轮传动1齿轮传动21-214.2013.174.2 齿轮机构的设计为了保证安装的正常进行，增加齿轮的承载能力，采用了变位齿轮。满足i1=4.16 i2=3.20 且齿数必为整数齿轮可取以下齿数：Z1Z2Z2Z320841857 （4-2-1）可得：a=208mm （4-2-2） （4-2-3） （4-2-4）可得：x1+x2=0，x1=-x2确定变位系数：对于变位齿轮，为有利于强度的提高，小齿轮1采用正变位，大齿轮2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。 （4-2-5）可得： （4-2-6）可得：取x1=0.176 ，x2=-0.176 满足且要求有：齿轮代号z1z2z2z3齿轮类型变位齿轮标准齿轮变位系数x0.176-0.17600齿数z20841857模数m4455分度圆直径d（mm）8033690285啮合角20202020齿轮厚度b（mm）32323636齿顶高ha（mm)4.7043.29655齿根高hf(mm)4.2965.7046.256.25中心距a（mm）208187.5基圆直径db（mm）75.2315.784.6267.8 第5章 主机构的设计5.1 主机构运动分析如图所示，利用三角形ABC和四边形CDEF，可得到： （5-1-1）改成投影方程式得： （5-1-2）由上式可得四个运动变量，易知滑块的方位角也是。然后，将上式分别对时间取一次、二次导数，即可得到速度和加速度的矩阵方程式:速度矩阵：cos -sin 0 0 -sinsin cos 0 0 cos 0 -sin -sin -1 = 0 0 cos cos 0 0 （5-1-3）加速度矩阵：cos -sin 0 0 sin cos 0 0 0 -sin -sin -1 0 cos cos 0 -sin -sin-cos 0 0 cos cos-sin 0 0 = - 0 -cos -cos 0 0 sin -sin 0 -cos -cos + 0 0 （5-1-4）用MATLAB画出的图形：MATLAB的源程序代码为:clear all;clc;l1=126.00;l3=701.46;l4=175.37;l6=420.88;l61=720;w1=5.62;for m=1:3601o1(m)=pi*(m-1)/1800;o31(m)=atan(l6+l1*sin(o1(m)/(l1*cos(o1(m);if o31(m)=0 o3(m)=o31(m);else o3(m)=pi+o31(m);end;s3(m)=(l1*cos(o1(m)/cos(o3(m);o4(m)=pi-asin(l61-l3*sin(o3(m)/l4);se(m)=l3*cos(o3(m)+l4*cos(o4(m);if o1(m)=pi/2 o3(m)=pi/2; s3(m)=l1+l6; endif o1(m)=3*pi/2 o3(m)=pi/2; s3(m)=l6-l1; endA1=cos(o3(m),-s3(m)*sin(o3(m),0,0;sin(o3(m),s3(m)*cos(o3(m),0,0;0,-l3*sin(o3(m),-l4*sin(o4(m),-1;0,l3*cos(o3(m),l4*cos(o4(m),0;B1=w1*-l1*sin(o1(m);l1*cos(o1(m);0;0;D1=A1B1;E1(:,m)=D1;ds(m)=D1(1);w3(m)=D1(2);w4(m)=D1(3);ve(m)=D1(4);A2=cos(o3(m),-s3(m)*sin(o3(m),0,0;sin(o3(m),s3(m)*cos(o3(m),0,0;0,-l3*sin(o3(m),-l4*sin(o4(m),-1;0,l3*cos(o3(m),l4*cos(o4(m),0;B2=-w3(m)*sin(o3(m),(-ds(m)*sin(o3(m)-s3(m)*w3(m)*cos(o3(m),0,0;w3(m)*cos(o3(m),(ds(m)*cos(o3(m)-s3(m)*w3(m)*sin(o3(m),0,0;0,-l3*w3(m)*cos(o3(m),-l4*w4(m)*cos(o4(m),0;0,-l3*w3(m)*sin(o3(m),-l4*w4(m)*sin(o4(m),0*ds(m);w3(m);w4(m);ve(m);C2=w1*-l1*w1*cos(o1(m);-l1*w1*sin(o1(m);0;0;B=B2+C2;D2=A2B;E2(:,m)=D2;dds(m)=D2(1);a3(m)=D2(2);a4(m)=D2(3);ae(m)=D2(4);end;o11=o1*180/pi;y=o3*180/pi;o4*180/pi;w=w3;w4;a=a3;a4;figure;subplot(221);h1=plotyy(o11,y,o11, se); axis equal;title(位置线图);xlabel(ittheta1);ylabel(ittheta3,theta4,Se);subplot(222);h2=plotyy(o11,w,o11,ve);title(速度线图);xlabel(ittheta1);ylabel(itomega3,omega4,Ve);subplot(212);h3=plotyy(o11,a,o11,ae); title(加速度线图);xlabel(ittheta1);ylabel(italpha3,alpha4,alphaE);F=o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae;G=F(1:100:3601,:)5.2 主机构受力分析（1）惯性力和惯性力矩的计算对各构件进行受力分析，运动副中的反力可以用两个下标表示，各运动副中的反力统一写成 的形式，即构件i作用于构件j的反力。 构件1质心的加速度： 构件3质心的加速度 构件4质心的加速度 （5-2-3）其中： ， ， , , （5-2-3）（2）平衡方程的建立 （5-2-4） 对构件1进行受力分析： （5-2-5）对构件2进行受力分析： （5-2-6）对构件2，根据几何约束条件，可以列出下列方程作为补充方程： （5-2-7）同理，对构件3进行受力分析，并对质心取矩： （5-2-8）同理，对构件4进行受力分析，并对质心取矩： （5-2-9）对构件5，由于导路对其只产生一个垂直反力，但力作用点未知。可以这样处理，把其反力向其质心简化，可得一反力和一反力偶矩,其中为点E与构件5质心的距离。而构件5运动时所受切削阻力为，如图32所示。其仅向左运动，即切削工件才受到切削阻力，写出构件5如下平衡方程： （5-2-10）对上述各构件的15个平衡方程，整理成一运动副反力和平衡力矩为未知量的线性方程组，并合写成矩阵形式的平衡方程： （5-2-11）式中，C为系数矩阵，为未知力列阵，D为已知力列阵。其中： （5-2-12）2.7.3源程序%1.输入已知数据 clear;clf;clc;%清除系统内部已有数据 l1=0.126;l3=0.701;l4=0.175;l6=0.421;l61=0.720;omiga_1=5.62; hd=pi/180;du=180/pi;%弧度与角度的转化 sEmin=-l1*l3/l6-sqrt(l42-(l61-sqrt(l32-(l1*l3/l6)2)2); sEmax=l1*l3/l6-sqrt(l42-(l61-sqrt(l32-(l1*l3/l6)2)2);%刨刀往复运动的极点位置 H=sEmax-sEmin;%刨刀行程 J3=9.78;J4=0.153;m3=239;m4=59.6;m5=65;g=9.8;G3=m3*g;G4=m4*g;G5=m5*g; thet=asin(l1/l6);%求解极点位置时构件1的角度 Fr=5500;%切削阻力 %2.牛头刨床主运动分析 for n1=1:459 %计算构件的位移及角位移 theta_1(n1)=(n1-1)*hd-thet; sCB(n1)=sqrt(l1*cos(theta_1(n1)2+(l6+l1*sin(theta_1(n1)2); theta_3(n1)=acos(l1*cos(theta_1(n1)/sCB(n1); theta_4(n1)=pi-asin(l61-l3*sin(theta_3(n1)/l4); sGE(n1)=l3*cos(theta_3(n1)+l4*cos(theta_4(n1); %计算构件的速度及角速度 A=cos(theta_3(n1),-sCB(n1)*sin(theta_3(n1),0,0; sin(theta_3(n1),sCB(n1)*cos(theta_3(n1),0,0; 0,-l3*sin(theta_3(n1),-l4*sin(theta_4(n1),-1; 0,l3*cos(theta_3(n1),l4*cos(theta_4(n1),0;%从动件位置参数矩阵 B=-l1*sin(theta_1(n1);l1*cos(theta_1(n1);0;0;%原动件位置参数矩阵 omiga=A(omiga_1*B); vCB(n1)=omiga(1);%滑块2的速度 omiga_3(n1)=omiga(2);%构件3的角速度 omiga_4(n1)=omiga(3);%构件4的角速度 vGE(n1)=omiga(4);%构件5的速度 %计算构件的加速度及角加速度 At=-omiga_3(n1)*sin(theta_3(n1),-vCB(n1)*sin(theta_3(n1)-sCB(n1)*. omiga_3(n1)*cos(theta_3(n1),0,0;omiga_3(n1)*cos(theta_3(n1),vCB(n1). *cos(theta_3(n1)-sCB(n1)*omiga_3(n1)*sin(theta_3(n1),0,0;0,-l3*. omiga_3(n1)*cos(theta_3(n1),-l4*omiga_4(n1)*cos(theta_4(n1),0;0,. -l3*omiga_3(n1)*sin(theta_3(n1),-l4*omiga_4(n1)*sin(theta_4(n1),0; Bt=-l1*omiga_1*cos(theta_1(n1);-l1*omiga_1*sin(theta_1(n1);0;0; alpha=A(-At*omiga+omiga_1*Bt); aCB(n1)=alpha(1);%滑块2的加速度 alpha_3(n1)=alpha(2);%构件3的角加速度 alpha_4(n1)=alpha(3);%构件4的角加速度 aGE(n1)=alpha(4);%构件5的加速度 end %3.牛头刨床主运动机构力平衡计算 for n1=1:459 %计算各铰链点坐标 xA=0;yA=l6;xB(n1)=l1*cos(theta_1(n1);yB(n1)=l6+l1*sin(theta_1(n1); xC=0;yC=0;xD(n1)=l3*cos(theta_3(n1);yD(n1)=l3*sin(theta_3(n1); xE(n1)=sGE(n1);yE=l61; %计算各质心点坐标 xS1(n1)=xB(n1)/2;yS1(n1)=(yA+yB(n1)/2;xS3(n1)=xD(n1)/2;yS3(n1)=yD(n1)/2; xS4(n1)=(xD(n1)+xE(n1)/2;yS4(n1)=(yD(n1)+yE)/2;xS5=0.15; %计算各质心点的加速度 aS1x(n1)=-l1*omiga_12*cos(theta_1(n1)/2;aS1y(n1)=-l1*omiga_12*sin(theta_1(n1)/2; aS3x(n1)=-l3*(omiga_3(n1)2*cos(theta_3(n1)+alpha_3(n1)*sin(theta_3(n1)/2; aS3y(n1)=-l3*(omiga_3(n1)2*sin(theta_3(n1)-alpha_3(n1)*cos(theta_3(n1)/2; aDx(n1)=-l3*(omiga_3(n1)2*cos(theta_3(n1)+alpha_3(n1)*sin(theta_3(n1); aDy(n1)=-l3*(omiga_3(n1)2*sin(theta_3(n1)-alpha_3(n1)*cos(theta_3(n1); aS4x(n1)=aDx(n1)-l4*(omiga_4(n1)2*cos(theta_4(n1)+alpha_4(n1)*sin(theta_4(n1)/2; aS4y(n1)=aDy(n1)-l4*(omiga_4(n1)2*sin(theta_4(n1)-alpha_4(n1)*cos(theta_4(n1)/2; aS5(n1)=aGE(n1); %计算各构件惯性力和惯性力矩 F1x(n1)=-0*aS1x(n1);F1y(n1)=-0*aS1y(n1);F3x(n1)=-m3*aS3x(n1);F3y(n1)=-m3*aS3y(n1); F4x(n1)=-m4*aS4x(n1);F4y(n1)=-m4*aS4y(n1);F5(n1)=-m5*aS5(n1); Mf3(n1)=-J3*alpha_3(n1);Mf4(n1)=-J4*alpha_4(n1); %未知力系数矩阵 Cxya=zeros(15); Cxya(1,2)=-1;Cxya(1,4)=-1;Cxya(2,3)=-1;Cxya(2,5)=-1;Cxya(3,1)=1; Cxya(3,2)=yA-yS1(n1);Cxya(3,3)=xS1(n1)-xA;Cxya(3,4)=yB(n1)-yS1(n1); Cxya(3,5)=xS1(n1)-xB(n1);Cxya(4,4)=1;Cxya(4,6)=-1;Cxya(5,5)=1;Cxya(5,7)=-1; Cxya(6,6)=cos(theta_3(n1);Cxya(6,7)=sin(theta_3(n1);Cxya(7,6)=1;Cxya(7,8)=-1; Cxya(7,10)=-1;Cxya(8,7)=1;Cxya(8,9)=-1;Cxya(8,11)=-1;Cxya(9,6)=yS3(n1)-yB(n1); Cxya(9,7)=xB(n1)-xS3(n1);Cxya(9,8)=-(yS3(n1)-yC);Cxya(9,9)=-(xC-xS3(n1); Cxya(9,10)=yD(n1)-yS3(n1);Cxya(9,11)=xS3(n1)-xD(n1);Cxya(10,10)=1;Cxya(10,12)=-1; Cxya(11,11)=1;Cxya(11,13)=-1;Cxya(12,10)=yS4(n1)-yD(n1);Cxya(12,11)=xD(n1)-xS4(n1); Cxya(12,12)=yE-yS4(n1);Cxya(12,13)=xS4(n1)-xE(n1);Cxya(13,12)=1; Cxya(14,13)=1;Cxya(14,14)=-1;Cxya(15,13)=xS5;Cxya(15,15)=1; %已知力矩阵 if vGE(n1)=(sEmin+0.05*H)&sGE(n1)=(sEmax-0.05*H) D=-F1x(n1);-F1y(n1);0;0;0;0;-F3x(n1);-F3y(n1)+G3;-Mf3(n1);. -F4x(n1);-F4y(n1)+G4;-Mf4(n1);-Fr-F5(n1);G5;0; else D=-F1x(n1);-F1y(n1);0;0;0;0;-F3x(n1);-F3y(n1)+G3;-Mf3(n1);. -F4x(n1);-F4y(n1)+G4;-Mf4(n1);-F5(n1);G5;0; end %求未知力列阵 FR=CxyaD; Md(n1)=FR(1);FR16x(n1)=FR(2);FR16y(n1)=FR(3);FR12x(n1)=FR(4);FR12y(n1)=FR(5); FR23x(n1)=FR(6);FR23y(n1)=FR(7);FR36x(n1)=FR(8);FR36y(n1)=FR(9);FR34x(n1)=FR(10);第6章 速度波动调节6.1 的计算 （6-1-1） 求出最大赢亏功 6.2 飞轮的设计 由： = （6-1-2） 第7章 总结7.1 体会心得 当刚被通知做这个课程设计的时候，心里有一点紧张，但更多的则是兴奋，就像一个百炼成钢的士兵将上战场的那种亟待证明自己的兴奋，然而真正的任务下来的时候才发现这是多么富有挑战的设计，不过有挑战才会有突破，怀着这样的心情，我开始了我的牛头刨床的设计与说明 在做这个机械原理的课程设计之前，接触机械原理这门课程一学期了，而这学期才是我真正感受到了一个学习机械的乐趣以及枯燥，被那些机械器件、机件组合而成的机器所吸引，尤其是汽车、机器人、航天飞机等机械技术所震撼，感慨机械工作者的伟大，。然而这种激动就在接近本学期结束之时，终于实现了，我们迎来了第一堂机械课程设计。 其实在设计之前，指导老师把设计过程中的所有要求与条件讲解清楚后，脑子里已经构思出机构的两部分，即主机构和横向进给机构，把每一部分分开设计，最后组合在一起不就完成整体设计了吗？这过程似乎有点简单，可是万事开头难，没预料到这个“难”字几乎让我无法逾越，如导杆机构，必须按照规定的运动规律即参数，设计一个满足运动条件的导杆机构，这是机械原理课堂上没有讲过的，因为这部分只是课本了解内容，但涉及这个导杆机构对整个课程设计来说又是势在必行的，所以我跑到图书馆，恨恨地找了一番，终于借到与这次课程设计有关的几本参考资料书，拿回来后一本一本地看下去，把有关的内容一一浏览。 从什么都不懂的门外汉到慢慢的摸索出一些门路，知道分析设计的基本步骤，再到确定了设计机构的基本尺寸，以及后续的各种导杆啊，齿轮系的减速装置，速度波动调节等，有一种拨开云雾终见阳光的美妙感觉。但是困难总是会出现的，做成了导杆机构，之后对机构进行速度加速度分析，对于一点都不懂的矩阵法，我们又狠下心来花了大片的时间去学习，终于弄出点成绩来了。作图可以说是学机械的家常便饭，不过这最基本的功夫又是最耗时、最考验人的耐心和细心的。由于我们的任务繁多，所以我们只能抓紧时间画图算数据，而且每个数据都算两道三遍以便答辩时不会出错，这一任务无疑加大了我们的工作量，周三完成课程设计报告，完善图纸。准备好一切后，等待周四的答辩到来。只希望我们组能够在答辩中取得好成绩，既能锻炼实践能力，操作水平，又能拿到比较好的成绩，才是我希望看到的啊。7.2 参考文献1 孙恒，陈作模机械原理M7版北京：高等教育出版社，20065 2吴宗泽 罗圣国机械设计课程设计手册(第三版) 高等教育出版社2006.53 邹慧君机械原理设计手册北京：高等教育出版社，199864 周一峰理论力学长沙：湖南科学技术出版社，20038 5覃爱娜 陈明义 陈里数字电子技术实用教程(机电类) 华中科大学出版社2009.4