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HKlO2O3lO3O4/lO3BlBF/lO3BlBS5/lBFm4 m5m6Js4Js5FC单位mmmmkg kg.m2kgII6001.83700.50.30.5 223520.90.0151400 行星轮设计变位齿轮n1n2K类型m1Z4Z5mH单位rpmmmmm II10008032K-H 514491620四、导杆机构的运动综合设LO3B=L3 LBF=L4 LO3D=L6 LO2A=L1 LO3O2=L6LO3A=S3 LDE=SE 1、导杆的摆角K=1.82、导杆的长度L33、连杆的长度L44、刨头导路中心线xx至O3点的垂直距离L6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L16、切削越程长度0.05H，如图所示则切削越程长度为0.05H=0.05600=30mm7、机构运动简图8、计算机构的自由度F=3527=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：O3O2DBFASEL4L3S3L1L6L6X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FR56yFR16FR56xF6FcG6（2）对5杆进行受力分析BFS5FR65xFR65yF5yF5xG5FR45yFR45xM5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)FR23xFR23yFR43xxxFR43yA(4)对4杆进行受力分析O3AS4FR54xFR54yFR14xFR14yFR34xFR34yF4xF4yG4M4B（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,FR32xL2sin+FR32yL2cos=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/sH=0.6;%行程 单位mL1=0.1605;%O2A的长度 单位mL3=0.6914;%O3B的长度 单位mL4=0.2074;%BF的长度 单位mL6=0.370;%O2O3的长度 单位mL6u=0.6572;%O3D的长度 单位mZ=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; endend%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enddEkk(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endfor 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，1998MATLAB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90110 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4550 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。