機械原理課程設計牛頭刨床(西南大學)

..-..-可修遍-機械原理課程設計(論文)題目:牛頭刨床課程設計學生專業(yè)_機械類學號班級2012級02班指導教師玲成績_工程技術學院2013年7月目錄1.引言……………………….2.機構的選型………………2.1主執(zhí)行機構的選型.………………2.2輔助執(zhí)行機構的選型……………...3.原動機的選用……………..4.擬定傳動系統(tǒng)方案……………………….5.繪制系統(tǒng)工作循環(huán)圖……………………6.機構尺度參數(shù)確定……………………….7.主執(zhí)行機構的運動分析〔計算機編程〕……………8.主執(zhí)行機構的運動分析及動態(tài)靜力分析〔作圖法〕………………8.1主執(zhí)行機構的運動分析………….8.2主執(zhí)行機構的動態(tài)靜力分析………….9.凸輪機構的曲線設計………………………9.1凸輪機構位移曲線的設計………….9.2凸輪機構輪廓曲線的設計………….10.飛輪設計和原動機功率的校核………………….參考文獻………………………機械原理課程設計任務書學生專業(yè)年級2012級機械類設計題目：牛頭刨床圖1設計要求及設計參數(shù)要求主執(zhí)行機構工作行程切削平穩(wěn)、壓力角較小。進給機構壓力角不超過許用值。設計參數(shù)如表1所示。表1牛頭刨床設計參數(shù)題號12345678910主執(zhí)行機構曲柄轉速n148495052504847556056機架LAC380350430360370400390410380370刨刀行程H310300400330380350390310310320行程速比系數(shù)K1.461.401.401.441.531.341.501.371.461.48連桿與導桿之比LDE/LCD0.250.280.300.270.300.280.270.250.280.26工作阻力F(N)4500460047004000410052004200400060005000導桿質量m3(kg)20202220222426282622導桿轉動慣量JS3(kgm2)1.11.11.21.21.21.31.21.11.21.2滑塊質量m5(kg)70708080809080708060進給機構15151515151515151515凸輪從動件桿長(mm)125135130122123124126128130132推程許用壓力角[]推程40404040404040404040回程許用壓力角[]回程50505050505050505050滾子半徑rr(mm)15151515151515151515刀具半徑rc(mm)0.080.080.080.080.080.080.080.080.080.08刨刀阻力曲線如圖2所示。刨刀在切入、退出工件時均有0.05H的空載行程。0.050.05H0.05HHSFmaxF圖2刨刀阻力曲線設計任務1〕完成各執(zhí)行機構的選型與主執(zhí)行機構設計計算，選擇原動機，擬定機械傳動方案，確定各級傳動比，畫出主執(zhí)行機構的機構運動簡圖。2〕按工藝要求進展執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)調設計，畫出執(zhí)行機構的工作循環(huán)圖；3〕對主執(zhí)行機構用解析法進展運動分析，用相對運動圖解法對其中的一個位置加以驗證，并根據(jù)計算機計算結果畫出刨刀位移線圖，速度線圖和加速度線圖；4〕用圖解法對主執(zhí)行機構的一個位置進展動態(tài)靜力分析；5〕用圖解法繪制控制工作臺橫向進給的凸輪機構的位移曲線及凸輪輪廓曲線；6〕根據(jù)機電液一體化策略和現(xiàn)代控制〔包括計算機控制〕理論，大膽提出一種或一種以上與該機現(xiàn)有傳統(tǒng)設計不同的創(chuàng)新設計方案。(選做)提交材料1〕設計計算說明書一份〔含解析法計算結果與相應線圖〕；2〕1號圖一〔主執(zhí)行機構運動簡圖及運動分析和動態(tài)靜力分析〕；3〕3號圖一〔凸輪機構的位移曲線及凸輪輪廓曲線〕；指導教師簽名：2013年6月6日說明：1.此表由指導教師完成，用計算機打印〔A4紙〕。2.請將機械設計課程設計任務書裝訂在機械設計課程設計(論文)的第一頁。.牛頭刨床設計西南大學工程技術學院，4007161.引言：牛頭刨床是一種用于平面切削加工的機床。刨床工作時,如圖(1-1〕所示，由導桿機構2-3-4-5-6帶動刨頭6和刨刀7作往復運動。刨頭右行時，刨刀進展切削，稱工作行程，此時要求速度較低并且均勻；刨頭左行時，刨刀不切削，稱空回行程，此時要求速度較高，以提高生產率。為此刨床采用有急回作用的導桿機構。刨頭在工作行程中，受到很大的切削阻力，而空回行程中那么沒有切削阻力。切削阻力如圖(b〕所示。O2O2AO4xys6s3Xs6CBYs6234567n2FrYFr圖〔1-1〕設計數(shù)據(jù)：主執(zhí)行機構曲柄轉速n147機架LAC390刨刀行程H390行程速比系數(shù)K1.50連桿與導桿之比LDE/LCD0.27工作阻力F(N)4200導桿質量m3(kg)26導桿轉動慣量JS3(kgm2)1.2滑塊質量m5(kg)80進給機構15°凸輪從動件桿長(mm)126推程許用壓力角[]推程40°回程許用壓力角[]回程50°滾子半徑rr(mm)15刀具半徑rc(mm)0.082機構的選型2.1主執(zhí)行機構的選型牛頭刨床是一個復雜的系統(tǒng)，需要結合課程設計的特點。課程設計要求主執(zhí)行機構實現(xiàn)刨刀往復運動。下面幾種機構都能夠實現(xiàn)刨刀的往復運動。方案一方案二方案三方案四方案五方案六圖1主執(zhí)行機構選型所選擇的機構要滿足以下要求：工作行程大：要求機構是行程擴大機構；工作阻力較大：要求機構在具體較大的力增益的區(qū)間工作；正向運動的大局部時間有工作阻力：要求機構在具有急回特性；正向運動的極短時間有工作阻力：要求機構在具有較大的力增益的區(qū)間工作。根據(jù)設計任務書要求，對牛頭刨床的行程急回特性、受力以及運動規(guī)律等方面要求進展綜合考慮，主執(zhí)行機構型式應該選擇方案一較合理。2.2輔助執(zhí)行機構的選型輔助執(zhí)行機構的指控制工件運動的機構〔如工作臺進給機構、送料機構〕和調節(jié)機構〔如行程調節(jié)機構和位置調節(jié)機構〕。2.2.1控制工件運動的輔助執(zhí)行機構的選型課程設計中控制工件運動的輔助執(zhí)行機構的選型應該考慮一下幾點：〔1〕與主執(zhí)行機構有著一樣的工作周期。這就要求輔助執(zhí)行機構與主執(zhí)行機構的運動嚴格協(xié)調，這就意味著輔助執(zhí)行機構與主執(zhí)行機構盡量用同一個原動件?！?〕輔助執(zhí)行機構是"將連續(xù)轉動轉換成間歇運動〞機構。間歇運動時"機械原理"中"其他常用機構〞章節(jié)的容。間歇運動機構有：間歇滾輪傳動機構、棘輪機構、推勾式送料機構。2.2.2調節(jié)機構的選型〔1〕行程調節(jié)：行程調節(jié)機構是完成"執(zhí)行構件行程能在一定圍人工無級調整〞這一功能的機構。理論上，"將連續(xù)轉動轉換成往復運動〞的四桿機構都可以"通過適當調節(jié)桿長來改變輸出構件的行程〞。用螺旋機構就能改變桿長。有些構建桿長的變化對輸出運動圍的影響極其顯著，比方曲柄。〔2〕位置調節(jié)：用螺旋機構即可調節(jié)兩個構件的相對位置。3原動機的選用表1常用原動機的類型及主要特點原動機類型主要特點三相異步電動機構造簡單、價格廉價、體積小、運行可靠、維護方便、鞏固耐用；能保持恒速運行及經受較頻繁的啟動、反轉及制動；但啟動轉矩小，調速困難。一般機械系統(tǒng)中應用最多。同步電動機能在功率因子cos1的狀態(tài)下運行，不從電網吸收無功功率，運行可靠，保持恒速運行；但構造較異步電動機復雜，造價較高，轉速不能調節(jié)。適用于大功率離心式水泵和通風機等。直流電動機能在恒功率下進展調速，調速性能好，調速圍寬，啟動轉矩大；但構造較復雜、維護工作量較大、價格較高；機械特性較軟、需直流電源?？刂齐妱訖C能精細控制系統(tǒng)位置和角度、體積小、重量輕；具有寬廣而平滑的調速圍和快速響應能力，其理想的機械特性和調速特性均為直線。廣泛用于工業(yè)控制、軍事、航空航天等領域。燃機功率圍寬、操作簡便、啟動迅速；但對燃油要求高、排氣污染環(huán)境、噪聲大、構造復雜。多用于工程機械、農業(yè)機械、船舶、車輛等。液壓馬達可獲得很大的動力和轉矩，運動速度和輸出動力、轉矩調整控制方便，易實現(xiàn)復雜工藝過程的動作要求；但需要有高壓油的供應系統(tǒng)，油溫變化較大時，影響工作穩(wěn)定性；密封不良時，污染工作環(huán)境；液壓系統(tǒng)制造裝配要求高。氣動馬達工作介質為空氣，易遠距離輸送、無污染，能適應惡劣環(huán)境、動作速度快；但工作穩(wěn)定性較差，噪聲大；輸出轉矩不大，傳動時速度較難控制。適用于小型輕載的工作機械。我們在課程設計中選擇的原動機是三相交流異步電動機。根據(jù)傳動系統(tǒng)的設計中的總傳動比及分配問題，還有輸出功率、效率計算確定電機的型號為Y2-112M-6。Y2-112M-6電機額定功率2.2kW,額定電流5.6A，轉速940r/min，效率79%，轉動慣量0.0138，參考質量45kg。4擬定傳動系統(tǒng)方案傳動系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)增速、減速和變速，有時也用作實現(xiàn)運動形式的轉換，并且在傳遞運動的同時，將原動件的輸出功率和轉矩傳遞給執(zhí)行機構。大多數(shù)情況是選擇假設干種傳動裝置或機構合理地加以組合配置，構成一個傳動系統(tǒng)，才能實現(xiàn)預期的工作要求。傳動類型選擇原那么執(zhí)行系統(tǒng)的工況和工作要求與原動機的機械特性相匹配考慮工作要求傳遞的功率和運轉速度有利于提高傳遞效率盡可能構造簡單的單級傳動裝置考慮構造布置考慮經濟性考慮機械平安運轉條件原動機的轉速為=940r/min，執(zhí)行機構原動件的設計轉速為=47r/min，那么傳動裝置系統(tǒng)的總傳動比為i==940/47=20傳動裝置或機構的傳動比有i=··……且系統(tǒng)為減速傳動時，宜使＜……，并使相鄰兩級傳動比相差不要太大。應選擇兩級直齒圓柱齒輪傳動，傳動比分別為4和5，即i=·=4×5。5.繪制系統(tǒng)工作循環(huán)圖1〕選擇定標構件。由于兩執(zhí)行構件的工作循環(huán)的周期是一樣的，即在導桿機構的曲柄旋轉360°的時間完成一個工作循環(huán)。并且導桿機構的曲柄既是切削運動的執(zhí)行機構的原動件又是工作臺組合局部的運動源頭，應選擇曲柄作定標構件，顯然是恰當?shù)摹?〕作一圓環(huán)表示曲柄在一個工作循環(huán)中的轉角，根據(jù)導桿機構的行程速比系數(shù)K，求出其極位夾角=36°，從而可將圓環(huán)分為兩局部：圓環(huán)的上半局部的圓心角為180°+=216°，對應刨刀工作時曲柄的轉角；下半局部表示刨刀空回行程時曲柄的轉角。大小為144°。3〕在前述圓環(huán)之外再畫一圓環(huán)，表示進給運動組合局部中，曲柄搖桿機構的曲柄在一個工作行程中的轉角。以圓環(huán)中所表示的刨刀運動規(guī)律為基準，并在外環(huán)中安排好工作臺停動時間所對應的曲柄的轉角位置，那么搖桿推動棘輪轉動局部所對應的圓心角為180°-〔〕=140°，棘輪不動的時間所對應的圓心角為220°〔包括凸輪的遠休止、回程和近休止階段〕。那么，由此二圓環(huán)所組成的循環(huán)圖可形象、準確地表示出對而執(zhí)行構件之間運動協(xié)調配合的要求圖2系統(tǒng)工作循環(huán)圖6.機構尺度參數(shù)確定表2牛頭刨床設計原始參數(shù)曲柄轉速47機架390刨刀行程H390行程速比系數(shù)K1.50連桿與導桿之比0.27由以上構造運動簡圖可設CB長為、構件3的轉角、構件4的轉角、E點的線位移、AB桿長、CD桿長、DE桿長、CG桿長、CG的長度、構件1的轉角。1、導桿的最大擺角∵K=1.50∴=2、AB桿長∵=36°=390mm∴=sin=120.5mm3、初始位置=90°-arctan=72.8°4、BC長由勾股定理知：=5、CD桿長∵刨刀行程為H，又為使RRP桿組的壓力角較小，滑塊5的導路與D在兩極位位置處的連線的距離應等于導路線與D所在弧線水平線的距離，以此可確定CD桿長∴=6、CG桿長=+〔-〕/2=390mm7、DE桿長∵=0.27∴=0.25*638.47=170.4mm8、構件4的轉角、E點的線位移由上構造運動簡圖建立一直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。所以為此我們可利用封閉圖形CDEGC，由此可得：寫成投影方程為:由以上兩方程可解的：=16.6mm=175.8°9、構件1的轉角∵曲柄轉速=47r/min∴=2*π*/60=5rad/s表3牛頭刨床在初始位置參數(shù)X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7)X(8)X(9)X(10)〔mm〕〔°〕〔°〕〔mm〕〔mm〕〔mm〕〔mm〕〔mm〕〔mm〕〔mm〕408.372.8175.816.6120.5631170.4390615.557.主執(zhí)行機構的運動分析〔計算機編程〕先建立一直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。其中共有四個未知量、、及。為求解需建立兩個封閉矢量方程，為此需利用兩個封閉圖形ABCA及CDEGC，由此可得， (1-1)寫成投影方程為： (1-2)解上面方程組，即可求得、、及四個位置參數(shù)，其中。將上列各式對時間取一次、二次導數(shù)，并寫成矩陣形式，即可得以下速度和加速度方程式。速度方程式： (1-3)機構從動件的位置參數(shù)矩陣：機構從動件的的速度列陣：機構原動件的位置參數(shù)矩陣：：機構原動件的角速度加速度方程式：(1-4)機構從動件的位置參數(shù)矩陣求導：機構從動件的的加速度列陣：機構原動件的位置參數(shù)矩陣求導：主程序〔matlab〕：%牛頭刨床運動分析主程序%x(1)——代表;%x(2)——代表構件3的轉角；%x(3〕——代表構件4的轉角；%x(4)——代表E點的線位移;%x(5)——代表；%x(6)——代表;%x(7)——代表;%x(8)——代表;%x(9〕——代表;%x(10)——代表構件1的轉角。x=[0.408372.8*pi/180175.8*pi/1800.01660.12050.6310.17040.3900.61550];%賦初值dr=pi/180;%度轉化為弧度dth=10*dr;w1=5;%每10度計算一個點fori=1:37y=ntpc(x);%調用從動件位置方程求解函數(shù)ntpc(自編)s3=y(1);theta3=y(2);theta4=y(3);se=y(4);%得到位置參數(shù)。%將各位置參數(shù)用向量儲存，便于后面繪圖，角度用度表示ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y(3)/dr;sse(i)=y(4);%進展速度分析A=[cos(theta3)-s3*sin(theta3)00;sin(theta3)s3*cos(theta3)00;0-x(6)*sin(theta3)-x(7)*sin(theta4)-1;0x(6)*cos(theta3)x(7)*cos(theta4)0];%A機構從動件的位置參數(shù)矩陣B=[-x(5)*sin(x(10));x(5)*cos(x(10));0;0];%B機構原動件的位置參數(shù)列陣yy=w1*inv(A)*B;%公式1-3求解，yy表示機構從動件速度列陣，inv(A)是A的逆陣vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4);%將各速度參數(shù)以向量的方式表示，以便后面繪圖dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy(3);dvse(i)=yy(4);%dA為從動件位置參數(shù)矩陣對時間一次求導%進展角速度分析dA=[-w3*sin(theta3)-vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3)00;w3*cos(theta3)vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3)00;0-x(6)*w3*cos(theta3)-x(7)*w4*cos(theta4)0;0-x(6)*w3*sin(theta3)-x(7)*w4*sin(theta4)0];%dB就是原動件位置參數(shù)列陣對時間一次求導dB=[-x(5)*w1*cos(x(10));-x(5)*w1*sin(x(10));0;0];KK=-dA*yy+w1*dB;%KK為公式1-4右端ya=inv(A)*KK;%公式1-4求解，ya為從動件加速度列陣%將各加速度以向量表示as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya(2);atheta4(i)=ya(3);ase(i)=ya(4);x(10)=x(10)+dth;%計算下一個點x(1)=s3;x(2)=theta3;x(3)=theta4;x(4)=se;end%繪制運動參數(shù)曲線subplot(2,2,1);%選擇第1個子窗口plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%繪制位置線圖subplot(2,2,2);plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%繪制速度線圖subplot(2,2,3);plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase);%繪制加速度線圖%這個函數(shù)是關于牛頭刨床位置方程求解，可得：s3,theta3,theta4,sE四個運動變量。子程序：functiony=ntpc(x)%x(1)——代表;%x(2)——代表構件3的轉角；%x(3〕——代表構件4的轉角；%x(4)——代表E點的線位移;%x(5)——代表；%x(6)——代表;%x(7)——代表;%x(8)——代表;%x(9〕——代表;%x(10)——代表構件1的轉角。%先賦初值；這些初值來自于主程序。s3=x(1);theta3=x(2);theta4=x(3);se=x(4);epsilon=1e-6;%設置求解精度為10-6%用矩陣的形式表示位置方程組〔4x1的矩陣〕f=[s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10));s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10))-x(8);x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se;x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9)];%用牛頓-辛普森法求解whilenorm(f)>epsilon%J位置方程組的雅可比矩陣，即從動件位置參數(shù)矩陣J=[cos(theta3)-s3*sin(theta3)00;sin(theta3)s3*cos(theta3)00;0-x(6)*sin(theta3)-x(7)*sin(theta4)-1;0x(6)*cos(theta3)x(7)*cos(theta4)0];dth=inv(J)*(-1.0*f);%計算增量，進展迭代，inv(J)為J的逆陣s3=s3+dth(1);theta3=theta3+dth(2);theta4=theta4+dth(3);se=se+dth(4);f=[s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10));s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10))-x(8);x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se;x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9)];norm(f);%假設未達精度，會繼續(xù)迭代。end%輸出4個參數(shù)y(1)=s3;y(2)=theta3;y(3)=theta4;y(4)=se;將程序輸入matlab中就可得到E點的位移、速度和加速度的運動線圖〔圖3、圖4、圖5〕。圖3位置線圖圖4速度線圖圖5加速度線圖8.主執(zhí)行機構的運動分析及動態(tài)靜力分析〔作圖法〕建立直角坐標系，并標出各桿矢量及方位角。利用兩個封閉圖形ABCA及CDEGC?！擦頢3======〕投影方程式為〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕8.1主執(zhí)行機構的速運動分析1.速度分析：〔具體值及矢量圖見A1號圖〕圖解法驗證當曲柄角度為60°時的運動分析：因構件1和2在B處的轉動副相連，故，其大小等于，方向垂直于AB線。取構件2和3的重合點B進展速度分析。列速度矢量方程，得大小"√"方向√√√通過圖解法可求得，B3點與D點同在構件3上，故那么可求的D點速度。取4構件作為研究對象，列速度矢量方程，得大小"√"方向√√√再通過圖解法，得到E點的速度。2.加速度分析：〔具體值及矢量圖見A1號圖〕因構件1和2在B點處的轉動副相連，故,方向垂直與AB。取2、3構件重合點B為研究對象，列加速度矢量方程得：