機械原理課程設(shè)計牛頭刨床

1、<p><b>　　牛頭刨床</b></p><p>　　0.機構(gòu)簡介與設(shè)計數(shù)據(jù)</p><p><b>　　0.1牛頭刨床簡介</b></p><p>　　牛頭刨床是一種用平面切削加工的機床，如下圖所示。電動機經(jīng)皮帶和齒輪傳動，帶動曲柄2和固結(jié)在其上的凸輪8。刨床工作時，由曲柄機構(gòu)2-3-4-5-6帶動刨頭6和

2、刨刀7作往復(fù)運動。刨頭右行時，刨刀進行切削，稱工作行程，此時要求速度較底并且均勻，以減少電動機的容量和提高切削質(zhì)量；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(chǎn)效率。為此刨床采用有急回作用的導(dǎo)桿機構(gòu)。刨刀每切削完一次，利用空回行程的時間，凸輪8通過四桿機構(gòu)1-9-10-11與棘輪帶動螺旋機構(gòu)，使工作臺連同工作件作一次進給運動，以便刨刀繼續(xù)切削。刨頭在工作行程中，受到很大的工作阻力（在切削的前后個有一段約0.5H的空刀

3、距離，見圖）而空回行程中則沒有切削阻力。因此刨頭在整個運動循環(huán)中受力變化是很大的，這就影響了主軸的勻速運轉(zhuǎn)，故需安裝飛輪來減小主軸的速度波動，以提高切削質(zhì)量和減小電動機容量。</p><p>　　牛頭刨床機構(gòu)簡圖及其阻力曲線</p><p><b>　　0.2設(shè)計數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　運動分析數(shù)據(jù)</b>

4、;</p><p>　　導(dǎo)桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析數(shù)據(jù)</p><p><b>　　凸輪機構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)</b></p><p>　　飛輪轉(zhuǎn)動慣量確定數(shù)據(jù)</p><p>　　1.導(dǎo)桿機構(gòu)的運動分析</p><p>　　已知 曲柄每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)n2,各構(gòu)件的尺寸及重心位置，且刨頭導(dǎo)路x-x位于導(dǎo)桿端點B

5、所作圓弧高的平分線上（見圖） .</p><p>　　要求 做出機構(gòu)的運動簡圖，用解析法和圖解法求出方案Ⅰ中1′+10°和9位置的速度、加速度，并對結(jié)果進行誤差分析。</p><p>　　1.1矢量方程圖解法</p><p>　　用CAD按一定的比例繪制機構(gòu)位置機構(gòu)簡圖及相應(yīng)的速度和加速度多邊形圖，并量出個對應(yīng)量進行對矢量方程的所求得的結(jié)果分析誤差。矢

6、量方程圖解法：</p><p>　　其中l(wèi)2=lAO2, l4=lBO4,l5=lBC,vB=vB4=vB5, aB= aB4=aB5</p><p><b>　　速度</b></p><p><b>　?。?）加速度</b></p><p><b>　　1.2矩陣法</b>&

7、lt;/p><p>　　建立直角坐標系，標出各桿矢量及方位角。其中共有四個未知量θ4，θ5，s4,sC.建立兩個封閉矢量方程，為此需用兩個封閉圖形O2AO4及O4BCEO4，由此可得</p><p>　　l6+l2=s4, l4+l5=l6′+sC</p><p><b>　　寫成投影方程為</b></p><p>　　

8、S4cosθ4=l2cosθ2 </p><p>　　S4sinθ4=l6+l2sinθ2 </p><p>　　l4cosθ4+l5cosθ5-sE=0</p><p>　　l4sinθ4+l5sinθ5= l′6</p><p>　　以上個式即可求得θ4、θ5、s4及sE四個運動變量。其中l(wèi)4、l5、l2

9、、l6為已知量</p><p>　　以上矢量方程式未知量代數(shù)式如下：</p><p>　　θ4=arctan[(l2 sinθ2+ l6)/ cosθ2 l2] </p><p>　　l'6= [l24-(l2 l4/ l6)2]1/2 /2 </p><p>　　θ5=arcs

10、in[(sinθ4* l4- l'6)/ l5 ] </p><p>　　SE =l 4 cosθ4 + l 5 cosθ5 </p><p>　　S4=cosθ2 l 2/cosθ4 </p><p>　　將上面投影式子分別對t求導(dǎo)，得 <

11、;/p><p>　　S'4 cosθ4+ S4（-sinθ4）ω4= -l2 sinθ2ω2 </p><p>　　S'4 sinθ4+ S4cosθ4ω4= -l2 sinθ2ω2 </p><p>　　其中，S'4、ω4、為未知量，且由題目已知條件ω2=nπ/30=60π/30=2π

12、= 6.28318530717959rad/s</p><p>　　將余下的式子對t求導(dǎo)，得</p><p>　　- l4sinθ4ω4- l5sinθ5ω5= 0 </p><p>　　l4cosθ4ω4 +l5cosθ5ω5 =0 </p><p>　

13、　其中，ω5 為未知量 。把其寫成矩陣形式，運用MATLAB運算。</p><p>　　最后運動切削點C的速度vc、S'4、ω5、ω4均可以得到。</p><p>　　把上面各式再對時間t二次求導(dǎo)，得到加速度列式：</p><p>　　S''4 cosθ4-S'4 sinθ4ω4-S'4 sinθ4ω4 -S4 (cosθ4

14、ω24+ sinθ4 a4)=-l2 (cosθ2ω22 – sinθ2a2 ) </p><p>　　S''4 sinθ4+S'4 cosθ4ω4+S'4 sinθ4ω4 + S4 (-sinθ4ω24+ cosθ4 a4)=-l2 (sinθ2ω22 +cosθ2a2 )

15、 </p><p>　　- l4（ω24 cosθ4+sinθ4 a4）- l5（ω25cosθ5+sinθ5a5）= ac </p><p>　　- l4（-ω24 sinθ4+cosθ4 a4）+l5（-ω25sinθ5+cosθ5a5） =0

16、 </p><p>　　并寫成矩陣形式，即得以下速度和加速度方程式：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　2.導(dǎo)桿機構(gòu)的動態(tài)靜力分析</p><p>　　已知 各構(gòu)件的重量G(曲柄2、滑塊3和連桿5的重量都可忽略不計)，導(dǎo)桿4繞重心的轉(zhuǎn)動慣量Js4及切削力P的變化規(guī)律(圖1)，及在導(dǎo)桿機構(gòu)

17、設(shè)計和運動分析中得出的機構(gòu)尺寸，速度和加速度。</p><p>　　要求 求方案Ⅰ第二位置各運動副中反作用力及曲柄上所需要的平均力矩。先用圖解法，再用虛位移驗證所得結(jié)果。</p><p><b>　　圖解法：</b></p><p><b>　　2.1桿組5-6</b></p><p><b&

18、gt;　　5-6組示力體</b></p><p>　　已知G6 ， P， FI6=（ G6/g）mC，lI6為R16對C的力臂，</p><p><b>　　2.2桿組3-4 </b></p><p>　　由以上求得R45 ，桿5是二力桿，所以R54=R45 ，桿4的角加速度4= atA4/lA4O4, 慣性力偶矩MI4=JS44,

19、 慣性力FI4=(G/g) aB4/2,總慣性力F′I4(= FI4) 偏離質(zhì)心S4的距離為h′4= MI4/ FI4（其對S4的方向為逆時針），h4為G4對O4的力臂，hI4為F′I4對O4的力臂，h54 為R54對O4的力臂，h23為R 23對O4的力臂，</p><p><b>　　2.3桿組1-2</b></p><p><b>　　2.4虛位移原理

20、</b></p><p>　　所有外力的功率和為0，NP+NI6+NG4+NI4+NM=0，</p><p>　　NP=|P||vC|cos180°,</p><p>　　NI6=|FI6||vC|cos180°,</p><p>　　NG4=0.5|G4||vB|cos103.75252336°,&

21、lt;/p><p>　　NI4=|FI4||vI4|cos171.89875340°,</p><p><b>　　NM=Mbω2 ,</b></p><p>　　把數(shù)據(jù)代入上式，得平衡力矩Mb=550.6257561876643N.m，</p><p><b>　　3.飛輪設(shè)計</b><

22、;/p><p>　　已知 機器運轉(zhuǎn)的速度不均勻系數(shù)δ，平衡力矩Mb,飛輪安裝在曲柄軸上，驅(qū)動力矩Med為常數(shù)。</p><p>　　要求 ：求方案Ⅰ飛輪轉(zhuǎn)動慣量JF。</p><p><b>　　3.1等效阻力矩</b></p><p>　　公式 Mer=∑FVcosθ=|P||vc||cos180o|+0.5vB|G|co

23、s ，</p><p>　　, 其中在1，1/，，2，3，4，5，6，7，7＇，8＇位置，=，在8，9，10，11，12位置，=180-。</p><p>　　在8，8′，9，10，11，12，1位置P=0。</p><p>　　15個位置的等效阻力矩：</p><p>　　方案Ⅰ: nO2=60r/min no’=144

24、0r/min</p><p>　　則傳動比為：i=no’/nO2=1440/60=24,</p><p>　　ω20=(1500/24)*2*3.14/60=6.541666666rad/s</p><p>　　ωm=ω10=2*pi=6.28318530717959 rad/s</p><p>　　[δ]=0.05 </p>

25、<p>　　ωmax=ωm(1+[δ]/2)=2*pi*(1+0.025)= 6.44026493985908rad/s</p><p>　　ωmin=ωm(1-[δ])/2=2*pi*(1-0.025)= 6.12610567450010rad/s</p><p><b>　　3.2等效驅(qū)動力矩</b></p><p>　　由上面

26、等效阻力矩作圖（見附圖），在同一個周期內(nèi)，驅(qū)動力矩做功應(yīng)等于阻力矩做功。</p><p>　　(Med-Mer)dφ =0 </p><p><b>　　用近似面積計算：</b></p><p>　　等效阻力矩線圍成面積= 7055.69001mm2,</p><

27、;p>　　可求得等效驅(qū)動力矩：2Med= 7055.69001*8.0024*π/90，</p><p>　　Med= 39.18652*8.0024=313.5862226666667Nm，</p><p><b>　　3.3求最大盈虧功</b></p><p>　　最大盈虧功△Wmax =（Med-Mer）dφ=斜線以上部分的總面積，

28、</p><p>　　用CAD量得斜線以上部分的總面積=3879.53623912826mm2，根據(jù)比例尺，有</p><p>　　△Wmax=3879.53623912826*4*π/90= 1083.695904439571（J）</p><p>　　3.4原機構(gòu)的等效轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Je=Jo2+Jo1·(no1

29、/n2)2+Jo”(no” /n2)2+Jo’(no’/n2)2 </p><p>　　又nO2/nO′=60/1440,nO′/nO″=dO″/dO′=300/100,nO″/nO1=z1′/zO″=10/20,</p><p>　　將以上各值帶入(4-4)中： Je=133.3 kg·m2</p><p>　　3.5

30、求飛輪的轉(zhuǎn)動慣量JF</p><p>　　JF=△Wmax·900/n2·π2 [δ] -</p><p>　　=1083.695904439571*900/602/π2/0.05-133.3</p><p>　　= 415.7067587308556 kg*m2</p><p><b>　　3.6結(jié)果</

31、b></p><p><b>　　4.凸輪機構(gòu)設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1推桿運動規(guī)律</b></p><p>　　已知 擺桿9為等加速等減速運動規(guī)律，其推程運動角φ，遠休止角φs,,回程運動角φ,,擺桿長度lo9D，最大擺角Φmax，許用壓力角[α]凸輪與曲柄共軸。</p><

32、;p>　　要求 確定方案Ⅰ凸輪的基本尺寸，選定滾子的半徑，畫出凸輪的實際廓線。</p><p>　　步驟： 1）根據(jù)從動件的運動規(guī)律，按照下列公式計算推程和回程的各個角位移φ。</p><p>　　等加速推程： φ=2φmaxδ2/δo2 </p><p>　　φ，= = 4φmaxδ/δo2 </p><

33、;p>　　∴ φ“=4φmaxδ/δo2 </p><p>　　等減速推程： φ=φmax-2φmax(δo-δ) 2/ δo2 </p><p>　　φ,= = 4φmax(δo-δ) /δo2</p><p>　　∴

34、 φ“ =-4φmax(δo-δ)/δo2 </p><p>　　把推程角6等分，并列出對應(yīng)的擺角：表</p><p>　　等加速回程： φ=φmax-2φmaxδ2/δ，o2 </p><p>　　φ,= = -4φmaxδ/ δ，o2</p>&l

35、t;p>　　∴ φ“ =-4φmaxδ/δo2 </p><p>　　等減速回程： φ=2φmax(δ，o-δ) 2/ δ，o2</p><p>　　φ,= = -4φmax(δ，o-δ) / δ，o2</p><p>　　∴

36、 φ“ =-4φmax(δo-δ)/ δo2 </p><p>　　4.2凸輪基本尺寸設(shè)計</p><p>　　用Auto CAD2004作圖確定基圓的半徑和中心距。</p><p>　　以擺桿長為半徑，以擺動中心為圓心，以φma角為圓心角作圓弧。自擺動中心作一系列輻射線按預(yù)定擺角分割φma，所對應(yīng)的弧，得到相應(yīng)的分割點。在擺動中心相應(yīng)輻

37、射線上由各分割點分別向左或右截取各線段，線段所代表的實際長度就等于，截取方向根據(jù)D點速度方向順著凸輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)過90o后所指的方向來確定。然后過各線段的末點作與相應(yīng)輻射線的法線的夾角成為[α]（許用壓力角）的直線，即一系列直線確定凸輪中心的安全區(qū)域，然后在安全中心確定凸輪中心，分別取相應(yīng)的凸輪基圓半徑和中心距。</p><p><b>　　4.3凸輪輪廓設(shè)計</b></p><

38、;p>　　用Auto CAD2004進行繪制凸輪廓線：</p><p>　　作凸輪理論廓線和工作廓線：在上圖選最小基圓半徑O2D作基圓，然后機架以中心距a為半徑，以為圓心，以凸輪與初始位置的夾角的反轉(zhuǎn)角為圓心作弧,凸輪不動。對每一反轉(zhuǎn)角，以擺桿長為半徑以圓心作圓交于基圓的一點，連接交點與，再以列表（1）（2）對應(yīng)的擺角為圓心角作弧，即弧線的端點為理論廓線的一點。對每一反轉(zhuǎn)角及其對應(yīng)擺角重復(fù)上述操作。連接各弧

39、線端點得凸輪理論廓線。然后選合適的磙子半徑作圓心在理論廓線上的一系列磙子圓，作一系列磙子圓的包絡(luò)線，即得工作廓線。</p><p>　　4.4理論廓線最小曲率半徑</p><p>　　三圓法確定理論廓線最小曲率半徑：在所得的凸輪廓線最彎曲處取一點為圓心作一小圓，再以圓和廓線相交的兩點為圓心作兩個同樣大小的圓，分別得到與第一個圓相交的兩個交點，再分別作過兩交點的直線得兩直線相交于一點，再以這