牛头刨床机构设计修订版
牛头刨床机构设计修订
版
IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】
机械原理设计说明书
设计题目：牛头刨床机构设计学生：汪在福
班级：铁车二班
学号： 20116473 指导老师：何俊
机械原理设计说明书
设计题目：牛头刨床机构设计
学生姓名汪在福
班级铁车二班
学号 20116473
一、设计题目简介
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
二、? 设计数据与要求
电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃D点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为±5％。要求导杆机构的最大压力角应为最小值；凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。执行构件的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计
题号导杆机构运动分析导杆机构动
态静力分析
凸轮机构设计
转机工行连工导滑导从从许推远回
6
?
三、? 设计任务
1、根据牛头刨床的工作原理，拟定2～3个其他形式的执行机构（连杆机构），并对这些机构进行分析对比。
2、根据给定的数据确定机构的运动尺寸。并将设计结果和步骤写在设计说明书中。
3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。。
4、导杆机构的动态静力分析。通过参数化的建模，细化机构仿真模型，并给系统加力，写出外加力的参数化函数语句，打印外加力的曲线，并求出最大平衡力矩和功率。
5、凸轮机构设计。根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸（基圆半径ro、机架lO2O9和滚子半径rr），并将运算结果写在说明书中。将凸轮机构放在直角坐标系
下，在软件中建模，画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。
6、编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。
四.设计过程
（一）方案选择与确定
方案一：如图（1）采用双曲柄六杆机构ABCD，曲柄AB和CD不等长。
方案特点：
（1）主动曲柄AB等速转动时，从动曲柄DC做变速运动，并有急回特性。
（2）在双曲柄机构ABCD上串联偏置式曲柄滑块机构DCE，并在滑块上固结刨头，两个连杆机构串联，使急回作用更加显着。同时回程有较大的
加速度，提高了刨床的效率。
图一
方案二：方案为偏置曲柄滑块机构。如图二
图二
方案特点：结构简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随着行程速比系数K的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。
方案三：由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。该方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案（二）有所改进，但在曲柄摇杆机构ABCD中，随着行程速比系数K的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（二）更大。如图三
图三
方案四：由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。该方案克服了方案（三）的缺点，传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。如图四
图四
方案确定：综上，方案四较为合理 （二）传动机构尺寸的确定
令4O 点为基点用以确定尺寸，滑块6导程回路距基点4O 距离L ；摆动导杆运动所绕圆心2O 距基点4O 距离42O O l ；导杆A O 2的长度A O l 2；导杆B O 4的长度B O l 4；连杆BC 长度
BC l 。
由题目已知尺寸及相互关系：
机架 24430O O l mm =； 工作行程H=400mm ；
连杆与导杆之比
40.36BC
O B
l l =； 行程速比系数 1.4K =。 .根据所给数据确定机构尺寸
极位夹角：k 1 1.41
180180=301 1.41k θ--==++。。。
导杆长度41400177322sin15sin 2
BO H l θ=
==。mm 连杆长度：BC l =0.36 4BO l =278mm
曲柄长度:224sin
430*sin151112
AO O O l l θ
===mm
为了使机构在运动过程中具有良好的传动力特性；即要求设计时使得机构的最大压力角具有最小，,应此分析得出:只有将构件5即B 点移到两极限位置连线的中垂线上,才能保证机构运动过程的最大压力角具有最小值。分析如下：
解：当导杆摆到左边最大位置时，最大压力角为3α，刨头可能的最大压力角位置是导杆B 和'B ，设压力角为1α ，2α （见下图五）。根据几何关系3α=
12
αθ
+。由于2α与
1α，3α呈背离关系，即2α增加则1α，3α减小且3α＞1α。则要使机构整体压力最小，只
要有2α=3α，当刨头处于导杆摆弧平均置处1α =2α，则 BC
BO l l )
2cos 1(2
1arcsin 42θα-=所以 44411
(1cos )773*773(1cos15)77313760222
CO BO BO y L l mm θ=--=--=-=
（图五）（图六）（三）机构运动简图的绘制
选取一长度比例尺，机构运动简图的绘图如图六所示
通过上面的计算，确定数据汇总如下：
极位夹角：30度
连杆：278mm
导杆：778mm
曲柄：111mm
高度：760mm
（四）静力分析 1）对曲柄,由平衡条件有：
x F =0, 21x F +2o x F =0；
y F =0, 21y F +2o y F =0；
2O M =0；21x F l 1sin θ2-21y F l 1cos θ2-T N =0
2）对导杆，又平衡条件有：
F=0, F4O x+F43x-F23sinθ4=0 ；
x
F=0, F4O y+F43y+ F23cosθ4-m2g=0；
y
M=0, - F43x l3sinθ4+ F43y l3cosθ4-1/2 m2g l3cosθ4+ F23s3=0 4
o
3）对滑块, 由平衡条件有
F=0, F32sinθ4-F12x=0
x
F=0, - F32cosθ4-F12y=0
y
4)对连杆，由平衡条件有
F=0, -F34x-F max=0；
x
F=0, F cy-F34y=0；
y
M=0， F cy l4cosθ5+ F max l4sinθ5=0
4
o
综上所述联立方程求得
F34x=- F max
F cy=- F max tanθ5
F34y=- F max tanθ5
F23=（F max l3sinθ4- F max tanθ5l3cosθ4+1/2 m2g l3cosθ4）/ s3
F4O x=- F max+（F max l3sinθ4- F max tanθ5l3cosθ4+1/2 m2g l3cosθ4）sinθ3/ s3
F4O y= m2g- F max tanθ5-（F max l3sinθ4- F max tanθ5l3cosθ4+1/2 m2g
l3cosθ4）cosθ4/ s3
F12x=-（F max l3sinθ4- F max tanθ5l3cosθ4+1/2 m2g l3cosθ4）sinθ4/ s3 F12y=（F max l3sinθ4- F max tanθ5 l3cosθ4+1/2 m2g l3cosθ4）cosθ4/ s3
F= F12x
2o x
F= F12y
2o y
T N=（F max l3sinθ4- F max tanθ5l3cosθ4+1/2 m2g l3cosθ4）l1cos(θ2-θ4)/ s3
（五）凸轮设计
1. 凸轮机构的设计要求概述：
1）已知摆杆9作等加速等减速运动，要求确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，有题目可以知道该凸轮机构的从动件运动规律为等加速等减速运动。
各数据如表：
2）由以上给定的各参数值及运动规律可得其运动方程如下表：
3）依据上述运动方程绘制角位移ψ、角速度ω、及角加速度β的曲线：（1）、角位移曲线：
图(1)
①、取凸轮转角比例尺μ
φ =1.25°/mm和螺杆摆角的比例尺μ
ψ
=0.5°/mm在轴上截取
线段代表，过3点做横轴的垂线，并在该垂线上截取33＇代表(先做前半部分抛物线).做03的等分点1、2两点，分别过这两点做ψ轴的平行线。
②、将左方矩形边等分成相同的分数,得到点1＇和2 ＇。
③、将坐标原点分别与点1＇,2＇,3＇相连,得线段O1＇,O2＇和03＇,分别超过1,2,3点且平行与Ψ轴的直线交与1＂,2＂和3＂.
④、将点0,1＂,2＂,3＂连成光滑的曲线,即为等加速运动的位移曲线的部分,后半段等减速运动的位移曲线的画法与之相似.
(2)角速度ω曲线:
①、选凸轮转角比例尺μ
φ=1.25°/mm和角速度比例尺μ
ω
=0.0837(rad/s)/mm,在轴上截
取线段代表。
②由角速度方程可得φ=φ
o /2, ω= ω
max
,求得v换算到图示长度,3点处φ=Φ
/2,故ω
max
位于过3点且平行与ω轴的直线.由于运动为等加速、等减速,故连接03＇即为此段的角速度图,下一端为等减速连接3＇6即为这段角速度曲线。
③其他段与上述画法相同,只是与原运动相反。
五．运动仿真
通过adams进行运动仿真，仿真图如图5.1
图5.1 运动仿真图
进一步分析得到运动曲线如图5.2，图5.3，图5.4：
图5.2 刨头输出位移图
图5.3 刨头输出速度图
图5.4 刨头输出加速度曲线
六．三维建模
用proe进行三维建模，如图6.1
图6.1 三维建模图