牛头刨床课程设计12 4点位置说明书

机械原理

课程设计说明书设计题目：牛头刨床的设计

机构位置编号：12,4

方案号：1

班级：25041001

姓名：宋函卿

学号：13

2013年 1 月 11 日

目录

一、机构简介 (2)

导杆机构的运动分析 (2)

计算数据 (2)

二、设计（计算）说明书 (5)

1.导杆机构的设计

（1）画机构的运动简图 (6)

（2）对位置12,4进行速度分析和加速度分析 (8)

（3）对位置12点进行动态静力分析 (12)

2.凸轮机构的设计 (16)

3.齿轮机构的设计 (21)

三、课程设计总结 (24)

四、参考文献 (25)

一、设计题目：牛头刨床

牛头刨床主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。

它的主要五大特点有：

1、牛头刨床的工作台能左右回转角度，工作台具有横向和升降的快速移动机构；用以刨削倾斜的平面，从而扩大了使用范围。

2、刨床的进给系统采用凸轮机构，有10级进给量。改变走刀量，也非常方便。

3、牛头刨床在走刀系统内装有过载安全机构，当由于操作不慎或者受到外力影响与切削超载时，走刀自行打滑，无损机件保证机床的正常运行。

4、滑枕和床身导轨间以及具有速度的齿轮付和主要的滑动导轨面，均有油泵打出的润滑油进行循润滑。

5、牛头刨床装有离合器及制动停车机构，所以在变换速度，启动机床及停车时，可不必切断电源，制动停车机构能使滑枕当离合器脱开时之惯性冲程量不大于10毫米。

我的课设是方案一

二、牛头刨床机构简介

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图1。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2 和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6 带动刨头6 和刨刀7 作往复运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量，刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8 通过四杆机构1-9-10-11 与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约0.05H 的空刀距离，见图1，b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。

图一：牛头刨床机构简图及阻力曲线图

三、设计数据

方案单位符号内容

导杆机构的运动分析导杆机构动态静力分析

n2 lo2o

4

lo2A lo4B lBC lo4s4 xs6 ys6 G4G6P yp Js4

r/mi

n

mm N mm kg.

m2

一60 380 110 540 135 270 240 50 200 700 700

80 1.1

方案单位符号内容凸轮机构的设计齿轮机构的设计

￠lo7D[a]&0&01&0"do5do3m12mo31a °mm°mm°

一15 125 40 75 10 75 100 300 6 3.5 20

四、设计内容

一、导杆机构的运动分析

已知：曲柄每分钟转数n2，各构件尺寸及重心位置，且刨头导路x-x 位于导杆端点B所作的圆弧高的平分线上。

要求：（1）做机构的运动简图

（2）并作机构上12,4两位置的速度、加速度多边形以及刨头的运动线图。

以上内容与后面的动静力分析一起画在1 号图纸上。

曲柄位置图的作法为取1 和8 为工作形成起点和终点对应的曲柄位置，1 和7 为切削起点和终点所对应的位置，其余2，3…12 等，是由位置1 起顺 w2 方向将曲柄圆周作12 等分的位置。

步骤：

1）设计导杆机构。

按已知条件确定导杆机构的未知参数。其中滑块6 的导路x-x 的位置可根据连杆5 传力给滑块6 的最有利条件来确定，即x-x 应位于B 点所画圆弧高的平分线上。

2）作机构运动简图。选取比例尺在1号图纸上画出12,4两个曲柄位置作出机构的运动简图，其中12位置用粗线画出。取滑块6 在上极限时所对应的曲柄位置为起始位置1，按转向将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置。再作出开始切削和中止切削所对应的1’和8’两位置。共计14 个机构位置。

导杆机构的速度加速度图作图过程

1.选取长度比例尺μ1:2，作出机构在位置12，4的运动简图。

2.

12号位置速度加速度分析：

A 点的速度分析图

取构件3和4的重合点（A2，A3，A4）进行速度分析。 对构件2：V A2=ω2·LO2A=（60X2π）/60x0.11=0.69 m/s

对构件3：构件3和构件2在A 处构成转动副，V A3=V A2=0.69 m/s 对构件4：V A4=V A3+V A4A3

大小： ？ √ ？

方向：⊥AO 4 ⊥AO 2 // AO 4

取速度极点P ，速度比例尺μv =0.01（m/s ）/mm 。作速度多边形如下图所示。 得：V A4

4

ω

= V A4/ LO4A

V A4A3

V B4 =

4

ω

X L O4B

V B5 = V B4

对构件4：V C5=V B5+V C5B5 大小： ？ √ ?

方向：//XX ⊥o4B ⊥CB

取速度极点P ，速度比例尺μv =0.01（m/s ）/mm 。作速度多边形如上图所示。 得：V C5=0.6168 m/s

位置12的加速度分析

对构件2：a A2=w 2 2·L O2A =6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s 2

对构件3：构件3和构件2在A 处构成转动副，aA3= aA2=4.338 m/s 2 对构件4：a A4= a A4n + a A4τ= a A3+ a A4A3k + a A4A3r

大小：? ω42l O4A ? √ √ ? 方向：? B →A ⊥O 4B A →O 2 ⊥O 4B //O 4B

取加速度极点p ’，加速度比例尺μa=0.01（m/s 2）/mm 。

a A4A3k= 2ω4υA4 A3

=42

4AO l ?ω

作加速度多边形如下图所示。

对构件5：: a C5= a B5 n + a B5 t + a C5B5n + a C5B5τ

大小: ？ √ √ √ ？ 方向： ∥xx B →O 4 ⊥BO 4 ⊥CB C →B

取加速度极点p ’，加速度比例尺μa=0.01（m/s 2）/mm 。 作加速度多边形如下图所示。得：

=9.059m/s 2,

==9.059m/s2（→）

得出：V C= 0.6168 m/s

得出：a C=9.059m/s2（→）

4号位置

位置4的速度分析

取构件3和4的重合点（A2，A3，A4）进行速度分析。

对构件2：V A2=ω2·LO2A=（60X2π）/60x0.11=0.69 m/s

对构件3：构件3和构件2在A处构成转动副，V A3=V A2=0.69 m/s

对构件4：V A4=V A3+V A4A3

大小：？√？

方向：⊥AO4⊥AO2// AO4

取速度极点P，速度比例尺μv =0.01（m/s）/mm。作速度多边形如下图所示。

得：V A4=0.0.67212m/s，

ω=V A4/ LO4A=0.67212/0.48633=1.382 rad/s（顺时针）

4

V A4A3=0.15607m/s（A指向o2）

ωX L O4B=1.382*0.54=0.74628 m/s

V B4=4

V B5 = V B4=0.74628m/s

对构件4：V C5=V B5+V C5B5

大小：？√?

方向：//XX ⊥o4B ⊥CB

取速度极点P，速度比例尺μv =0.01（m/s）/mm。作速度多边形如上图所示。得：V C5=0.74845 m/s

位置4的加速度分析

对构件2：a A2=w2 2·L O2A=6.28*6.28*0.11=4.338224 m/s2

对构件3：构件3和构件2在A处构成转动副，aA3= aA2=4.338 m/s2

对构件4：a A4= a A4n + a A4τ= a A3+a A4A3k+a A4A3r

大小：? ω42l O4A ? √√?

方向：? B→A⊥O4B A→O2⊥O4B //O4B

取加速度极点p’，加速度比例尺μa=0.01（m/s2）/mm。

a A4A3k=

2ω4υA4 A3=2*1.382*0.15607=0.4314 m/s 2

=42

4AO l ?ω=1.382*1.382*0.48633=0.92889 m/s 2

作加速度多边形如上图所示。得：

= 0.5498m/s 2 ，

=1.1079m/s 2

0.5498/0.48633=1.1305

1.1305*0.54=0.61407 m/s 2

1.382*1.382*0.54=1.03136m/s

对构件5：: a C5= a B5 n + a B5 t + a C5B5n + a C5B5τ

大小: ？ √ √ √ ？ 方向： ∥xx B →O 4 ⊥BO 4 ⊥CB C →B

取加速度极点p ’，加速度比例尺μa=0.01（m/s 2）/mm 。 作加速度多边形如上图所示。得：

=0.6176m/s 2,

=

=0.6176m/s 2

位置要求图解法结果

12v c（m/s）0.6168

a c(m/s2)

9.059

4

v c（m/s）0.74845

a c(m/s2)0.6176

二、导杆机构的动态静力分析

已知：各构件的重量G （曲柄2、滑块3和连杆5的重量都可忽略不计），导杆4绕重心的转动惯量4

S J 及切削力P 的变化规律。

要求：按表2所分配的第二行的一个位置，求各运动副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩。以上内容作在运动分析的同一张图纸上。

首先按杆组分解实力体，用力多边形法决定各运动副中的作用反力和加于曲柄上的平衡力矩，将其分解为5-6杆组示力体，3-4杆组示力体和曲柄。

取12号位置为研究对象：

5-6杆组示力体共受五个力，分别为G6、Fi6、R16、R45, 其中R45和R16 方向已知，大小未知，切削力P 沿X 轴方向，指向刀架，重力G6和支座反力F16 均垂直于质心， R45沿杆方向由C 指向B ，惯性力Fi6大小可由运动分析求得，方向水平向左。选比例尺μ= (10N)/mm ，

矢量图解法：

已知P=7000N ，G6=700N ，

a c =a c5=9.059m/s 2

FI6=- G6/g ×ac =700/10×9.059 = 634N （向右）

ΣF= G 6 + F I6 + F 45 + F RI6=0，

方向 ↓ → B →C ↑ 大小 700 √ ？ ？

F45=640N（←）F RI6= 695 N

分离3,4构件进行运动静力分析，杆组力体图如图所示，

对3-4杆组示力体分析

已知：F54=-F45=640N（→），G4=200N

对O4点取矩得：F23=775N

F x + F y + G4 + F I4 + F23 + F54 = 0

方向：√√√M4o4 √√

大小：？？↓√┴O

B √

4

G 4F I4

F 23

F 54

F x

F

y

图解得：F x =

130N

F y = 365N

对曲柄分析

Fr 12 =Fr 32=775N M=85N

三、凸轮机构设计

㈠凸轮机构的设计要求概述：

⒈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，将凸轮实际轮廓㈠凸轮机构的设计要求概述

画在2号图纸上。

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：

符号ψmax l O9DΦΦs Φ’【α】

单位度mm 度度

数据15.125 75 10 75 40

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：

推程0≤2φ≤Φo /2 回程Φo+Φs≤φ≤Φo+Φs+Φ'o/2

ψ=24*Φ*Φ/(25*π)ψ=π/12-24（φ-17π/36）2/25π

ω=96φ/25 ω=-96（φ-17π/36）2/25

β=192π/25 β=-192π/25

推程Φo /2≤φ≤Φo回程Φo+Φs+Φ’o/2≤φ≤Φo+Φs+Φ’o

ψ=π/12-24（5π/12-φ）2/25ψ=24（8π/9-φ）2/25π

ω=96（5π/12-φ）2/12 ω=-96（8π/9-φ）2/25

β=-192π/25 β=192π/25

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：

ψ（）

φ（）

φ（）

图(1)

①、取凸轮转角比例尺μφ=1.25°/mm和螺杆摆角的比例尺μψ=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μφ=1.25°/mm 和角速度比例尺μω=0.0837(rad/s)/mm,在轴上截取线段代表。

10＇

＇

φ（°）

ω（）

图(2)

②由角速度方程可得φ=φo /2, ω= ωmax ,求得v 换算到图示长度,3点处φ=Φ0/2,故ωmax 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。 (3)角加速度曲线:

①选取与上述相同的凸轮转角比例尺μ

φ

=1.25°/mm 和角加速度比例尺μ

β

=0.8038(rad/s)/mm 在轴上截取线段代表。

②由角加速度方程求的角加速度β.因运动为等加速,等减速,故各段加速度值也相同,只是方向相反.

③13段为加速段β为正值,β轴上取β做平行于13的直线段即为1、3段的加速度，其余各段与3做法相似。

序号0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 偏角0° 1.875°7.5°13.125°15°15°13.125°7.5° 1.875°0°

β(°)

φ(°)

图(3)

４作摆动从动件盘形凸轮轮廓设计：

⑴设计原理

设计凸轮轮廓依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（－ω）（ω为原

凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（－ω）绕凸轮

轴心逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心相对机架

摆动，则从动件的尖顶在复合运动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。

⑵设计凸轮轮廓：

Ａ、绘制凸轮的理论轮廓线［既滚子轴心实际轮廓］

①将ψ－φ曲线图（如图（1））的推程运动角和回程运动角个分成4等份，

按式求个等分点对应的角位移值：ψ1=μψ1*11＇＇，ψ1=μψ2*22＇＇，……，的数

值见表（1）。

②选取适当的长度比例尺μl定出O2和O9的位置（选取μl=0.002m/mm）。以O2为圆心，以r0/μl为半径，作圆，再以以O2为圆心，以r b/μl为半径作基圆。以O9为圆心，以l O o9D/μl为半径，作圆弧交基圆与D O（D’O）。则O9D O 便是从动件的起始位置，注意，要求从动件顺时针摆动，故图示位置D O位于中心线O2O9的左侧。

③以O2为圆心，以l O o9 O2/μl为半径作圆，沿（-ω）[即为逆时针方向]自O2O9开始依次取推程运动角Φ0=75°，远休止角Φs=10°，回程运动角Φo’=75和远休止角Φs’=200°,并将推程和回程运动角各分成4等份,得O91 ,O92, O93……O99各点。它们便是逆时针方向反转时，从动体轴心的各个位置。

④分别以O91 ,O92, O93……O99为圆心，以l O9D/μe为半径画圆弧，它们与基圆相交于D’1，D’2，D’3……D’9，并作∠D’1O91D1，∠D’2O9rD２……分别等于摆杆角位移ψ1，ψ2，ψ3……。并使O91D1= O91 D’1，O92D2= O92D’2，……则得D1，D2，……D9（与D’9重合）各点，这些点就是逆时针方向反转时从动件摆杆端滚子轴心的轨迹点。

⑤将点D1，D2，……D9连成光滑曲线。连成的光滑曲线便是凸轮的理论轮廓，亦即为滚子轴心的轮廓轨迹。

B、绘制凸轮的实际轮廓：

①在上述求得的理论轮廓线上，分别以该轮廓线上的点为圆心，以滚子半径为

半径，作一系列滚子圆。

②作该系列圆的内包络线，即为凸轮的实际轮廓，如图。

C、校核轮廓的最小曲率半径ρmin：

在设计滚子从动件凸轮的工作轮廓时，若滚子半径r t过大，则会导致工作轮廓变尖或交叉。

在理论轮廓线上选择曲率最大的一点E，以E为圆心作任意半径的小圆，再以该圆与轮廓的两个交点F和G为圆心，以同样半径作两个小圆，三个小圆相交于H、I、J、K四点；连HI、JK得交点C，则C点和长度CE可近似地分别作为理论轮廓上的曲率中心和曲率半径ρmin。

由图可知，CE＞r t，故该凸轮轮廓的最小曲率半径ρmin符合要求。