牛头刨床执行机构及部件设计

牛头刨床执行机构及部件设计本文先介绍了牛头刨床的工作原理，在满足运动协调的条件下，设计了刨床机构系统的运动尺寸，然后运用PRO/E软件对牛头刨床主要结构进行三维实体建模并装配，并通过该软件对牛头刨床机构的运动协调性进行仿真，进一步得出滑枕的位移、速度、和加速度随时间的变化曲线,从而验证牛头刨床机构系统运动尺寸的合理性。

其次，根据MATLAB软件对刨床主运动仿真得出的受力分析结果，对部分杆件进行强度计算校核。

牛头刨床是最早应用在生产实际中的金属切削机床之一。

机床的技术水平直接影响到它所加工零件的产品质量。

制造业是一个国家的现代化的源动力，是一个国家经济的支柱，是一个国家实现工业化之本，而评价一个国家制造业的高低，首先取决于工作母机的加工质量，也就是说机床的技术水平直接影响到制造业。

刨床因其结构简单，造价低廉，相对其他机床来说，其加工平面的效率很高，所以一直到现在其在工厂的加工应用很广泛。

近年来随着电子技术的发展，牛头刨床迎来了新时代，各种类型的刨床相继研发出来，其类型主要由机械牛头刨床，液压牛头刨床，数控牛头刨床，等。

每种类型的牛头刨床都有其自身的特点和加工优势，但与国外同种类型的的牛头刨床相比，我国的牛头刨床的技术水平在某些方面仍然很有限，其加工精度与和效率与国外的机床相比还有一定的差距，很多核心技术还没有完全国产化。

在提高技术方面，我国的科研人员还需奋起直追，要走很长的路。

通过对传统牛头刨床基础机构的研究，加深了对刨床运动机构的运动特性和力学特性的理解，从而为研究高精度的牛头刨床打下基础。

1.国外的研究状况牛头刨床在国外应用比较早，所以研究也更深入。

随着计算机技术的发展使得数控技术蓬勃发展，数控刨床完全靠程序控制，调整时只需改变程序即可，无需人的参与，因此适应性更强，加工范围更广，生产效率更高。

国外各种数控刨床的类型非常齐全，加工精度高，因此广泛应用于各种柔性自动化生产线中。

2.我国的研究状况我国最早的牛头刨床是60年代从苏联引进的，随着工业加工技术的发展，传统机械牛头刨床加工出零件的精度，已远远不能满足产品在装配精度和产量上的要求，近年来我国牛头刨床的研究形势喜人，硕果累累，不同类型的刨床相继研发出来，数控伺服系统也应用其中。

例如双向数控曲面刨床，它既不像牛头刨床，由不像传统的龙门刨床，工作时刀具在双向往复的切削曲面零件，这种刨床彻底颠覆了我们对传统刨床的认识，开创了刨床的新时代。

但是和国外同种类型的刨床相比，我国的刨床在稳定性、效率和加工精度方面还有欠缺。

因此，应用新兴的先进技术改造在线设备，优化结构设计势在必行。

通过查阅资料及在实训中心参观现有的刨床，确定了牛头刨床的工作原理为：滑枕带动刨头作往复直线切削运动，和工作台做间歇直线进给运动来实现平面的切削加工。

工作台的间歇送进运动与刨头的往复切削运动必须协调配合，工作台的送进应在刀具非切削时间内进行，其余时间保持不动。

牛头刨床主要由床身、滑枕、刀架、工作台、和横梁等部分组成。

其中床身用来支撑和连接刨床的各个部件，滑枕在其顶面的导轨上作往复直线运动，横梁在其侧面的竖直导轨上作升降运动。

床身内部装的变速机构用来改变滑枕的往复运动的速度，摆杆机构则是通过改变曲柄的长短来改变滑枕的行程长度。

滑枕主要的作用是用来带动刨刀作直线往复运动（即主运动）。

滑枕前端装有刀架，内部装有丝杠螺母传动装置，可用来改变刨刀相对工件的往复行程位置。

刀架的作用是夹持刀具，，同时带动刨刀作进给运动。

刨刀安装在刀架上，在回程时，刨刀可绕A轴自由上抬，减少了刀具和工件的摩擦。

工作台用来安装工件，其台面上的T型槽可穿入螺栓来装夹工件或夹具，工作台可随横梁在床身的垂直导轨上作上下调整，同时也可在横梁的水平导轨上作水平方向移动和间歇的进给运动。

根据要求及给出的数据参数确定牛头刨床六连杆机构的基本尺寸数据，由于执行机构有协调性运动关系，设计出从运动四连杆的尺寸及形状，且要满足其强度要求，应用Pro/E软件中的仿真模块对其进行三维建模和仿真，根据仿真结果修改相应的尺寸，优化结构设计，直至满足要求。

第1章确定执行机构主从运动尺寸1.1 确定六连杆机构的尺寸牛头刨床六杆机构的运动数学模型如下图1。

1所示，其中曲柄1位原动件，动力提供经由齿轮减速机构传递过来，各连杆的结构尺寸的确定如下：图1.1六杆机构简图由已知条件 n1=60 str/min H=650 K=1.7 Fr=9000N 得：极为夹角θ=180（k-1/(k+1)=46.7°sin(θ=820㎜由公式知导杆长度CDL=H/2)2/取 AC L /CD L =0.6则 AC L =492㎜曲柄L AB L 在极限位置时 AB L /AC L =)2/(θSIN则 AB L =195㎜连杆DE L 与滑枕夹角去25° 得DE L =H/2)25(︒COS =360㎜又由三角函数知CE L =890㎜1.2 确定执行机构运动循环图设摆杆L CD 在右极限位置时，曲柄AB L 开始转动，其转角为0°，且逆时针位正。

由运动协调关系知：滑枕在工作行程时即曲柄AB L 在（0°－226.7°）内转动时，工作台静止，当滑枕回程时，工作台必须在曲柄AB L 在（226.7°－360°）内转动时完成进给，设工作台在240°时开始进给，刀具在切削前后各有一段约0.05H 的空刀距离，其运动循环图如图1.2。

图1.2 机构运动循环图1.3棘轮机构的设计进给棘轮的齿数Z 可根据工作台的最小进给量min 2f 和所选择的丝杠导程予以确定，取丝杠导程P=6㎜ 又min 2f =0.3㎜ max 2f =1.8㎜则棘轮齿数 Z=P/min 2f =20进给机构中曲柄摇杆机构的摆角ϕ可以根据工作台的最大进给量确定，棘轮所拨过的最多齿数 Z'=max 2f /min 2f =6则摆杆摆角 ϕ=360°/20*z'=108°选取棘轮的模数 m =2则棘轮外径 D 棘=m*z=801.4 确定曲柄摇杆机构的尺寸由运动循环图1.2可知，主轴曲柄在（0º～240º）转动时工作台不动，主轴曲柄在（240º～360º）转动时，工作台移动，即曲柄摇杆机构在（240º～360º）时急回，则其极位夹角θ'=240º-180º=60º，行程速比系数 K'='180'180θθ-︒+︒=2。

显然摇杆长度应大于棘轮半径，即L C 'D '>D 棘/2取摇杆 L C 'D '=250㎜又因摆杆L CD 在左极限位置时2/H =325㎜，所以主从机构的两主轴不应距离太近，取L =470㎜。

根据急回运动的要求设计从运动四杆机构，利用机构在极限位置时的几何关系作图1.3,其中图中A 、C 是图1.1六杆机构中的一部分。

根据摇杆长度LC 'D'及摆角ϕ作出摇杆的两极位1C 'D '及 2C 'D '，分别作C 'M ⊥1C '2C '和∠1C '2C 'P=90º-θ'=30°，1C 'M 与2C 'N 交于点P ；作△P 1C '2C '的外接圆，在圆上任意一点A '都满足 ∠1C 'A '2C '=60°，连接A A ',取L A A '=280㎜，再连接直线2C 'A '与1C 'A '，故铰链A '的位置已确定。

由几何关系知：L A'2C'=L B'C'＋L A'B'=471.91㎜L A'1C'=L B'C'－L A'B'=220.54㎜求得四连杆的结构尺寸为：L A'D'=228㎜L C'D'=250㎜L B'C'=343㎜L A'B'' =125㎜且 L A'B'＋L B'C'<L C'D'＋L B'C'满足杆长条件。

图1.3曲柄摇杆的极限位置图第2章 执行部分主传动轴的设计及校核2.1 轴设计的简介轴的设计主要包括结构设计和工作能力校核两方面的内容。

轴的结构设计首先要考虑到轴上零件的安装、定位，还需考虑轴的材料和制造工艺，合理地确定轴的结构形式和尺寸。

如果轴的结构设计不合理，不仅会增加轴上零件安装定位的难度，还会对整个组件的工作能力造成影响，从而会降低轴和轴上安装定位零件的寿命，增加成本，使机床的整体性价比降低。

轴的工作能力的校核，是指对轴进行强度、刚度和震动稳定性等方面的计算。

大多数情况下轴的工作能力取决于轴的强度，这时只需进行轴的强度计算，以防断裂和塑性变形，对于高速旋转的轴，不仅需要进行强度校核，还需考虑其工作时震动的稳定性，进行震动稳定性校核，以防发生共振。

2.2 设计前的数据准备2.2.1 计算传动主轴的功率P 、转速n 和转矩T根据牛头刨床刨头每分钟的往复次数为n 1=60str/min 可知，n=n 1=60r/min又根据前面减速机构的传动方案设计、电动机的选择得出传到执行主轴的功率为P=2.323kW 于是 T=9550000n P =9550000*60323.2N .㎜≈369744N .㎜2.2.2 求作用在齿轮上的力已知低速级圆柱斜齿轮的分度圆直径为d 2=mZ 2=4*131=524mm 则F t =22d T =1411 N Fr=F tβαcos tan n =1411*︒︒686.13cos 20tan =529 N Fa=F t tan β=1411*tan13.686°=345 N2.2.3 初步确定轴的最小直径及长度选取轴的材料为45钢，调质处理。

由查手册取A 0=112，于是得d min =A 03np =112*360323.2=37.9㎜ 当轴截面上开有键槽时，为了抵消键槽对轴的强度的削弱，应根据键槽的个数适当增加轴径。

查得相关规定得知：有两个键槽时，应增大10%~15%。

此轴有两个键槽，取 d Ⅰ-Ⅱ=44㎜应为此处安装斜大圆柱齿轮，取该段长度L Ⅰ-Ⅱ=56㎜2.3 轴的结构设计2.3.1 拟定轴上零件的装配方案根据轴上零件装配定位的要求作出走的装配图如下：。