牛头刨床课程设计说明书

牛头刨床

《机 械 原 理》

课程设计计算说明书

设计题目 学院(部)

机械学院

专业班级

学生姓名

学 号 指导教师(签字)

日 至月 日

共 2 周

年 月 日

牛头刨床

目 录

一、课程设计的目的与要求 二、设计正文 1.设计题目 2.牛头刨床机构简介 3.机构简介与设计数据 4. 设计内容

附图1： 导杆机构的运动分析与动态静力分析

牛头刨床

一、课程设计的目的和任务

1、目的

机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其目的是以机械原理课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析，计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。

2、任务

本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。并在此基础上确定飞轮转惯量，设计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。

二、设计正文：

1、设计题目：牛头刨床

1）为了提高工作效率，在空回程时刨刀快速退回，即要有急会运动，行程速比系数在1.4左右。

2）为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量，在工作行程时，刨刀要速度平稳，切削阶段刨刀应近似匀速运动。

3）曲柄转速在60r/min,刨刀的行程H在300mm左右为好，切削阻力约为7000N，其变化规律如图所示。

2、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4-1。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5H的空刀距离，见图4-1，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。

牛头刨床

3、机构简介与设计数据 1）机构简介

牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床。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，称工作切削。此时要求速度较低且均匀，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，以提高生产效率。为此刨床采用急回作用得导杆机构。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与棘轮机构带动螺旋机构，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，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，故需装飞轮来减小株洲的速度波动，以减少切削质量和电动机容量。

2）设计数据

4、设计内容

牛头刨床

1）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：做机构的运动简图，并作机构两位置的速度、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 2方向将曲柄圆周作12等分的位置。

机构位置2和6的运动简图

1、选择表Ⅰ中方案Ⅱ。

2、曲柄位置“2”做速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图）

牛头刨床

取构件3和4的重合点A进行速度分析。

有ω2=2×3.14×64/60=6.698666667 rad/s 其转向为顺时针方向。列速度矢量方程，得

υA3=υA2=ω2×lO2A·µl =6.698666667×90×0.001=0.60288 m/s 方向:A→O2

υA4 = υA3 + υA4A3

√ ?

方向 ⊥O4A ⊥O2A ∥O4B

取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形如图。

大小 ?

图1-1

则由图1-1知，

υA4=pa4·μv=28.50500264×0.01 m/s =0. 2850500264 m/s 方向p→a4 υA4A3=a3a4·μv=53.05755578×0.01m/s=0.5305755578m/s 方向a3→a4

ω4=υA4/ lO4A·µl =0. 2850500264/0.38342033151 =0.74344003rad/s 其转向为顺时针方向。

υB5=υB4=ω4·lO4B·µ580=0.4311952229m/s方向p→b5 l =0.74344003×

取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得

υC = υB5 + υCB5

大小

? √ ?

⊥O4B ⊥BC

方向 ∥XX

其速度多边形如图1-1所示，有

υC=pc·μv=41.69703748×0.01 m/s =0.4169703748m/s方向p→c υCB5=b5c·μv=9.7766008×0.01 m/s =0.0997766008m/s方向b5→c

牛头刨床

取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析. 列加速度矢量方程,得 大小

n t kr

aA4 = a A4+ a A4= a A3+ a A4A3 + a A4A3

? √ ? √ √ ?

方向 ? A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B（向右）∥O4B aA4n=ω42×lO4A·µl=0.743440032×0.38342033151=0.21191759747m/s2 a A3=ω22×lO2A·µl =6.6986666672×90×0.001=4.03849216039m/s2 aA4A3k=2ω4υA4A3=2×0.74344003×0.5305755578=0.78890221721m/s2

方向a3´→k

取加速度极点为P＇,加速度比例尺μa=0.1（m/s）/mm,作加速度多边形图

2

图1-2

则由图1─2知，

a A4t=n1· a4´·μa =27.70305525×0.1 =2.770305525m/s2方向n1→ a4´ a A4A3r = ka4´·μa=16.96343176×0.1 =1.696343176m/s2方向k→ a4´

α4=a A4t / lO4A·µl = 2.770305525/0.38342033151rad/s2 =7.2252441965rad/s2 其转向为顺时针方向。

a A4 = p´a4´·μa = 27.78399138×0.1 m/s2 =2.778399138m/ s2方向p´→ a4´

牛头刨床

a A4A3=a3´·a4´·μa=18.70814496×0.1=1.870814496 m/s2 方向a3´→a4´

取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得

aC= aB5 n + aB5τ + aCB5n+ aCB5τ

√ √ √ ?

大小 ?

方向 ∥xx B→A ⊥AB C→B ⊥BC

2aB5n=ω42lO4B·µ580×0.001=0.32056778535m/s2方向p´→n´ l=0.74344003×

aB5τ=aA4t·lO4B/lO4A=2.770305525×580/383.42033151=4.19064163387m/s2

方向n´→aB5´

22aCB5n=υCB52/lBC·µl=0.0997766008/0.174=0.054932139771m/s方向aB5´→n

其加速度多边形如图1─2所示，有

a B5 = p´aB5´·μa = 42.02884844×0.1 m/s2 = 4.202884844m/s2

aCB5t= nC´·μa =6.41473606×0.1 m/s2 =0.641473606m/s2方向n→c´22 aC= p´´·μ = 40.99471642×0.1m/s = 4.099471642 m/s方向p´→´Ca C

2、曲柄位置“6”做速度分析，加速度分析（列矢量方程，画速度图，加速度图） 取曲柄位置“6”进行速度分析。 取构件3和4的重合点A进行速度分析。

有ω2=2×3.14×64/60=6.698666667 rad/s 其转向为顺时针方向。

υA3=υA2=ω2×lO2A·µl =6.698666667×90×0.001=0.60288 m/s 方向:A→O2

列速度矢量方程，得

υA4 = υA3 + υA4A3

大小 ?

√ ?

方向 ⊥O4A ⊥O2A ∥O4B

取速度极点P，速度比例尺µv=0.01(m/s)/mm，作速度多边形如图。

牛头刨床

则由图1-3知，

υA4=pa4·μv=48.64352445×0.01 m/s =0.4864352445 m/s 方向p→a4 υA4A3=a3a4·μv=35.6153178×0.01m/s=0. 356153178m/s 方向a3→a4 ω4=υA4/ lO4A·µl =0.4864352445/0.41841411745 =1.1625689103rad/s

其转向为顺时针方向。

υB =ω4·lO4B·µl =1.1625689103×0.58=0.674289967865m/s方向p→b

取5构件为研究对象，列速度矢量方程，得

? √ ?

方向 ∥XX ⊥O4B ⊥BC

大小

其速度多边形如图1-1所示，有

υC = υB + υCB

υC=pc·μv=66.46579386×0.01 m/s =0. 6646579386m/s方向p→c υCB=bc·μv=10.27504851×0.01 m/s =0. 1027504851m/s方向b→c

取曲柄位置“6”进行加速度分析.

取曲柄构件3和4的重合点A进行加速度分析. 列加速度矢量方程,得 大小

n t kr

aA4 = a A4+ a A4= a A3+ a A4A3 + a A4A3

? √ ? √ √ ?

方向 ? A→O4 ⊥O4B A→O2 ⊥O4B（向左）∥O4B

2

aA4n=ω42×lO4A·µ0.41841411745=0.56551449203m/s2 l=1.1625689103×

方向p´→n

22a A3=ω22×lO2A·µ6.698666667×90×0.001=-4.03849216039m/s方向p´→a3´ l =

aA4A3k=2ω4υA4A3·µ1.1625689103×0. 356153178=0.82810522395m/ s2v=2×

方向a3´→k

2

取加速度极点为P＇,加速度比例尺μa=0.1（m/s）/mm,作加速度多边形图

牛头刨床

图1-4

则由图1─4知，

a A4t=n1· a4´·μa =15.64929517×0.1 =1.564929517m/s2方向n→a4´ a A4A3r = ka4´·μa=26.98876937×0.1 =2.698876937m/s2方向k→a4´

α4=a A4t/lO4A·µl=1.564929517/0.38342033151rad/s2=4.0814985238rad/s2

转向为逆时针方向。

a A4 = p´a4´·μa =16.63928845×0.1=-1.663928845m/s2方向p´→a4´

a A4A3=a3´·a4´·μa=28.12648423×0.1=2.812648423 m/s2方向a3´→a4´

取5构件的研究对象，列加速度矢量方程，得

τ nτ

aC= aB + aB+ aCB+ aCB

大小 ? √ √ √ ?

n

方向 ∥xx B→A ⊥AB C→B ⊥BC

22

aBn=ω42×lO4B·µ=1.1625689103×580×0.001=7.8390855303 m/sl

aBτ=aA4t·lO4B/lO4A=1.564929517×580/383.42033151=2.1692841661 m/s2

22aCBn=υCB2/lCBµl =0. 1027504851/0.174=0.0606762195 m/s

其加速度多边形如图1─1所示，有

aB = p´b´·μa = 23.06578941×0.1 m/s2 =-2.306578941m/s2 aCBt= n 2C´·μa = 4.43203343×0.1 m/s2 =0. 443203343 m/s2 aC = p´0.1 m/s2 =-2.202727271 m/s2 C´·μa = 22.02727271×

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2）导杆机构机构运态静力分析

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Js4及切削力P的变化规律。

要求 求各运动副中反作用力及曲柄上所需要的平衡力矩。以上内容做在运动分析的 同一张图纸上。 动态静力分析过程：

取“2”点为研究对象，分离5、6构件进行运动静力分析，作阻力体如图1─5所示， 选取长度比例尺µl=0.001m/mm,选取力比例尺µP=10N/mm

已知P=9000N，G6=800N，又

ac=4.099471642m/s2,那么我们可以计算

FI6=-m6×ac =- G6/g×ac =-800/10×4.099471642=-327.95773136N

又ΣF = P + G6 + FI6 + F45 + FRI6 =0

方向： ∥x轴 ∥y轴 与ac反向 ∥BC

作力多边行如图1-7所示，选取力比例尺µP=10N/mm。 图1-6

由图1-6力多边形可得：

∥y轴

大小： 9000 800 -m6a6 ? ?

F R45=CD·µ10=9331.2818369N N=933.23700796×FR16= AD·µ10N=1049.0487523N N=108.69422679×

取构件6为受力平衡体，并对C点取距，有

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分离3,4构件进行运动静力分析，杆组力体图如图1-7所示。

图1-7

已知：F R54=F R45=9331.2818369N，G4=220N

aS4=aA4·lO4S4/lO4A=2.778399138×290/383.42033151=2.10144242181m/s2 αS4=α4=7.2252441965 rad/s2

可得构件4上的惯性力

FI4=-G4/g×aS4=-220/10×2.10144242181=-46.2317332798N

方向与aS4运动方向相反

惯性力偶矩MS4=-JS4·αS4=-1.2×7.2252441965 = -8.6702930358N·m

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方向与α4运动方向相反（逆时针）

将FI4和MS4将合并成一个总惯性力F´（=FI4）偏离质心S4的距离为hS4= MS4/ FI4， S4其对S4之矩的方向与α4的方向相反（逆时针） 取构件4为受力平衡体，对A点取矩得： 在图上量取所需要的长度lAB=196.56771918

lS4A=93.42630616

。

lO4A=383.42033151

τΣMA=FR54cos15lABµl+MS4+ FI4cos4lS4Aµl+G4sin13lS4Aµl+FRO4lO4Aµl=0

。

。

=1771.72895-8.670293035-4.30873856+4.62359613+0.3834203315FRO4τ=0

代入数据， 得FRO4

τ

=-4599.06107115 N 方向垂直O4B向右

∥y轴 ⊥O4B（向右）∥O4B

τnΣF = FR54 + FR34 + F´+ G+ F+ FS4 4 RO4 RO4=0

方向: ∥BC ⊥O4B 与aS4同向 由图1-8得：FR34 =EA·µ10N=4516.0861239N N=451.60861239×

FRO4n =FA·µN=218.1077709×10N=2181.077709N方向：∥O4B向下

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因为曲柄2滑块3的重量可忽略不计，有F R34 = F R23= FR32 对曲柄2进行运动静力分析，作组力体图如图1-9示，

图1-9

由图1-9知，曲柄2为受力平衡体，对O2点取矩得：F R12= FR32

。

ΣMO2= Mb-FR32 sin28l O2 AµM l=0即M=192.7170207 N·

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