机械原理课程设计

计算说明书

课题名称： 牛头刨床刨刀的往复运动机构 姓 名： 院 别： 工学院 学 号：

专 业：班 级： 机设1201 指导教师：

2014年6月7日

工学院课程设计评审表

目 录

一．设计任务书 …………………………………………………… 4 1.1 设计题目 ………………………………………………………..4 1.2 牛头刨床简介 ……………………………………………………… 4 1.3 牛头刨床工作原理 …………………………………………………4 1.4 设计要求及设计参数 …………………………………………6 1.5 设计任务 …………………………………………7 二．导杆机构的设计及运动分析 …………………………………8 2.1 机构运动简图 …………………………………………… 8 2.2 机构运动速度多边形 …………………………………………… 9 2.3 机构运动加速度多边形 …………………………………………… 11 三．导杆机构动态静力分析 ……………………………………………14 3.1 静态图 …………………………………………… 14 3.2 惯性力及惯性力偶矩 …………………………………………… 14 3.3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲柄平衡力 …………………………………………… 15 心得与体会 …………………………………………………………… 21 参考文献 .................................................................................................22

一、设计任务书

1.1 设计题目：牛头刨床刨刀的往复运动机构 1.2 牛头刨床简介：

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

牛头刨床外形图

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工。

1.3 牛头刨床工作原理：

牛头刨床是一种刨削式加工平面的机床，图1所示为较常见的一种机械运动的牛头刨床。电动机经皮带传动和两对齿轮传动，

带动曲

柄2和曲柄相固结的凸轮转动，由曲柄2驱动导杆2－3－4－5－6，最后带动刨头和刨刀作往复运动。当刨头右行时，刨刀进行切削，称为工作行程。当刨头左行时，刨刀不切削，称为空回行程。当刨头在工作行程时，为减少电动机容量和提高切削质量，要求刨削速度较低，且接近于匀速切削。在空回行程中，为节约时间和提高生产效率，采用了具有急回运动特性的导杆机构。此外，当刨刀每完成一次刨削后，要求刨床能利用空回行程的时间，使工作台连同工件作一次进给运动，以便于刨刀下一次切削。为此，该刨床采用凸轮机构，双摇杆机构经棘轮机构和螺旋机构（图中未示出），带动工作台作横向进给运动。

Y

图1 牛头刨床机构简图

图2 刨刀阻力曲线

图3 曲柄位置图

1.4 设计要求及设计参数： 设计要求：1、绘图问题

A1图纸一张，A1图纸1张，绘图工具一套。 2、绘图要求

作图准确，布置匀称，比例尺合适，图面整洁，线条尺寸应 符合国家标准。 3、计算说明书要求

计算程序清楚，叙述简要明确，文字通顺，书写端正。

设计参数：

1.5 设计任务：

用图解法对牛头刨床的连杆机构进行运动分析和动力分析。要

求画出A1图纸一张，A2图纸一张，写出计算说明书一份。

二、导杆机构的设计及运动分析

2.1 机构运动简图：

图2-1 机构运动简图

1.选方案Ⅰ，在连杆机构中，曲柄有30个连续等分1～30个位

置（见图3），选取4位置进行设计及运动分析，取长度比例尺

l=0.004m/s.

mm

2.取构件2和导杆3垂直（即构件5在最左方）时为起始位置1，用量角器量取（4-1）×12=36度，两个工作行程的极限位置1和18 ，E点两极限位置如图虚线，极限位置距离h=312mm，机构运动简图如图2-1所示。

2.2机构运动速度多边形：

图2-2 机构运动速度多边形

根据机构运动简图，进行速度分析：根据同一构件上相对速度原理列速度矢量方程式，得：

υB3=υB3B2+υB2

大小 ? ? √

方向 ⊥CB ∥BC ⊥AB

计算：n=60r/min=1r/s,ω=2πn=2πrad/s,

υ

B2=ω×lAB=2πrad/s×0.11m=0.22πm/s

速度多边形：在图上任取速度极点P，速度比例尺µv【=υ

B2/Pb1=（0.22

πm/s）/120㎜】=0.006(m/s)/mm，过点p作直线pb1（长度为120㎜）

垂直杆AB代表υ

B2的方向线，过点

p作垂直杆CB的直线，代表υ

B3；

再过点b1作直线平行于BC，代表υ为b3，则矢量pb3和b1b3分别代表υ

B3B2的方向线，这两方向线交点B3和

υ

B3B2，其大小分别为：

υ υ

µv×pb3=0.006(m/s)/mm×62㎜=0.37m/s B3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/mm×101㎜=0.6m/s.

根据影像相似原理求出υD:

B3=

CB/CD=pb3/pd,即106.5/135=62/pd,解得pd=78㎜，

υD=µv×pd=0.006(m/s)/mm×78㎜=0.468 m/s

方向在pb3的延长线上。

再根据同一构件上相对速度原理列速度矢量方程式，得

υE= υ

ED

+υ

D

大小 ? ? √

方向 ∥导路 ⊥ED ⊥CD

速度多边形：pd=78㎜，方向在pb3的延长线上，再过点P作水平线代表点E的速度方向，再过点d作杆ED的垂直线，这两方向线交于点e，则矢量pe和de分别代表υ

E及

υ

ED，其大小分别为：

υυ

E=µv×pe=0.006(m/s)/mm×75㎜=0.45m/s ㎜=0.12m/s

S5=

ED =µv×de=0.006(m/s)/mm×20

因为4位置为工作行程，故刨头在此过程中匀速即：υ根据重心得加速度影像相似原理求出υ

S3：

υ

E，

CS3/CD=PS3/Pd即67.5㎜/135㎜=PS3/78㎜，解得PS3=39㎜，

υ

S3=µv×PS3=0.006(m/s)/mm×39㎜=0.234 m/s

方向在Pd上，机构运动速度多边形如图 2-2所示。

2.3 机构运动加速度多边形：

由理论力学可知，点B3的绝对加速度与其重合点B2的绝对加速度之间的关系为

a B3 + aB3 = a B2 + a

n

t

k

B3B2 +

a rB3B2

方向 B3→C ⊥B3C B2→A ⊥B3C ∥B3C

大小

?

2ω3VB3B2

?

计算:由图2-1 结构运动简图得:

lB3C=106.5

l=106.5㎜×0.004m/mm=426㎜=0.426m ；

由图2-2 机构运动速度多边形求出:

VB3=µv×pb3=0.06(m/s)/mm×62mm=0.37m/s;

ω3=v3/lb3c=(0.37m/s)/(0.426m)=0.87rad/s; a

n

B3=

故

ω

2

3×

lB3C=(0.87rad/s)×0.426m=0.32m/s

2

2

ω=2πn=2πrad/s； lAB =110mm=0.11m

故

a

B2=

=（2πrad/s）2×0.11m=4.34m/s2

由图2-2机构运动速度多边形求出:

VB3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/㎜×101mm=0.6m/s

故

a

k

B3B2=2

ω

3

VB3B2 =2×0.87rad/s×0.6m/s=1m/s2

r

在一般情况下，a

B3B2

=a

n

B3B2

＋ a

t

B3B2,

但是目前情况下，由于构

r B3B2

件2和构件3组成移动副，所以a于相对移动方向；a

k

n B3B2

=0，则 a=a

t

B3B2，

其方向平行

B3B2 是哥氏加速度，对于平面运动之内，

a

t

k

B3B2=2ω3VB3B2 哥氏加速度

ak B3B2的方向是将VB3B2沿ω2的转动方向

B3

转90度（即图2-3中的b´k´的方向)，在上面的矢量方程式中只有a和a

r

B3B2

的大小为未知，故可用图解法求解。

加速度多边形：从任意极点π连续作矢量πb´2（120mm）和b´2k´代表a B2和a

k

B3B2，其加速度比例尺

n

B3 ，

ua=a B2/πb´2=0.036（m/s）/㎜；

2

再过π作矢量πb3’’代表aCB3代表

r

然后过k´作直线k´b3’平行于线段

3

3

3

a B3B2 的方向线，并过点b’’作直线b’’b’垂直于线段

t

CB3 ，代表aB3的方向线，它们相交于点b’，则矢量πb´3便代表

3

aB3。机构运动加速度多边形如图2-3所示。

图2-3 机构运动加速度多边形

由机构运动加速度多边形可求出：

aB3=b’’b’× ua =72.5㎜ ×0.036（m/s）/㎜=2.61m/s； a rB3B2=k´b3’× ua=55㎜×0.036（m/s）/㎜=1.98m/s

2

2

3

3

2

2

t

再根据加速度影像相似原理，得：

CB/CD=πb3’/πd3’ 即106.5㎜/135㎜=72.5㎜/πd3’ 解得πd3’=93㎜； CS3/CD=πS3/πd3’ 即67.5㎜/135㎜=πS3/93㎜ 解得πS3 =46.5㎜； 故

aD3=πd3’×ua=93㎜×0.036（m/s2）/㎜=3.348m/s2； as3=πS3×ua=46.5㎜×0.036（m/s2）/㎜=1.674m/s2

因此位置为工作进程，故E点和重心S5点匀速前进，故无加速度。

.

三．导杆机构动态静力分析

3.1 静态图

图3-1 机构位置状态图 3.2 惯性力及惯性力偶矩 ：

因重心S5无加速度，故S5点无惯性力Fi及惯性力偶矩Mi； 下面求重心S3的惯性力Fi及惯性力偶矩Mi： 惯性力：

Fis3= -m×as3

= -G3/g×aS3= -G3/g×ua×πS3

=-（200N）/（9.8N/㎏）×【0.036（m/s2）/㎜】×46.5㎜

= - 34N 方向：as=a

ns +

as，它决定了Fi的方向，因Fis3= -m3×as3，故Fi3

t

及F’i3的方向与图2-3中的πS3（代表as3的方向)的方向相反。 惯性力偶矩： Mis3= -JS3·α

S3

= -JS3×（aCD/lCD）

t

= -1.1㎏㎡×[(0.036（m/s2）/㎜)×93㎜]/0.54m

= -6.28N·m 作用线间距离为h：

h=Mis3/Fi3=（-6.28N·m）/ （- 34N ）=200㎜

变速转动的构件都同时具有惯性力Fi和惯性力偶矩Mi，故它们均可

m/s

用一等于Fi3的总惯性力F’i3来代替。按照比例尺l=0.004.

mm

确定Fi3与F’i3之间的图上距离，将Fi3和F’i3在静力图上表示，如图3-1所示。

3.3 杆组拆分及用力多边形和力矩平衡求各运动反力和曲柄平衡力 ：

将机构拆分成若干杆组，以基本杆组为研究对象，画出作用在其上的所有外力。如图3-2（a）（b）（c）所示。

（a）

（b）