机械原理课程设计牛头刨床设计.docx
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机械原理课程设计牛头刨床设计
机械原理课程设计
实习报告
专业:
机械设计制造及其自动化
课题:
牛头刨床机构设计
目录
一、设计任务
二、牛头刨床简介及工作原理
三、原始参数
四、导杆机构的运动综合
五、用解析法作导杆机构的运动分析
六、导杆机构的动态静力分析
七、Matlab编程并绘图
八、行星轮系设计
九、变位齿轮设计
十、课程设计总结
十一、参考文献
十二、粉末成型压机方案设想
一、设计任务
1牛头刨床刀杆机构的运动综合、运动分析和动态静力分析;
2对牛头刨床传动装置中行星轮机构、齿轮机构进行综合。
二、牛头刨床简介及工作原理
图1牛头刨床外形图
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工。
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床,电动机经行星轮系和齿轮Z4、Z5减速带动曲柄2转动。
刨床工作时,由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头和刨刀作往复运动。
刨头向左时,刨刀进行切削,这个行程称工作行程,刨头受到较大的切削力。
刨头右行时,刨刀不切削,称空回行程,此时要求速度较高,以提高生产力。
三、原始参数
H:
刨头行程;K:
行程速比系数;Fc切削阻力;m4m5m6分别为导杆、连杆及刨头的质量;J4、J5分别分别为导杆4及导杆5绕各自质心的转动惯量;m1、mH分别为行星减速器中心轮及齿轮4、5的模数;Z4,Z5为齿轮4及5的齿数;n1:
电机转速;n2:
曲柄2及齿轮5的转速;k:
行星轮个数。
导杆机构的运动分析和运动综合
导杆机构的动力分析
H
K
lO2O3
lO3O4/lO3B
lBF/lO3B
lBS5/lBF
m4
m5
m6
Js4
Js5
FC
单位
mm
mm
kg
kgm2
kg
600
1.8
370
0.5
0.3
0.5
22
3
52
0.9
0.015
1400
行星轮设计
变位齿轮
n1
n2
K
类型
m1
Z4
Z5
mH
α
单位
rpm
mm
mm
1000
80
3
2K-H
5
14
49
16
20
四、导杆机构的运动综合
设LO3B=L3LBF=L4LO3D=L'6LO2A=L1LO3O2=L6
LO3A=S3LDE=SE
1、导杆的摆角ψ
K=1.8
2、导杆的长度L3
3、连杆的长度L4
4、刨头导路中心线xx至O3点的垂直距离L'6
根据已知xx被认为通过圆弧BB’的绕度ME的中点D知
5、曲柄的长度L1
6、切削越程长度0.05H,如图所示
则切削越程长度为0.05H=0.05×600=30mm
7、机构运动简图
8、计算机构的自由度
F=3×5-2×7=1
五、用解析法作导杆机构的运动分析
如图所示,先建立一直角坐标系,并标出各杆矢量及其方位角。
其中共有四个未知量
、
、
、
。
为求解需建立两个封闭的矢量方程,为此需利用两个封闭的图形O3AO2O3及O3BFDO3,由此可得:
O3
并写成投影方程为:
由上述各式可解得:
由以上各式即可求得
、
、
、
四个运动变量,而滑块的方位角
=
。
然后,分别将上式对时间取一次、二次导数,并写成矩阵形式,及得一下速度和加速度方程式。
而
=
、
=
根据以上各式,将已知参数代入,即可应用计算机计算。
并根据所得数值作出机构的位置线图、速度线图、加速度线图。
这些线图称为机构的运动线图。
通过这些线图可以一目了然的看出机构的一个运动循环中位移、速度、加速度的变化情况,有利于进一步掌握机构的性能。
六、导杆机构的动态静力分析
受力分析时不计摩擦,且各约束力和约束反力均设为正方向
(1)对刨刀进行受力分析
(2)对5杆进行受力分析
联立
(1)
(2)(3)(4)(5)各式可以得到矩阵形式如下:
(3)对滑块3进行受力分析(不计重力)
(4)对4杆进行受力分析
(5)对原动件曲柄2进行受力分析
曲柄2不计重力,且转动的角速度一定,角加速度为零,惯性力矢和惯性力矩都为零
∑Fx=0,FR32x+FR12x=0;
∑Fy=0,FR32y+FR12y=0;
∑Mo2=0,FR32x×L2sinφ+FR32y×L2cosφ=0;
七、Matlab编程绘图
Matlab源程序:
clearall;clc;
%初始条件
theta1=linspace(-20.77,339.23,100);%单位度
theta1=theta1*pi/180;%转换为弧度制
W1=80*pi/30;%角速度单位rad/s
H=0.6;%行程单位m
L1=0.1605;%O2A的长度单位m
L3=0.6914;%O3B的长度单位m
L4=0.2074;%BF的长度单位m
L6=0.370;%O2O3的长度单位m
L6u=0.6572;%O3D的长度单位m
Z=pi/180;%角度与弧度之间的转换
dT=(theta1(3)-theta1
(2))/W1;%时间间隔
forj=1:
100
t(j)=dT*(j-1);%时间因素
end
%求解S3、Theta3、Theta4和SE四个变量
S3=((L6)^2+(L1)^2-2*L6*L1*cos(theta1+pi/2)).^0.5;%求出O3A的值
fori=1:
100%求解角度theta3、Theta4和SE的长度
theta3(i)=acos(L1*cos(theta1(i))/S3(i));
theta4(i)=asin((L6u-L3*sin(theta3(i)))/L4);
SE(i)=L3*cos(theta3(i))+L4*cos(theta4(i));
end%求解完成
%求解完成
%求解VS3、W3、W4和VE四个变量
fori=1:
100
J=inv([cos(theta3(i)),-S3(i)*sin(theta3(i)),0,0;
sin(theta3(i)),S3(i)*cos(theta3(i)),0,0;
0,-L3*sin(theta3(i)),-L4*sin(theta4(i)),-1;
0,L3*cos(theta3(i)),L4*cos(theta4(i)),0]);
K=J*W1*[-L1*sin(theta1(i));L1*cos(theta1(i));0;0];
VS3(i)=K
(1);
W3(i)=K
(2);
W4(i)=K(3);
VE(i)=K(4);
end%求解完成
%求解aS3、a3、a4、aE四个变量
fori=1:
100
J=inv([cos(theta3(i)),-S3(i)*sin(theta3(i)),0,0;
sin(theta3(i)),S3(i)*cos(theta3(i)),0,0;
0,-L3*sin(theta3(i)),-L4*sin(theta4(i)),-1;
0,L3*cos(theta3(i)),L4*cos(theta4(i)),0]);
P=W1*W1*[-L1*cos(theta1(i));-L1*sin(theta1(i));0;0];
M=[-W3(i)*sin(theta3(i)),-VS3(i)*sin(theta3(i))-S3(i)*W3(i)*cos(theta3(i)),0,0;
W3(i)*cos(theta3(i)),VS3(i)*cos(theta3(i))-S3(i)*W3(i)*sin(theta3(i)),0,0;
0,-L3*W3(i)*cos(theta3(i)),-L4*W4(i)*cos(theta4(i)),0;
0,-L3*W3(i)*sin(theta3(i)),-L4*W4(i)*sin(theta4(i)),0];
N=[VS3(i);W3(i);W4(i);VE(i)];
K=J*(-M*N+P);
aS3(i)=K
(1);
a3(i)=K
(2);
a4(i)=K(3);
aE(i)=K(4);
end%求解完成
%动态静力分析
%初始条件
M4=22;
M5=3;
M6=52;
Js4=0.9;
Js5=0.015;
Fc=1400;
Ls4=0.5*L3;
Ls5=0.5*L4;
%给切削阻力赋值
fori=1:
100
if((abs(SE
(1)-SE(i))>0.05*H&&abs(SE
(1)-SE(i))<0.95*H)&&(theta1(i) Fc(i)=1400; else Fc(i)=0; end end%赋值完成 %求解平衡力矩 J4=Js4+M4*(0.5*L3)*(0.5*L3);%导杆对点O3的转动惯量 fori=1: 100 Ekk(i)=(M6*VE(i)*VE(i)+Js5*W4(i)*W4(i)+M5*VE(i)*VE(i)+J4*W3(i)*W3(i))/2;%计算总动能 end dEkk (1)=Ekk (1)-Ekk(100);%动能的改变量 fori=2: 100 dEkk(i)=Ekk(i)-Ekk(i-1);%动能的改变量 end fori=1: 100 MM(i)=(dEkk(i)+Fc(i)*abs(VE(i)))/W1;%求平衡力矩 end %画图 %画运动图 figure (1); plot(t,theta3,'r');holdon; plotyy(t,theta4,t,SE);gridon; xlabel('时间t/s'); ylabel('theta3、theta4(rad)'); title('角度Theta3、theta4和位移SE'); axis([0,0.75,-0.2,2]); figure (2); plot(t,W3,'r');holdon;gridon; plotyy(t,W4,t,VE); xlabel('时间t/s'); ylabel('W3、W4(rad/s)'); title('角度速度W3、W4和速度VE'); axis([0,0.75,-5,3]); figure(3); plot(t,a3,'r');holdon; plotyy(t,a4,t,aE);gridon; xlabel('时间t/s'); ylabel('a3、a4(rad/s/s)'); title('角度加速度a3、a4和加速度aE'); axis([0,0.75,-80,80]); %运动图画完 %画反力图 figure(4); plotyy(theta1,Fc,theta1,SE); xlabel('Theta1(时间t)'); ylabel('Fc'); axis([theta1 (1),theta1(100),-50,1400]); title('切削阻力Fc与位移SE');gridon; figure(5); plotyy(theta1,MM,theta1,Fc); xlabel('Theta1(时间t)'); ylabel('力矩'); axis([theta1 (1),theta1(100),-50,300]); title('平衡力矩');gridon; figure(6); plotyy(theta1,Ekk,theta1,SE); xlabel('Theta1(时间t)'); ylabel('Fc'); title('导杆、连杆和刨头的总动能');gridon; theta1 (1) theta1(100) 各个图像如下所示: 八、行星轮系设计 已知Z4=14,Z5=49,n1=1000rpm, 行星轮系的设计必须满足四个条件: (1)传动比条件 固定行星架H (2)同心条件 (3)均布条件 (4)邻接条件 由以上各式可得配齿公式 且Z1Z2Z3为整数,齿轮结构要紧凑 则Z1=42Z2=33Z3=108 由于各齿轮的齿数都大于17,故为标准齿轮传动。 行星系齿轮的参数 九、变位齿轮设计 (1)确定传动类型 已知 则为等变位齿轮传动 (2)确定变位系数 对于变位齿轮,为有利于强度的提高,小齿轮4采用正变位,大齿轮5采用负变位,,使大小齿轮的强度趋于接近,从而使齿轮承载能力提高。 (3)检验重合度 故满足重合度要求 (4)变位齿轮4、5的几何尺寸 十、课程设计总结 通过这次机械原理课程设计,提高了我们综合运用机械原理课程理论的能力,培养了分析和解决一般机械运动实际问题的能力,并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。 掌握了一些常用执行机构、传动机构或简单机器的设计方法和过程。 这次机械设计课程设计历时了一个多星期,时间上虽有些紧张,做设计的时候有些东西也是现学现卖。 但这样的安排可以让我们利用一整段时间巩固和学习新的知识,把所学运用到实际设计当中。 在所学理论知识的基础上也充分的发挥了创造性。 各类资料的查询也熟练了很多。 自己的计算机绘图水平也有了一定的提高,并对所学知识有了进一步的理解。 当然,作为自己的第一次设计,其中肯定有太多的不足,希望在今后的设计中,能够得到改正,使自己日益臻于成熟,专业知识日益深厚。 。 “功到自然成.”只有通过不锻炼,自己才能迎接更大的挑战和机遇,我相信我自己一定能够在锻炼成长. 十一、参考文献 《机械原理(第七版)》 孙恒,陈作模,葛文杰,高等教育出版社,2000 《机械原理课程设计手册》 邹慧君主编,高等教育出版社,1998 《MATLAB基础与应用简明教程》 张平等编著,北京航空航天大学出版社,2005 《机械原理*分析*综合*优化》 (德)K.洛克(KurtLuck)K.—H.莫德勒(Karl-HeinzModler) 孔建益(译)陆锡年(校)机械工业出版社,2003 十二、粉末成型压机方案设想 (1)机构传动示意图 (2)工作原理和工艺动作分解 要保证系统的正常工作,须使三个执行机构协调运动,故需做机构运动的协调设计,即机械运动循环图的设计,现分析如下: 所选系统具有一个模具(圆筒形型腔)和三个执行构件(一个上冲头,一个下冲头和一个料筛)。 根据工艺过程,三个执行构件的运动形式为: (1)上冲头完成往复(铅垂上下)直移运动,下移至终点后有短时间的停歇,起保压作用,因冲头上升后要留有送粉器的进入的空间、故冲头行程约为90~110mm。 若机构主动件一转(2π)完成一个运动循环,。 (2)在上模冲压制粉末的过程中,下冲模始终固定不动,即单向压制,当上模冲上行回位时,下模冲上顶压坯脱模,当压坯被顶出行腔后,下冲模固定不动,待送粉器将压坯推出型腔后,下冲模下行回位,此过程下冲模做间歇往复直线运动。 (3)送粉器在模具型腔上方往复振动,然后向左退回,待坯料成形并被推出型腔后,送粉器再在台面上右移约45~50mm推移成形片坯,其最大行程为110mm。 注意: 为减小因速度突变而产生的刚性冲击,完成上述过程的凸轮机构可采用三角函数运动规律。
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- 机械 原理 课程设计 牛头 刨床 设计