牛头刨床刨刀的往复运动机构

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：机械设计制造及其自动化班级：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，带动曲牛头刨床外形图柄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。

图1 牛头刨床机构简图Y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：图2 刨刀阻力曲线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 μ=0.004/m 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,υB2=ω×l AB=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【=υB2/Pb1=（0.22πm/s）/120㎜】=0.006(m/s)/mm，过点p作直线pb1（长度为120㎜）垂直杆AB代表υB2的方向线，过点p作垂直杆CB的直线，代表υB3；再过点b1作直线平行于BC，代表υB3B2的方向线，这两方向线交点为b3，则矢量pb3和b1b3分别代表υB3和υB3B2，其大小分别为：υB3=µv×pb3=0.006(m/s)/mm×62㎜=0.37m/sυB3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/mm×101㎜=0.6m/s.根据影像相似原理求出υD: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= υED+υD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υE及υED，其大小分别为：υE=µv×pe=0.006(m/s)/mm×75㎜=0.45m/sυED =µv×de=0.006(m/s)/mm×20㎜=0.12m/s因为4位置为工作行程，故刨头在此过程中匀速即：υS5=υE，根据重心得加速度影像相似原理求出υS3：CS3/CD=PS3/Pd即67.5㎜/135㎜=PS3/78㎜，解得PS3=39㎜，υS3=µv ×PS 3=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B 3的绝对加速度与其重合点B 2的绝对加速度之间的关系为a nB3 + a tB3 = a B2 + akB3B2 +a r B3B2方向 B 3→C ⊥B 3C B 2→A ⊥B 3C ∥B 3C大小 ?2ω3VB3B2 ?计算:由图2-1 结构运动简图得:l B3C =106.5l =106.5㎜×0.004m/mm=426㎜=0.426m ；由图2-2 机构运动速度多边形求出:V B3=µv ×pb 3=0.06(m/s)/mm ×62mm=0.37m/s;ω3=v 3/l b 3c =(0.37m/s)/(0.426m)=0.87rad/s; 故anB3=ω23×l B3C =(0.87rad/s)2×0.426m=0.32m/s2ω=2πn=2πrad/s ； l AB =110mm=0.11m故aB2 ==（2πrad/s ）2×0.11m=4.34m/s 2由图2-2机构运动速度多边形求出:V B3B2=µv×b2b3=0.006(m/s)/㎜×101mm=0.6m/s故a k B3B2=2ω3V B3B2 =2×0.87rad/s×0.6m/s=1m/s2在一般情况下，a r B3B2=a n B3B2＋a t B3B2,但是目前情况下，由于构件2和构件3组成移动副，所以a n B3B2=0，则a r B3B2=a t B3B2，其方向平行于相对移动方向；a k B3B2是哥氏加速度，对于平面运动之内，a kω2的转动方向B3B2=2ω3V B3B2哥氏加速度a k B3B2的方向是将V B3B2沿转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 t B3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u a=a B2/πb´2=0.036（m/s2）/㎜；再过π作矢量πb3’’代表a n B3 ，然后过k´作直线k´b3’平行于线段CB3代表a r B3B2的方向线，并过点b3’’作直线b3’’b3’垂直于线段CB3，代表a t B3的方向线，它们相交于点b3’，则矢量πb´3便代表a B3。

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：a t B3=b3’’b3’×u a =72.5㎜×0.036（m/s2）/㎜=2.61m/s2；a r B3B2=k´b3’×u a=55㎜×0.036（m/s2）/㎜=1.98m/s2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a D3=πd3’×u a=93㎜×0.036（m/s2）/㎜=3.348m/s2；a s3=πS3×u a=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M i；下面求重心S3的惯性力F i及惯性力偶矩M i：惯性力：Fi s3= -m×a s3= -G3/g×a S3= -G3/g×u a×πS3=-（200N）/（9.8N/㎏）×【0.036（m/s2）/㎜】×46.5㎜= - 34N 方向：a s=an s +a ts ，它决定了Fi 的方向，因Fi s3= -m 3×a s3，故F i3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： Mi s3= -J S3·αS3= -J S3×（a tCD /l CD ）= -1.1㎏㎡×[(0.036（m/s 2）/㎜)×93㎜]/0.54m= -6.28N ·m 作用线间距离为h ：h=Mi s3/F i3=（-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 ，故它们均可用一等于F i3的总惯性力F ’i3来代替。