机械原理课程设计牛头刨床机构的课程设计

机械原理 目录课程题目与目的 1.1设计的题目 1.2设计的目的机构简介设计内容 3.1导杆机构的运动分析 3.2导杆机构的动态静力分析 3.3程序设计，速度，加速度 3.4飞轮的设计 3.5凸轮的设计 总结与体悟1.1题目：牛头刨床机构的课程设计目的：此课程设计主要以牛头刨床为主要设计对象，并依据具体设计数据对机构进行动静态分析与总结。从中学到以下个知识与技能。1. 通过本次设计，综合运用所学的知识，理论联系实际去分析和解决与课程相关的工程问题，并进一步巩固和加深所学的理论知识2. 得到拟定运动方案的训练，并且有初步的机械选型与组合及确定传动方案的能力，培养开发和创新机械产品的能力。3. 掌握机械运动方案设计的内容，方法，步骤，并对运动分析与设计有一个较完整的概念4. 进一步提高运算，绘图，表达及运用计算机和查阅有关技术资料的能力5. 通过编写说明书，答辩与及课后思考，培养表达，归纳，总结和独立思考的能力6. 通过以小组为单位，各人分工合作的路径，有效锻炼了集体意思及团队合作的能力。大大加深了对团队的理解与协作的理解2.1简介：牛头刨床是一种用于平面切屑加工的机床，主要由齿轮机构，导杆机构和凸轮机构等组成（图1-1所示及为其实物简图）。如图1-2所示即为本次课程设计的机型。电动机通过减速装置（图中只画出齿轮Z1 ，Z2）使曲柄2转动，再通过导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6与刨刀作往复切屑运动。工作行程时，刨刀速度要稳定，空回行程时，刨刀要快速退回，即要有机会作用。切屑阶段刨刀应近似匀速运动，以提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O2上的凸轮驱动摆动从动件O7D和其他有关机构（图中未画出）来完成的。为了减小机械的速度波动，在曲柄轴O2上安装一调速飞轮。切屑阻力图1-2中。 此图为牛头刨床的实物简图1-1设计的牛头刨床的运动简图1-2：杆长LBC=135mm，摇杆摆动角度为33，行程速比系数为K=1.44898，在运动分析中即以转过75为例分析。 图1-2设计数据牛头刨床的设计具体参数如1-3图所示： 图1-3轮O1与轮O2为齿轮传动机构，其具体参数如下图： 飞轮机构的具体参数如下图： 以上数据即为本次设计的参数的具体数值大小，在以下的具体计算以及具体分析运动过程中均以具体数值为基本。 3.1导杆机构的运动分析【当曲柄位置为75】 速度分析由运动已知曲柄上A(A2，A3，A4)点开始，列两构件重合点间速度适量的方程，求构件4上A点的速度vA4。因为 vA2=vA3=2lO2A=2xn2/60xlO2A=2xx60/60x0.11m/s=0.6908m/s vA4 = vA3 + vA4A3 大小 ？ 方向 O4A O2A O4A 取极点p，按比例尺v=0.005（m/s）/mm作速度图（与机构简图绘在同一图样上），如图所示，并求出构件4（3）的角速度4和构件4上B点的速度vB以及构件4与构件3上重合点A的相对速度vA4A3。因为vA4=vPa4=0.005x124.11m/s=0.62m/sLo4A=483.65mm4=vA4/lO4A=0.62/0.48365=1.283rad/svB=4lO4B=1.283x0.54=0.69m/svA4A3=a4a3=0.005x58.37m/s=0.29185m/s对构件5上B、C点，列同一构件两点间的速度矢量方程： vC = vB + vCB 大小 ？ ？ 方向 xx BCvC=vPc=0.005x137.72m/s=0.69m/s5=vCB/lBC=0.005x16.72/0.135=0.62rad/s加速度分析由速度已知曲柄上A(A2 A3 A4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为：aA2=aA3=W2 lo2A =(2n2 /60)Xlo2A =(2xx60/60)x0.11m/s2 =4.34m/s2an A4=W2 4lo4A=1.2832x0.48365=0.796m/s2a KA4A3=2W3VA4A3=2x1.283x0.29185=0.75m/s2a N CB=W25 l CB=0.622x0.135=0.0519m/s2a A4 =a NA4+a TA4=a A3+a KA4A3+a RA4A3取极点P,按比例尺0.01(m/s2)/mm做加速度图（与机构简图和速度分析矢量绘在同一样的图上）如下图所示，由影像原理求得构件4上B点和质心S4点的加速度aB和a S4,用构件4上的A点的切向加速度a TA4求构件4的角加速度度a4. aA4= uapa4=0.01X136.76=1.3676m/s2aB=uapb=0.01x152.69=1.53m/s2a S4=0.5aB=0.5x1.53=0.76m/s2a4=atA4/lo4A=0.01x111.21/0.43865=2.54rad/s2(顺时针)a C=a B + a CB + atCBa C=uapc=0.01x134.02=1.34m/s2a5=atCB/lBC=0.01x71.3/0.135=5.281m/s2当曲柄为运动简析图中BC即为122时。 速度分析：速度分析由运动已知曲柄上A(A2，A3，A4)点开始，列两构件重合点间速度适量的方程，求构件4上A点的速度vA4。因为 vA2=vA3=2lO2A=2xn2/60xlO2A=2xx60/60x0.11m/s=0.6908m/s vA4 = vA3 + vA4A3 大小 ？ 方向 O4A O2A O4A 取极点p，按比例尺v=0.005（m/s）/mm作速度图（与机构简图绘在同一图样上），如图所示，并求出构件4（3）的角速度4和构件4上B点的速度vB以及构件4与构件3上重合点A的相对速度vA4A3。vA4=vPa4=0.005x114.53m/s=0.57m/sLo4A=496.43mm4=vA4/lO4A=0.57/0.49643=1.154rad/svB=4lO4B=1.154x0.54=0.62m/svA4A3=a4a3=0.005x28.88m/s=0.1444m/s对构件5上B、C点，列同一构件两点间的速度矢量方程： vC = vB + vCB 大小 ？ ？ 方向 xx BC vC=Pc=0.005x123.23m/s=0.62m/s5=vCB/lBC=0.005x8.75/0.135=0.32rad/s加速度分析：由速度已知曲柄上A(A2 A3 A4)点开始，列两构件重合点间加速度矢量方程，求构件4上A点的加速度aA4,因为：aA2=aA3=W2 lo2A =(2n2 /60)Xlo2A =(2xx60/60)x0.11m/s2 =4.34m/s2an A4=W2 4lo4A=1.154x1.154x0.49643=0.66m/s2a KA4A3=2W3VA4A3=2x1.154x0.1444=0.33m/s2a N CB=W25 l CB=0.32x0.32x0.135=0.013824m/s2a A4 =a NA4+a TA4=a A3+a KA4A3+a RA4A3取极点P,按比例尺0.01(m/s2)/mm做加速度图（与机构简图和速度分析矢量绘在同一样的图上）如下图所示，由影像原理求得构件4上B点和质心S4点的加速度aB和a S4,用构件4上的A点的切向加速度a TA4求构件4的角加速度度a4.aA4= uapa4=0.01X81.81=0.82m/s2aB=uapb=0.01x88.99=0.89m/s2a S4=0.5aB=0.445m/s2a4=atA4/lo4A=0.01x48.34/0.49643=0.974m/s2a C=a B + a CB + atCBa C=uapc=0.01x58.53=0.59m/s2a5=atCB/lBC=0.01x67.75/0.135=5.02m/s2以上两种情况分别为曲柄转过75和122时加速度与速度的瞬时分析，这种分析有助于后面的动态静力分析。取任意两点的目的也是为了消除特殊性，使计算更为准确。3.2动态静力分析(当曲柄位置为75时)首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力FI4（与aS4反向）、构件4的惯性力矩MI4（与a4反向，逆时针）、构件4的惯性力平移距离lhd（方位：右上）、构件6的惯性力矩FI6（与aC反向）。 F14=m4aS4=aS4=0.76=15.49NM14=a4JS4=2.541.1Nm=2.79N/m Lh4=m=0.180m=180mmFI6=m6aS6=aS6=1.34N=95.617N1.取构件5、6基本杆组为示力体（如图所示） 因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6做受力分析即可，首先列力平衡方程： FR65=FR56 FR54=FR45 FR16 + Fr + F16 + G6 + FR56=0 大小 ？ ？ 方向 xx xx xx xx BC按比例尺F=10N/mm作力多边形，如图所示，求出运动副反力FR16和FR56。俩图均为杆件5，6的受力分析。按比例尺10N/mm作里多边形FR16=1045.48=454.8NFR56=10710=7100N 对C点列力矩平衡方程： FR16lx + F16yS6 = FryF + +G6xS6Lx = =1590.860 mm2. 取构件3、4基本杆组为示力体（如图所示）首先取构件4，对O4点列力矩平衡方程（反力FR54的大小和方向为已知），求出反力FR34：FR54=FR45 FR34=FR43构件4的受力分析 FR54lh1+FI4lh2+G4lh3FR34lO4A=0FR34= 7100x536.05+15.49x399.19+200x32.58/483.65=7895.49N再对构件4列力平衡方程，按比例尺F=10N/mm作力多边形如图所示。求出机架对构件4的反力FR14： FR54 + G4 + FI4 + FR34 + FR14=0 大小 ？ 方向 BC xx O4A ？ FR14=10X87.77=877.7N3. 取构件2为示力体（如图所示） FR34=FR43 FR32=FR23 FR23+FR12=0 FR12=7889.73N FR32lh Mb = 0Mb=7889.73X99.35/1000=783.85N.m当曲柄位置为122时的动态静力分析。首先依据运动分析结果，计算构件4的惯性力FI4（与aS4反向）、构件4的惯性力矩MI4（与a4反向，逆时针）、构件4的惯性力平移距离lhd（方位：右上）、构件6的惯性力矩FI6（与aC反向）。 F14=m4aS4=aS4=0.445=9.07N M14=a4JS4=0.9741.1Nm=1.07N/mLh4=m=0.180m=118mmFI6=m6aS6=aS6=0.59N=42.0998N1.取构件5、6基本杆组为示力体（如图所示） 因构件5为二力杆，只对构件（滑块）6做受力分析即可，首先列力平衡方程：构件5.6的受力分析构件5.6的受力简图 由于 FR65=FR56 FR54=FR45 FR16 + Fr + F16 + G6 + FR56=0 大小 ？ ？ 方向 xx xx xx xx BC因此可以做出里多边形：按比例尺F=10N/mm作力多边形，如图所示，求出运动副反力FR16和FR56。 FR16=1032.89=328.9NFR56=10705.19=7051.9N 对C点列力矩平衡方程： FR16lx + F16yS6 = FryF + +G6xS6Lx = =2219.8 mm4. 取构件3、4基本杆组为示力体（如图所示）首先取构件4，对O4点列力矩平衡方程（反力FR54的大小和方向为已知），求出反力FR34：FR54=FR45 FR34=FR43 FR54lh1+FI4lh2+G4lh3FR34lO4A=0 FR34= 2051.9x538.66+9.07x277.24+200x18.67/496.43=2239.04N再对构件4列力平衡方程，按比例尺F=10N/mm作力多边形如图所示。求出机架对构件4的反力FR14： FR54 + G4 + FI4+ FR34+ FR14=0 大小 ？ 方向 BC xx O4A ？ FR14=10X49.67=496.7N3.取构件2为示力体（如图所示） FR34=FR43 FR32=FR23 FR23+FR12=0 FR12= FR32lh Mb = 0Mb=2239.04X107.23/1000=240.09N.m以上数据即为曲柄转过75即122时的动态静力分析。3.3齿轮的设计 齿轮传动系统的作用通常是实现减速、增速和变速，有时也用作实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动机的输出功率和转矩传递给执行机构。 通常要把原动机的输出运动传给执行机构，仅选用一种传动装置或机构的情况较少见，大多数情况是选择若干种传动装置或机构合理地加以组合布置，构成一个传动系统，才能实现预期的工作要求。： 主动轮的转速nd=60r/min,执行机构原动件的设计转速为nr，则传动装置系统的总传动比 此轮具体参数如下图：所使用的是公制齿轮，齿轮模数m=6分度圆直径：d1=mz1=6x10=60mm d2=mz2=6x40=240mm中心距a= (d1 +d2)/2=150mm这样就能保证俩齿轮按定传动比传动i=Z2/Z1=40/10=4因为n2=60r/min，则n1=240r/min.所用的为公制齿轮，齿顶圆直径da1=mz1+2ha*m=6x10+2x1x6=72mm,da2=mz2+2ha*m=240+2x1x6=252mm.齿根圆直径df1=mz1-2ha*m-2mc* =6x10-2x1x6-2x6x0.25=45mm,df2=mz2-2ha*m-2mc*=6x40-2x1x6-2x6x0.25=225mm.由以上计算数据可以做出齿轮完全啮合时的装配图：3.4程序设计 #define pai 3.1415926#include#includevoid main()int i=0,Lo2a=110,Lbc=135,Lo2o4=380,Lo4b=540,n=60,fr=7000,G6=700,G4=200,yf=80,ys6=50,xs6=240,lx,lo4s4;double Ox=290.82,Oy2=-148.44,Oy4=-528.44,Js4=1.2,a,b,Lo4a,bl,bc,jio4,jic,ji1,jij,ji2,ji3,ji4,lo4c;double Ax,Ay,Bx,By,Cx,H,J,Va,Vax,Vay,Vbx,Vby,V34,Va4x,Va4y,Va4,Vbc,Vb,Vc,W4,aa2,aa2x,aa2y,aa4n,aa4t,aa4tx,aa4,aa4x,aa4y,a43k,a0,as4,ab,abx,aby,abcn,abct,ac,fi6,f1,g,fr56,fr56x,fr56y,fr16,Lx,fr45,ba4,fi4,fi4x,fi4y,jif1,jif2,mi4,lh4,lh5,lh1,lh2,lh3,mfi4,mg4,mr54x,mr54y,fr34,fr34x,fr34y,fr14,fr14x,fr14y,fr12,fr32,fr32x,fr32y,mb;FILE *fp; if(fp=fopen(file1,w)=NULL) printf(Can not open this file.n); exit(0); for(i=0;i360;i=i+2)J=i*pai/180;Ax=Ox+cos(J)*Lo2a;Ay=Oy2+sin(J)*Lo2a;/求B点位置Lo4a=sqrt(Ax-Ox)*(Ax-Ox)+(Ay-Oy4)*(Ay-Oy4);bl=Lo4b/Lo4a;Bx=Ox-bl*(Ox-Ax);By=Oy4+bl*(Ay-Oy4);/c点位置bc=sqrt(Lbc*Lbc-By*By);Cx=Bx-bc;/速度分析jij=asin(110.0/380.0);Vax=sin(J)*2*pai*n/60*0.11;Vay=cos(J)*2*pai*n/60*0.11;Va=sqrt(Vax*Vax+Vay*Vay);a=fabs(Ax-Ox);jio4=atan(a/(Ay-Oy4);b=fabs(By);jic=atan(b/bc);H=sin(jij)*2*Lo4b;/进程if(J=(2*pai-jij)if(Jpai/2)&(J1.5*pai)&(J=pai/2)|(J0) Vc=cos(jio4)*Vb+sin(jic)*Vbc;else Vc=cos(jio4)*Vb-sin(jic)*Vbc;elseif(By0) Vc=cos(jio4)*Vb-sin(jic)*Vbc;else Vc=cos(jio4)*Vb+sin(jic)*Vbc;if(By=0) Vc=Vbx;Vc=fabs(Vbx)/Vbx*Vc;/加速度分析/A点aa2=2*2*pai*pai*n*n*0.11/3600;aa2x=cos(J+pai)*aa2;aa2y=sin(J+pai)*aa2;aa4n=W4*W4*Lo4a/1000;a43k=2*W4*V34;if(J=0)&(J=pai/2)&(J=pai)&(J=pai+jij)&(J=3*pai/2)&(J=2*pai-jij)&(J2*pai)a0=sin(5*pai/2-J-jio4)*aa2;aa4t=a0-a43k;aa4x=-sin(jio4)*aa4n-cos(jio4)*aa4t;aa4y=sin(jio4)*aa4t-cos(jio4)*aa4n;aa4=sqrt(aa4x*aa4x+aa4y*aa4y);/B点abx=bl*aa4x;aby=bl*aa4y;ab=sqrt(abx*abx+aby*aby);/C点jic=atan(By/bc);abcn=Vbc*Vbc/0.135;if(abx0)abct=(aby+sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx-cos(jic)*abcn-sin(jic)*abct;if(abx0)&(aby0)abct=(aby-sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx+cos(jic)*abcn-sin(jic)*abct;if(abx0)&(aby0)&(aby0)abct=(aby+sin(jic)*abcn)/cos(jic);ac=abx+cos(jic)*abcn+sin(jic)*abct;as4=ab/2;/动态静力分析g=9.81;lo4s4=Lo4b/2;fi6=ac*G6/g;if(J=0)&(Jpai+jij)|(J=2*pai-jij)&(Cx0.05*H)&(Cx0)fr16=G6-sin(jic)*fr56;fr56x=cos(jic)*fr56;fr56y=sin(jic)*fr56;elsefr16=G6+sin(jic)*fr56;fr56x=-cos(jic)*fr56;fr56y=-sin(jic)*fr56;Lx=(G6*ys6-fi6*xs6)/(fr16);ba4=(aa4t)*1000/(Lo4a);mi4=ba4*Js4;fi4=G4*as4/g;fi4x=-0.5*G4*abx/g;fi4y=-0.5*G4*aby/g;lh4=mi4*1000/fi4;jif1=acos(fabs(fi4x)/fi4);jif2=pai/2-jif1;lh3=fabs(Ox-Bx)/2;mr54x=-fr56x*(By-Oy4);/*ji3=atan(-Oy4)/(Ox-Cx);ji4=ji3+jic;lo4c=sqrt(Oy4*Oy4+(Ox-Cx)*(Ox-Cx);lh1=sin(ji4)*lo4c;*/if(J=pai/2)&(J=0)&(fi4y=0)ji2=jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)if(jif2jio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4y0)&(fi4yjio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elsemr54y=fr56y*(Bx-Ox);mg4=G4*lh3;if(fi4x=0)&(fi4y=0)if(jif2jio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;if(fi4x0)ji2=jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=-fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4yjio4)ji2=jif1+jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5+lh4;mfi4=-fi4*lh2;elseji2=pai-jif1-jio4;lh5=cos(ji2)*lo4s4;lh2=lh5-lh4;mfi4=fi4*lh2;if(fi4x0)&(fi4y=pai/2)&(J=0)&(J=pai/2)&(J=pai)&(J=3*pai/2)&(J2*pai) mb=-fr32x*(Oy2-Ay)-fr32y*(Ax-Ox);mb=-mb/1000;ac=-ac;/printf(Ax=%f Ay=%f Bx=%f By=%f Cx=%fn,Ax,Ay,Bx,By,Cx);/printf(Vax=%fVay=%fVbx=%fVby=%fVc=%fn,Vax,Vay,Vbx,Vby,Vc);/printf(aa2x=%faa2y=%fabx=%faby=%fac=%fn,aa2x,aa2y,abx,aby,ac);/printf(%d%f%f%f %fn,i,Cx,Vc,ac,mb);fprintf(fp,%d%f%f%f %fn,i,Cx,Vc,ac,mb);printf(i=%d abx=%f aby=%fn,i,abx,aby);/printf(%d%f%fn,i,mb,fr12);/fprintf(fp,%d%f%fn,i,mb,fr12);/printf(i=%dfr56=%ffr56x=%ffr56y=%fn,i,fr56,fr56x,fr56y);fclose(fp);最后的/printf()；可以根据不同的计算增加或删除/号来实现，如此程序我们要求c点的位置，c点的速度，c点的加速度，和o2A杆儿的力矩。除去相关语句前面的/，就可以输出。本次程序输出的结果：角度 C位置 C速度 C加速度 O2A的力矩0306.3228410.2467094.610911-14.8292772304.821910.2719284.468458-15.8305224303.1811430.2963664.330061-16.7055116301.4058640.3200464.195391-17.462368299.5012480.3429884.064129-18.10852110297.4723210.3652093.935967-18.65082912295.3239550.3867263.810614423.38526514293.060870.4075543.687797445.57460616290.6876320.4277063.567265466.95012818288.2086540.4471943.448786487.53728220285.62820.4660293.332152507.3613722282.9503860.4842213.217176526.44735524280.1791820.5017783.103692544.8196826277.3184220.5187092.991555562.50212328274.3718030.535022.88064579.51766830271.3428920.5507182.770544595.89024932268.2351320.5658092.661706611.63769134265.0518480.5802982.555178626.77248736261.7962520.5941912.45082641.31346138258.4714530.6074932.3485655.27840240