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徐州工业职业技术学院毕 业 论 文姓 名： 学 号： 系 部： 机械工程系 专 业： 机械制造及自动化 论文题目：基于 Pro/E 的牛头刨床主运动的设计与运动学分析（题目 1）指导教师： 职 称： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期：原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载摘 要本设计课题为基于 Pro/E 的牛头刨床主运动的设计与运动学分析，根据设计任务书的要求以及设计参考数据的要求，来对牛头刨床进行设计研究。先是通过对平面四杆机构的类型与演化及急回运动理论与实现的分析，来阐述平面四杆机构的理论，从而来设计牛头刨床。然后通过对牛头刨床的结构及主运动的工作原理进行分析，构思三种或三种以上刨削主体机构的运动方案，通过分析来确定主运动的方案；然后根据给定的参考数据利用图解法确定机构的尺寸；再利用 Pro/E 进行主运动实体三维模型并进行构件连接，创建主运动的运动学虚拟模型。最后再利用 Pro/E 进行主运动的运动学分析，分析刨头的位移、速度、加速度，据此改进方案。从而使牛头刨床的设计精度得到提高，近而提高效率。关键词：平面四杆机构；急回运动；三维建模；运动仿真；运动学分析原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载AbstractDesigns the shaping machine according to the design project description request as well as the design reference data request the main motion.Through to the plane four pole organization type and evolved and the quick return motion and the realization analysis, elaborates the plane four pole organization theory, thus designs the shaping machine.Through carries on the analysis to the shaping machine structure and the host movement principle of work, forms in ones mind three kinds or above shapes the main body organization the movement plan, carries on the appraisal through the analysis, finally determines the host movement the plan; Then the basis assigns reference data use graphic method determination organization size; Again carries on the host movement entity three-dimensional model using Pro/E and carries on the component connection, founds the host movement the kinematics virtual model.Finally carries on the host movement again using Pro/E the kinematic analysis, the analysis discount displacement, the speed, the acceleration, according to the above improvement program. Thus enable the shaping machine the precision to obtain the enhancement, thus enhances the efficiency, the expanded production.Key word: Four pole organizations; Quick return motion; Three dimensional modelling; Movement simulation; Kinematic11 绪论 11.1 概述 11.1.1 设计要求 11.1.2 牛头刨床的结构简介 11.2 本章小结 42 平面四杆机构理论 52.1 类型 52.1.1 四杆机构的基本形式52.2 平面四杆机构的演化 .102.3 急回运动理论 .122.2.1 急回运动 .122.2.2 急回四杆机构综合 .192.2.4 主运动方案的分析与确定 .212.4 本章小结 .223 利用 Pro/e 构件主运动实体三维模型 .233.1 齿轮的建模 .233.2 导杆 CD 的建模 243.3 滑块的建模 .253.4 刨头的建模 .263.5 床身的建模 .273.6 牛头刨床工作装置装配 .283.7 本章小节 .294 主运动机构的运动学分析 .304.1 运动学分析的简介 .304.2 主运动运动学分析 .314.3 本章小结 .39总结 .40参考文献 .41致谢 .422第一章 绪论1.1 设计要求牛头刨床是一种用于切削平面的加工机床，它是依靠刨刀的往复运动和支承并固定工件的工作台的单向间歇移动来实现对平面的切削加工。刨刀向左运动时切削工件，向右运动时为空回。图 1 牛头刨床主运动机构设计要求与设计参考数据1刨刀所切削的工件长度为 L，并要求刀具在切削工件前后各有一段约0.05L 的空刀行程；2为保证加工质量，要求刨刀在工作行程时速度比较均匀，许用速度不均匀系数=10%；3为了提高生产效率，要求刨刀的往复切削运动具有急回特性，其行程速比系数 K 控制为 1.42.0；4导杆的最大压力角为最小值。设计参考数据方案号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10曲柄转速n(r/min)48 52 50 48 55 60 65 60 58 60导杆机构运机架 LAC(mm) 380 360 370 400 410 380 370 400 400 3803工件长度 L (mm)310 330 380 250 310 310 320 450 370 360动分析行程速比系数 K1.461.44 1.53 1.34 1.37 1.46 1.48 1.45 1.5 1.45三、设计任务1论述牛头刨床的结构，主运动工作原理；2阐述平面四杆机构理论（平面四杆机构的类型与演化，急回运动理论与实现） ；3构思三种以上刨削主体机构运动方案，并进行分析评价，确定主运动方案；4根据给定的参考数据利用图解法确定机构的尺寸； 5利用 Pro/E 构件主运动实体三维模型，并进行构件连接，创建主运动的运动学虚拟模型；6利用 Pro/E 进行主运动的运动学分析，分析刨头的位移，速度，加速度，据此改进设计方案；7撰写毕业设计说明书。1.1.2 牛头刨床结构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图 1-2 牛头刨床外形图4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。第 2 章 阐述平面四杆机构原理2.1 平面四杆机构的基本性质2.1.1 曲柄存在的条件：1、连架杆或机架中必须有一个最短杆2、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（杆长条件）三种基本类型的判别方法：满足杆长条件时：a 取连架杆为最短杆，可得到曲柄摇杆机构b 取机架为最短杆，可得到双曲柄机构c 取连杆为最短杆，可得到双摇杆机构不满足杆长条件：无论取何杆为最短杆，只能得到双摇杆机构2.1.2 死点位置：1、定义：连杆与从动件共线的位置叫做四点位置2、利弊：弊：容易时机构卡死，破害机器从而使机器不能够正常运作。对于传动机构有以下三种方法可以克服死点位置。第一，利用惯性（在从动件上安装飞轮度过死点）第二，增设辅助机构如下图 2-14 所示。第三，采取多组机构错列。利：可以利用死点位置来制作夹紧装置来夹紧工件或其它物体。图 3-1 辅助机构（CF 为辅助构件）52.2 平面连杆机构的特点1.平面连杆机构是若干个构件用平面低副（转动副、移动副）连接而成，各构件在相互平行的平面内运动，又称为平面低副机构。2.由于平面连杆机构能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，且低副不易磨损而又易于加工，以及能由本身几何形状保持接触等特点，因此广泛应用于各种机械及仪表中。平面连杆机构的不足之处主要有两点，其一是连杆机构中作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡，其二是连杆机构较难准确实现任意预期的运动规律，设计方法较复杂。2.连杆机构中应用最广泛的是平面四杆机构，它是构成和研究平面多杆机构的基础 236。2.3 四杆机构的组成平面四杆机构是由一些刚性构件用转动副和移动副相互连接而组成的在同一平面或相互平行平面内运动的机构。四杆机构是由转动副连接起来的、其中一个杆为机架的平面四杆机构。如下图 3-2 所示，被固定的杆成为机架，不直接与机架相连的杆成为连杆，与机架相连的杆 1 和杆 3 称为连架杆。凡能作整周回转的连架杆曲柄,只能作往复摆动的连架杆称为摇杆。图 3-2 平面四杆机构2.4 平面四杆机构的类型图 3-3如图 3-3 所示，所有运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式。其它型式的四杆机构都可以看成是在它的基础上通过演变而成的。在此机构中，构件 4 称为机架，与机架以运动副相联的构件 1 和 3 称为连架杆。在连架杆中，能绕其轴线回转 360 者称为曲柄，仅能绕其轴线往复摆动的，称为摇杆。不与机架相联的构件 2 做平面复杂运动，称6为连杆。按照两连架杆运动形式的不同，可将铰链四杆机构分为三种基本型式。2.3.1 曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，则称为曲柄摇杆机构。如下图 3-4 所示，当主动曲柄 AB 会转时，摇杆 CD 作往复摆动。图 3-4 曲柄摇杆机构主要应用在剪板机、牛头刨床横向近给机构、搅拌机、破碎机以及缝纫机的踏板机构等机构中。2.3.2 双曲柄机构两连架杆均为曲柄的机构称为双曲柄机构。如下图 3-5 所示，当主动曲柄AB 回转一周时，CD 同样也时回转一周。图 3-5 双曲柄机构主要应用在机车轮联动装置以及车门启闭机构。在双曲柄机构中，若两组对边的构件长度相等，则可得平行四边形机构和反平行四边形机构。平行四边形机构特点是：两曲柄的回转方向相同，且角速度时时相等，连杆7做平动。反平行四边形机构中的两曲柄回转方向相反，且角速度不等。2.3.3 双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。如下图 3-6 所示，当摇杆 AB 在一定范围内摇摆时，此时摇杆 CD 也只能在一定范围内摇摆。图 3-6 双摇杆机构主要用于自卸翻斗装置、港口起重机、飞机起落架等机构中2.5 平面四杆机构的演化除了上述铰链四杆机构外，工程实际中还广泛应用着其它类型的四杆机构，这些四杆机构都可以看作是由铰链四杆机构通过不同的方法演化而来的，掌握这些演化方法，有利于对片面连杆机构进行创新设计。四杆机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要等。各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同的或类似的，这就为连杆机构的研究提供了方便。其四杆机构的演化方法如下：8（1） 改变构件的形状和运动尺寸 偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构双滑块机构 正弦机构ss=l sin 由此可知，移动副可认为是转动中心在无穷远处的转动副演化而来。（2）改变运动副的尺寸 9偏心轮机构(3) 选用不同的构件为机架 运动链中不同构件作为机架以获得不同机构的演化方法称为机构的倒置。摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构10（4）运动副元素的转换对于移动副元素的包容关系进行逆换，也可演化成为不同的机构。导杆机构 4 3213214摇块机构由上述可见，四杆机构的型式虽然多种多样，但根据演化的概念为我们归类研究这些四杆机构提供方便，反之，我们也可根据演化的概念，设计出型式各异的四杆机构。2.6 急回运动理论与实现2.5.1 极位夹角的定义在如图所示的曲柄摇杆机构中，设曲柄为原动件，并以等角速度顺时针转动。曲柄回转一周，摇杆 往复摆动一次。曲柄 在回转一周的过程中，有CDAB11两次与连杆 共线，使从动件 相应地处于两个极限位置 和 ，此时原动BCCD1CD2件曲柄 相应的两个位置之间所夹的锐角 称为极位夹角A2.5.2 急回运动的理论 当曲柄 由 位置转过 角至 位置时，摇杆 自 摆至 ，ABC1O2ABCD12设其所需时间为 ，则点 C 的平均速度即位 ，当曲柄由 继续1T121/VTAB转过 角至 位置时，摇杆自 摆回至 ，设其间所需时间为 ，则点2O2D2TC 的平均速度即为 ，由于 ，可知21/VT128080O，则 。由此可知，当曲柄等速回转时，摇杆来回摆动的平均速度12T1不同。由 摆至 时平均速度 较小，一般做工作行程，由 摆至D2C1V2CD时平均速度 较大，作返回行程。摇杆回程速度较大的这种特性称为机构1CV的急回特性。通常用行程速度变化系数 来表示这种特性：K21K从 动 件 空 回 行 程 平 均 速 度从 动 件 工 作 行 程 平 均 速 度211280VTO图 3-5 曲柄摇杆机构的急回特性122.5.3 急回运动的实现1. 由上面分析可知，连杆机构由无急回作用取决与极位夹角。不论曲柄摇杆机构或者是其它类型的连杆机构，只要机构在运动过程中具有极位夹角 ，则该机构就具有急回作用。极位夹角愈大，行程速度变化系数 也就愈大，机K构急回作用就愈明显，反之亦然。若极位夹角 ，则 ，机构没有急回特性0457。2. 在设计机器时，利用这个特性，可以使机器在工作行程速度小些，以减小功率消耗；而空回行程时速度大些，以缩短回程时间，提高机器的工作效率。通常根据工作要求预先选定行程速度变化系数 ，再由下式确定机构的极位夹角 ： 180k2. 行程速比系数 k为了表明机构急回运动的急回程度，可用摇杆摆回平均速度与摆出平均速度的比值来衡量，该比值称为反正行程速比系数（简称行程速比系数或行程速度变化系数） ，用 K 来衡量，即 1802112 tvk上式表明，当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性。 角愈大，K 值愈大，机构的急回运动性质也愈显著。3.急回特性的作用：可以缩短非生产时间，提高生产率。第 3 章 牛头刨床主运动机构尺寸的设计3.1 牛头刨床主运动的尺寸设计3.1.1 设计要求与参考数据1、刨刀所切削的工件长度为 L，并要求刀具在切削工件前后各有一段约0.05L 的空行程；2、为保证加工质量，要求刨刀在工作形成时速度比较均匀，许用速度不均匀系数 =10%；L3、为了提高生产效率，要求刨刀的往复切削运动具有急回特性，其行程速比系数 K 控制为 1.42.0；4、导杆的最大压力角为最小值。 5、设计参考数据：曲柄转速 n=48，机架 L=380,工件长度 L=310, 行程速比系数 k=1.46133.1.2 设计所确定的机构并按比例绘制出机构的运动简图14图 3-1 刨削主体机构（六杆导杆机构）设计图1、根据运动设计要求( =1.46)，可得该机构的极位夹角为：k 根据原始数据，行程速比系数 K=1.46，则原动件杆 4 的极位夹角 6.3180k由导杆的运动特性可知，导杆的角行程 32.66，由此可得到导杆的两个极限位置 和1CD2曲柄 2 mlOA102sin43、根据运动要求，设刨刀的行程为 H，则可得到其行程 H 为：H=310+20.0531O=341导杆 4 lBO 8.53.16sin24i连杆 5 mlBC8.5.04由此可确定铰链 D 的相应位置 和 （ 和 两点的水平距离为 H）12D124、为使机构在运动过程中具有良好的传力特性，特要求设计时使得机的最大压力角具有最小值，因此经分析得出：只有将构件 的移动导路中心线12E15取在图示的位置（即 和 两点铅垂距离的中点位置），才能保证机构运动过1D2程的最大压力角具 有最小值。max5、根据以上要求，选定机构的许用压力角 ，则构件 DE 的长度30为： mLDE 5.230sin.si2436、合理选择固定铰链 A 的位置(LAC=38 0)，则即可确定曲柄 AB 的长度为：LACB12si7、综上所述，在满足设计要求的前提下，主运动的相关机构尺寸为： 3.6mH4LAB10CD5.2E33.2 牛头刨床主运动的设计方案3.2.1 主执行机构的设计参考方案实际应用中，为了提高生产效率、保证产品质量，常常要求机械的工作行程能够匀速慢进、空回行程能够快速退回，这就需要应用极回机构。通过以上的结构要求分析可得到如下结论：刨削主体机构系统的特点是，由曲柄的回转运动转化成具有急回特性的往复直线运动，且要求执行件行程较大，速度变换平稳；在受力方面，由于执行件（刨刀）受到较大的切削力，故要求机构具有较好的传动特性。根据对牛头刨床主体刨削运动特性的要求，可以列出以下几个运动方案。方案（a） ，如图 3-2 所示，采用偏置曲柄滑块机构。结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在有较大的缺点。一是由于执行件行程较大，则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大；二是机构随着行程速比系数 K 的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。16图 3-2 偏置曲柄滑块机构方案（b） ，如图 3-3 所示，由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。该方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案（a ）有所改进，但在曲柄摇杆机构 ABCD 中，随着行程速比系数 的增大，机构的最大压力角仍然较大，而K且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。图 3-3 曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构方案（c ），如图 3-4 所示，由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。该方案克服了方案（b）的缺点，传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。17图 3-4 摆动导杆机构和摇杆滑块机构方案（d），如图 3-5 所示，由摆动导杆机构和齿轮齿条机构组成。由于导杆作往复变速摆动，在空回形成中导杆角速度变化剧烈，虽然回程中载荷不大，但齿轮机构会受到较大的惯性冲击，而且在工作行程开始也会突然受到较大切削力的冲击，由此容易引起轮齿的疲劳折断，而且还会引起噪音和振动。此外，扇形齿轮和齿条的加工也较为复杂，成本较高。图 3-5 摆动导杆机构和齿轮齿条机构方案（e），如图 3-6 所示，由凸轮机构和摇杆滑块机构所组成。由于凸轮与摇杆滚子也为高副接触，在工作行程开始也会突然受到较大切削力冲击，由此引起附加动载荷，致使凸轮接触表面的磨损和变形加剧。当然，此方案的优点是：容易通过凸轮轮廓设计来保证执行件滑块在工作行程中作匀速运动。18图 3-6 凸轮机构和摇杆滑块机构对所构思出的机构方案进行论证及评价,从全面衡量得失来看，方案(c)作为刨削主体机构系统较为合理。其速度变换比较平稳,具有较好的传动特性。所以该机构的主运动方案就确定为方案(c)即图 3-4 的六杆机构。19第 4 章 主运动机构实体三维建模4.1 三维建模4.1.1 曲柄 AB 杆的建模（转化为齿轮结构）齿轮是广泛应用于各种机械传动的一种常用零件，用来传递动力、改变转速和旋转方向。常见的齿轮有圆柱齿轮、圆锥齿轮等。我所设计的齿轮是直齿圆柱齿轮。齿轮参数化建模就是采用参数化设计建立图形程序库，通过改尺寸使模型可自动计算应有的外形，减少了尺寸一一修改的繁琐过程，并减少了错误发生 8。1、新建零件文件，把曲柄 AB 转化为齿轮结构，并且此齿轮的分度圆一定要大于曲柄 AB 的长度。这样就能够比较形象的描述出杆与杆之间的运动情况。设置从动轮参数（包括模数、齿数、齿形角、齿顶系数、齿宽等） ，0m4z10b34.k2、具体如下图 4-1（齿轮参数化设定）所示：图 4-1 齿轮参数化设定然后按照绘制齿轮的步骤生成齿轮（具体步骤省略），实体模型如下图 4-2 大齿轮所示：20图 4-2 大齿轮3、设置主动轮参数（包括模数、齿数、齿形角、齿顶系数、齿宽等）， 10m, 由此可知，两齿轮的中心距为0z1b301zmd, 传动52422da 3.421zni比为具体尺寸及实体如下图 4-3a（参数化设定）和 4-3b 小齿轮所示：图 4-3a 参数化设定21图 4-3b 小齿轮4.1.2 滑块的建模由于滑块既要做旋转运动，又要沿导杆做上下运动，所以其内孔的尺寸要与从动轮上的销钉配合，而外形尺寸又要与导杆 CD 的内槽相匹配。根据其尺寸要求设计建模如下图 4-4 所示：图 4-4 滑块224.1.3 导杆 CD 建模根据设计及计算结果得出 CD 杆的长度为 ，其内部的导槽mLCD16.要与滑块相配合。为了避免干涉，导槽的两端要做的大一些。具体尺寸及实物图形如下图 4-5 所示：23图 4-5 导杆4.1.4 杆 DE 的建模从任务书的设计要求与设计参考数据得知，导杆的最大压力角为最小值。从而计算和查表得到杆 DE 的长度为 ，具体尺寸及实物模型见下mLDE815.图 4-6 所示：24图 4-6 杆 DE4.1.5 牛头刨床床身的建模根据两个传动齿轮的中心距，来定位两个齿轮的传动轴之间的距离，即两齿轮的中心距为 。在根据任务书中的要求，机架mLQ2501为固定尺寸，从而来确定各个定位孔的距离。机架外形则根据普LAC40通牛头刨床的床身来进行设计。其结构尺寸以及实体模型如下图 4-7 所示：图 4-7 牛头刨床床身4.1.6 牛头刨床刨头的建模在建摸时需要注意的就是铰链 C 点到 E 点的运动轨迹的距离，经过计算可以得出此距离 ，图 4-8b 所示尺寸 44 为定位 间的距离。其576CESm CES外形则根据牛头刨床的刨头来进行设计。具体实体模型以及外形尺寸如下图 4-8a 和图 4-8b 所示：25图 4-8a 牛头刨床刨头4.1.7 夹具以及工件的建模工件的长度，所以夹具的设计要满足加工要求，而且要保证工作过程中的稳定，据此设计。其外形以及建模实体如下图 4-9 和图 4-10 所示：图 4-9 夹具26图 4-10 工件4.2 牛头刨床主运动机构的装配4.2.1 牛头刨床床身的装配首先从指定文件夹调出床身，使其为缺省状态。这样以床身为基准。具体如下图 4-11 所示：图 4-11 牛头刨床床身装配
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