机械原理课程设计——牛头刨床

机械原理课程设计——牛头刨床（1）待续

2008-11-21 02:13

目录

一、概述

§1.1、课程设计的题目---------------------------------------2

§1.2.、课程设计的任务和目的-----------------------------2

§1.3、课程设计的要求---------------------------------------3

§1.4、课程设计的数据---------------------------------------3

二、运动分析及程序

§2.1、拆分杆组------------------------------------------------4

§2.2、方案分析------------------------------------------------4

§2.3、程序编写过程------------------------------------------5

§2.4、程序说明------------------------------------------------6

§2.5、C语言编程及结果------------------------------------6

§2.6、位移，速度，加速度图------------------------------10

三、各运动方案的分析与评价

§3.1 方案一的运动分析和评价--------------------------12

§3.2 方案二的运动分析和评价--------------------------13

§3.3 方案三的运动分析和评价--------------------------15

§3.4 方案四的运动分析和评价--------------------------16

四、小结--------------------------------------- 19

五、参考文献---------------------------------20

一、概述

§1.1．课程设计的题目

此次课程设计的题目是：牛头刨床的主传动结构的设计.

§1.2．课程设计的任务和目的

1）任务：

1 牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；

2 导杆机构进行运动分析；

3 导杆机构进行动态静力分析；

根据要求发挥自己的创新能力，设计4到5种牛头刨床的主传动机构，使其可以满足牛头刨床的传动需要。

2）目的：机械原理课程设计是培养学生掌握机械系统运动方案设计能力的技术基础课程，它是机械原理课程学习过程中的一个重要实践环节。其目的是以机械原理课程的学习为基础，进一步巩固和加深所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养学生分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力，使学生熟悉机械系统设计的步骤及方法，其中包括选型、运动方案的确定、运动学和动力学的分析和整体设计等，并进一步提高计算、分析，计算机辅助设计、绘图以及查阅和使用文献的综合能力。

§1.3．课程设计的要求

牛头刨床的主传动的从动机构是刨头，在设计主传动机构时，要满足所设计的机构要能使牛头刨床正常的运转，同时设计的主传动机构的行程要有急回运动的特性，以及很好的动力特性。尽量是设计的结构简单，实用，能很好的实现传动功能。

§1.4．课程设计的数据

方案导杆机构的运动分析导杆机构的动态静力分析

n2 l0204 l02A l04B lBC l04S4 xS6 yS6 G4 G6 P yp JS4

r/min mm N mm Kg.m

2 64 350 90 580 0.3l04B 0.5l04B 200 50 220 800 9000 80 1.2

二．运动分析及程序

常见牛头刨床机构设计方案如下图（程序计算部分是根据这个方案中编写的，以下图中的状态为起始点）

§2.1拆分杆组

该六杆机构可看成由Ⅰ级机构、一个RPRⅡ级基本组和一个

RRPⅡ级基本组组成的，即可将机构分解成图示三部分。

§2.2方案分析及其评价：

1，机构具有确定运动，F=3*5-(2*7+1)=1,曲柄为机构原动件。

2,通过曲柄带动摆动导杆机构和滑块机构使刨刀往复移动,实现切削功能，能满足功能要求.且滑块行程可以根据杆长任意调整；

3,工作性能, 工作行程中，刨刀速度较慢，变化平缓符合切削要求, 摆动导杆机构使其具有急回作用，可满足任意行程速比系数K的要求；

4,传递性能, 机构传动角恒为90度，传动性能好，能承受较大的载荷，机构运动链较长，传动间隙较大；

5,动力性能,传动平稳，冲击震动较小.

6,结构合理性,结构简单合理,尺寸和重量也较小,制造和维修也较易.

7,经济性，无特殊工艺和设备要求,成本较低.

§2.3程序编写过程

如图所示，建立O4-xy坐标系，并确定O2、A、O4、B、C编号分别为1，2（3），4，5，6，选定参考点7。根据已知条件：X(O2)=X(1)=0,Y(O2)=Y(1)=430,X(O4)=X(4)=0,Y(O4)=Y(4)=0, X(7)=0,Y(7)=810，编写主程序。

1）为计算出Ⅰ级机构上A点的位置及运动参数，应调用Mcrank子程序，在此之前应确定子程序的形参i,j,a,b,此机构中,i=1,j=1,a=1,b=1；

2）为求出构件3上B点的位置及运动参数，应调用Mrpr子程序，在此之前应确定子程序的各形参赋值,此机构中,i=2,j=3,k=4,此时，又已知数据有，L(2)=L(4)=0,L(3)=810.其他参数b,c,d,e 分别是2，3，4，5；

3）为求出滑块上C点的位置及运动参数，应调用Mrrp子程序，在此之前应确定子程序的各形参赋值,此机构中,i=5,j=6,b=5,c=6,r=a=7,m=1；

§2.4程序说明

1）对程序中不赋值的变量，计算机自动取0值，如滑块6与x轴的夹角在调用Mrrp之前不赋值，按0计算；

2）用曲柄得角位置φ1作循环变量，计算出它在360°之内的变化情况，循环步长取30°，只取小数点后两位。

机械原理课程设计——牛头刨床设计说明书（3）待续

2008-11-21 02:16

2.6．滑块6的位移，速度，加速度随转角变化曲线

§

其位移，速度，加速度随转角变化曲线如图所示：

三．设计方案和分析§3.1方案一

3.1.1方案一的设计图

3.1.2方案一的运动分析及评价

（1）运动是否具有确定的运动

该机构中构件n=5。在各个构件构成的的运动副中Pl=6,Ph=1.凸轮和转子、2杆组成运动副中有一个局部自由度，即F'=1。机构中不存在虚约束。.由以上条件可知：机构的自由度F=3n-(2Pl+Ph-p')-F'=1

机构的原动件是凸轮机构，原动件的个数等于机构的自由度，所以机构具有确定的运动。（2）机构传动功能的实现

在原动件凸轮1带动杆2会在一定的角度范围内摇动。通过连杆3推动滑块4运动，从而实现滑块(刨刀)的往复运动。

（3）主传动机构的工作性能

凸轮1 的角速度恒定，推动2杆摇摆，在凸轮1 随着角速度转动时，连杆3也随着杆2 的摇动不断的改变角度，使滑块4的速度变化减缓，即滑块4的速度变化在切削时不是很快，速度趋于匀速；在凸轮的回程时，只有惯性力和摩擦力，两者的作用都比较小，因此，机构在传动时可以实现刨头的工作行程速度较低，而返程的速度较高的急回运动。

传动过程中会出现最小传动角的位置，设计过程中应注意增大基圆半径，以增大最小传动角。机构中存在高副的传动，降低了传动的稳定性。

（4）机构的传力性能

要实现机构的往返运动，必须在凸轮1 和转子间增加一个力，使其在回转时能够顺利的返回，方法可以是几何封闭或者是力封闭。几何封闭为在凸轮和转子设计成齿轮形状，如共扼齿轮，这样就可以实现其自由的返回。

机构在连杆的作用下可以有效的将凸轮1的作用力作用于滑块4。但是在切削过程中连杆3和杆2也受到滑块4的作用反力。杆2回受到弯力，因此对于杆2 的弯曲强度有较高的要求。同时，转子与凸轮1 的运动副为高副，受到的压强较大。所以该机构不适于承受较大的载荷，只使用于切削一些硬度不高的高的小型工件。

该机构在设计上不存在影响机构运转的死角，机构在运转过程中不会因为机构本身的问题而突然停下。

（5）机构的动力性能分析。

由于凸轮的不平衡，在运转过程中，会引起整个机构的震动，会影响整个机构的寿命。所以在设计使用的过程中应处理好机械的震动问题，可以增加飞轮减少机械的震动，以免造成不必要的损失和危险。

（6）机构的合理性

此机构使用凸轮和四连杆机构，设计简单，维修，检测都很方便。同时，机构的尺寸要把握好，如杆2太长的话，弯曲变形就会很大，使杆2承受不了载荷而压断，如果太短的话，就不能有效的传递凸轮1 的作用力和速度。同时。凸轮具有不平衡性，在设计中尽量使凸轮的重量小一些，减小因为凸轮引起的整个机构的不平衡和机器的震动。（7）机构的经济性

该机构使用的连杆和凸轮都不是精密的结构，不需要特别的加工工艺，也不需要特别的材料来制作，也不需要满足特别的工作环境，所以该机构具有好的经济效益，制作方便，实用。不过机器的运转可能会造成一定的噪音污染；凸轮机构为高副机构，不宜承受较大的载荷。

§3.2方案二

3.2.1方案二的设计图

3.2.2方案二的运动分析和评价

（1）运动是否具有确定的运动

该机构由齿条、扇形齿轮3、滑块2和杆1组成，其中杆1为主动件。滑块2以移动副的方式和扇形齿轮3连在一起。机构具有3个活动构件。机构中的运动副有原动件1的铰接，1和2的转动副以及2和3的移动副。机构中的运动副全都是低副，且Pl=4.在该机构中没有高副，也不存在局部自由度和虚约束。由此可知：

F=3n-(2Pl+Ph-p')-F'=1

机构中有一个原动件，原动件的个数等于该机构的自由度。所以，该机构具有确定的运动。

（2）机构功能的实现

根据机构图可知，整个机构的运转是由原动件1带动的。杆1通过滑块2带动扇形齿轮3的运动。扇形齿轮3和与刨头连接的齿条啮合。从而实现刨刀的往复运动。（3）机构的工作性能

该机构中原动件1对滑块2的压力角一直在改变。但是原动件1的长度较小，扇形齿轮的半径较大，即原动件1的变化速度对于扇形齿轮3的影响不是很大，同时机构

是在转速不大的情况下运转的，也就是说，在扇形齿轮作用下的齿条的速度在切削过程中变化不大。趋于匀速运行。

原动件1在滑块2上的速度始终不变，但是随着原动件1的运转，在一个周期里，BC 的长度由小到大，再变小。而BC的长度是扇形齿轮3的回转半径，也就是说，在机构的运行过程中，推程的速度趋于稳定，在刨头回程时，由于扇形齿轮受到齿条的反作用力减小。`还有扇形齿轮3的回转半径减小，使扇形齿轮的回程速度远大于推程时的速度。即可以达到刨床在切削时速度较低，但是在回程时有速度较高的急回运动的要求。在刨头往返运动的过程中，避免加减速度的突变的产生。

（4）机构的传递性能

该机构中除了有扇形齿轮和齿条接触的两个高副外，所有的运动副都是低副，齿轮接触的运动副对于载荷的承受能力较强，所以，该机构对于载荷的承受能力较强，适于加工一定硬度的工件。同时。扇形齿轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大而出现机构的断裂。

在整个机构的运转过程中，原动件1是一个曲柄，扇形齿轮3只是在一定的范围内活动，对于杆的活动影响不大，机构的是设计上不存在运转的死角，机构可以正常的往复运行。

（5）机构的动力性能分析

该机构的主传动机构采用导杆机构和扇形齿轮，齿条机构。齿条固结于刨头的下方。扇形齿轮的重量较大，运转时产生的惯量也比较大，会对机构产生一定的冲击，使机构震动，不过在低速运转情况下，影响不会很大。

（6）机构的合理性

该机构的设计简单，尺寸可以根据机器的需要而进行选择，不宜过高或过低。同时，扇形齿轮的重量有助于保持整个机构的平衡。使其重心稳定。由于该机构的设计较为简单。所以维修方便。，除了齿轮的啮合需要很高的精确度外没有什么需要特别设计的工件，具有较好的合理性。

（7）机构的经济性能

该机构中扇形齿轮与齿条的加工的精度要求很高，在工艺上需要比较麻烦的工艺过程，制作起来不是很容易。此方案经济成本较高。

方案2如下图

机械原理课程设计——牛头刨床（4）完结

2008-11-21 02:17

§3.3方案三

3.3.1. 方案三的设计图

3.3.2 关于方案三的运动分析和评价

（1）运动条件分析

该机构是一个在四连杆机构的基础上改进而来的六连杆机构，起主要作用的还是四连杆。该机构共有六个构件，共组成9个运动副且全为回转副，并且该机构中还引入了一个虚约束。该虚约束的产生是由于杆4的引入而产生的。杆4所连接的是A点和D点，由于这两个点和机架通过回转副铰支在一起的，所以这两个点本身就不能产生相对移动，不需要另引入一个杆来固定二者的相对位置。由于四杆的引入所带来的3-2*2=-1的自由度就是虚约束。

该机构的原动件是杆1 ，自由度

F=3*6-2*9+1=1

原动件数目等于自由度数，该机构有确定的运动。

（2）机械功能分析

该构件中完成主运动的是由杆1、2、3、4所组成的四连杆机构，杆5 带动与其铰结的滑块6完成刨床的切削运动。在由杆1、2、3、4所组成的曲柄摇杆机构中，曲柄1在原动机的带动下做周期性往复运动，从而连杆5带动滑块6作周期性往复运动实现切削运动的不断进行。

（3）工作性能分析

从机构简图中可以看出，该机构得主动件1和连杆4的长度相差很大，这就是的机构在刨削的过程中刨刀的速度相对较低，刨削质量比较好。杆1和杆4在长度上的差别还是的刨刀在空行程的急回中，有较快的急回速度，缩短了机械的运转周期，提高了机械的效率。

（4）传递性能和动力性能分析

杆1、2、3、4所组成的曲柄摇杆机构中其传动角是不断变化的，最小传动角出现在A,B,D三点共线处且B点在A,D两点之间，最大传动角出现在三点共线的另一种情况上。该机构的最大最小传动角差别不宜过大，否则将引起连杆传动的不稳定性，而这时就需要在原动件的主轴上添加飞轮以调节其转动的稳定性。所以为了减小该机构最大传动角和最小传动角的差值，增加A,D间的距离。这是因为其最小传动角是△DFA中的∠DFA，且三角形的三个边的长度分别为DF，BF，AD-AB；最大传动角是△DFB的∠DFB，且三角形三边分别为

DF，BF，AD+AB。由三角形余弦定理可知，∠DFA ，∠DFB的AD和AD+AB 大小与AD和AD+AB的长度有密切的关系，故增加AD的长度回减小两个三角形中DA和DB的长度之差，使两个三角形趋于全等从而使最小传动角和最大传动角趋于相等，借以提高传动性能。

该机构中不存在高副，只有回转副和滑动副，故能承受较大的载荷，有较强的承载能力，可以传动较大的载荷。当其最小传动角和最大传动角相差不大时，该机构的运转就很平稳，不论是震动还是冲击都不会很大。从而使机械又一定的稳定性和精确度。

（5）结构的合理性和经济性分析

该机构所占的空间很大，切机构多依杆件为主，结构并不紧凑，抗破坏能力较差，对于较大载荷时对杆件的刚度和强度要求较高。会使的机构的有效空间白白浪费。并且由于四连杆机构的运动规率并不能按照所要求的运动精确的运行只能以近似的规律进行运动。

§3.3方案四

牛头刨床主传动机构采用曲柄摇杆机构和扇形齿轮和齿条机构，如图所示

方案特点与评价:

1、机构具有确定运动条件

由图可知，在机构中，

n=4,pl=5,ph=1,p'=0.F'=0

∴机构自由度

F=3n+(2pl+ph-p')-F'

=3×4+(2×5+1-0)-0

=1

由于机构的自由度数与原动件数相等，故机构具有确定的运动。

2、机构功能的实现

曲柄做原动件，通过原动件带动扇形齿轮摆动,使带齿条机构的刨头往复移动,实现切削功能。

3,工作性能,切削速度近似均匀且变化缓和平稳,摆动导杆机构使其满足急回特性。

4,传递性能,滑块和导杆压力角恒为90度,齿轮和齿条传动时压力角不变,且可承受较大载荷。

5,动力性能,齿轮和齿条传动平稳,冲击震动较小.

6,结构合理性,扇形齿轮尺寸和重量大, 齿轮和齿条制造复杂,磨损后不宜维修。7经济性, 扇形齿轮要求一定的精度,工艺难度大,且扇形齿轮和齿条中心距要求较高。

四、小结

通过这次课程设计，我有了很多收获。首先，通过这一次的课程设计，我进一步巩固和加深了所学的基本理论、基本概念和基本知识，培养了自己分析和解决与本课程有关的具体机械所涉及的实际问题的能力。对平面连杆机构和凸轮有了更加深刻的理解，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。而且，这次课程设计过程中，与同学们激烈讨论，团结合作，最终完美的实现了预期的目的，大家都收益匪浅，也对这次经历难以忘怀。

其次通过这次课程设计，对牛头刨床的工作原理及其内部个传动机构以及机构选型、运动方案的确定以及对导杆机构进行运动分析有了初步详细精确话的了解，这都将为我以后参加工作实践有很大的帮助。非常有成就感，培养了很深的学习兴趣。

衷心感谢XXX教授这个学期以来的悉心教导与鼓励，在X老师的耐心指导下，我们才能完成了这次的课程设计，并从中学到了非常多的知识。再一次衷心感谢XXX教授。

五、参考文献

[1] 孙恒，陈作模。机械原理（第六版）。北京：高等教育出版社，2001.5

[2] 李笑刘福利陈明。机械原理课程设计指导书（试用稿）。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.7

[3] 牛鸣歧王保民王振甫。机械原理课程设计手册. 重庆：重庆大学出版社，2001

[4]王知行李瑰贤. 机械原理电算程序设计. 哈尔滨，哈尔滨工业大学出版

社.2003

[5] 孟宪源姜琪. 机构构型与应用. 北京：机械工业出版社，2003

[6] 申永胜. 机械原理教程. 北京：清华大学出版社，1999

[7 ] 陈明等. 机械系统方案设计参考图册

方案三如下图：

方案四如下图：