西 南 交 通 大 学
本科教学改革
《机械原理》课程设计说明书
年 级: 2011级
学 号: 20116315
姓 名: 王和平
专 业: 机电一体化
指导老师: 何俊
2013 年 12 月
《机械原理》课程设计任务书
班 级 机电一班 学生姓名 王和平 学 号 20116315 发题日期： 2013 年 9 月 20 日 完成日期： 12 月 10 日
题 目 牛头刨床机构的分析与综合
1、本设计的目的、意义 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。
2、学生应完成的任务 本课程设计的任务是对牛头刨床的机构选型、运动方案的确定；对导杆机构进行运动分析和动态静力分析。并在此基础上确定飞轮转惯量，设计牛头刨床上的凸轮机构和齿轮机构。
摘 要
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。本文根据牛头刨床这一特性，设计了三种不同的机构，通过对比分析，选择了酸菜动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成的机构。该方案传力特性好，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。
根据已给的数据算出符合运动条件的机构杆长，凸轮基圆，齿轮传动比，建立三维模型，用adms 建模，得出位移线图，速度线图，再根据位移线图利用反转法求出凸轮外形，并用cad 画出图形
关键字：牛头刨床 杆长 凸轮 adams 线图
Abstract Shaper is used for metal cutting machine tool plane machining of small size or straight groove, used for single or small batch production. In order to coarse,fine processing of different materials and different size workpieces, require the main execution component planes to several different speed, differentdistance and different initial positions of horizontal reciprocating linear motion,and the cutting speed is lower than the air speed planing planing tool, namelythe quick return phenomenon. In this paper, according to the characteristics ofshaper, design three different agencies, through comparative analysis,choose the pickled cabbage moving guide rod mechanism and the rockerslider mechanism formed by series connection mechanism. The force transmission characteristics, mechanism, small occupied space, the actuatorvelocity changes in working process is slow.
According to the given data calculated in line with the movement condition of the mechanism, the cam base circle, gear ratio, establish the three-dimensional model, using ADMS modeling, so out of line drawing, speed line chart, according to the line graph using the inversion method for cam profile,and the figure painting with CAD
Keywords : shaper rod cam adams diagram
IV 西南交通大学本科教学改革-机械原理 目 录
第1章 绪论............................................................1
1.1问题的提出...................................................1
1.2国内外研究现状................................................1
1.2本文研究的主要内容、目标与方法................................2
第2章设计方案的确定...............................................3
2.1备选方案.....................................................3
2.1.1方案a....................................................3
2.1.2方案b....................................................3
2.1.3方案c....................................................4
2.2 方案确定.....................................................4
2.2.1机构方案确定.............................................4
2.2.2减速方案的确定...........................................4
第3章 确定机构尺寸................................................5
3.1根据所给数据确定杆长..........................................5
3.2建模..........................................................6
3.3 凸轮设计......................................................6
3.3.1原理......................................................6
3.3.2基圆半径..................................................6
第4章 运动分析及公式推理..........................................7
4.1导杆........................................................7
第5章 静力分析....................................................9
5.1 曲柄..........................................................9
5.2 导杆..........................................................9
5.3 滑块.........................................................10
5.4 连杆.........................................................10
第6章 分析结果...................................................12
6.1 位移线图.....................................................12
6.2 速度线图.....................................................12
6.3 加速度线图...................................................13
6.4 力矩变化曲线.................................................13
6.5 根据反转法画凸轮和滚子.......................................14
结论...................................................................15
总结.............................................................15
参考文献...........................................................16
第1章 绪论
1.1问题的提出
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。但现有的牛头刨床，大都是结构复杂，笨重且精度不高，所以本文希望可以设计一种结构简单，符合牛头刨床运动的机构。
1.2国内外研究现状
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。
图1-1为其参考示意图。电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程H 中，前后各有一段0.05H 的空刀距离，工作阻力F 为常数；刨刀左行时，即为空回行程，此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，凸轮8通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。
图1-1（参考示意图） 图1-2（切削阻力变化图）
1.3本文研究的主要内容、目标与方法
本文根据牛头刨床的特性，为了能设计出结构简单，符合运动要求的结构，设计了三种不同的机构，通过对比分析，选择了导杆机构和摇杆滑块机构串联而成的机构。该方案传力特性好，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。
根据已给的数据算出符合运动条件的机构杆长，凸轮基圆，齿轮传动比，建立三维模型，用adams 建模，得出位移线图，速度线图，再根据位移线图利用反转法求出凸轮外形，并用cad 画出图形
图 1-3（牛头刨床结构简图）
第2章 设计方案的确定
2.1备选方案
2.1.1方案a
图 2-1（方案a ）
如图2-1，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。
2.1.2方案b
图2-2（方案b ）
如图2-3，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K 的增大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（a ）更大。
2.1.3方案c
图2-3（方案c ）
如图2-3，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。
2.2方案确定
2.2.1 机构方案确定
比较第1节三种方案，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。
2.2.2减速方案的确定
构思一个合理的传动系统。它可将电机的高速转动（960 转/分）变换为执行机构的低速转动。构思机构传动方案时，能较为合理地分配各部分的传动比，最后绘出机构传动示意图如图2-4。
图2-4（机构传动示意图）
因为执行机构的低速转动 （49转/分）
N=49*(2~3)*(8~12)=784~1764
所以取n=1000，满载转速为n=960
所以总的减速比 为960/49=19.59
第3章确定机构的尺寸
已知条件：刨刀的行程H=300 mm ； 行程速比系数K=1.4；最大切削阻力 Pr=4600；机架350mm ；连杆与导杆之比为0.3
3.1根据所给数据确定杆长
极位夹角: θ=180︒
H 13001l BO 4===580 导杆长度：2sin 2sin 15 2L BC =0. 3⨯580=174 连杆长度： L BC =0. 3
θ 曲柄长度
l AO 2=l O 2O 4sin =350⨯sin 15=912
为了使机构在运动过程中具有良好的传动力特性；即要求设计时使得机构的最大压力角具有最小，, 应此分析得出:只有将构件5即B 点移到两极限位置连线的中垂线上, 才能保证机构运动过程的最大压力角具有最小值。分析如下：
当导杆摆到左边最大位置时，最大压力角为α3，刨头可能的最大压力角位置是k -11. 4-1=180︒=30οk +11. 4+1
θ导杆B 和，设压力角为α1 ，α2 （见下图）。根据几何关系α3=+α1。由于α2与α1，2
B ' α3呈背离关系，即α2增加则α1，α3减小且α3＞α1。则要使机构整体压力最小，
1θ
l BO 4(1-cos )
α当刨头处于导杆摆弧平α1均置处 =α2， 只要有α2=3，则 arcsin α2=l BC
y
CO 4
=L
BO 4
1θ1
-L BO 4(1-cos ) =580-⨯580(1-cos 15) =580-9. 9=570. 1222
图3-1（牛头刨床简图）
3.2建模
根据已知数据和求出的数据用solidworks 建模如图3-2
图3-2（solidworks 建模）
3.3凸轮设计
3.3.1原理
设计凸轮轮廓依据反转法原理。即在整个机构加上公共角速度（－ω）（ω为原
凸轮旋转角速度）后，将凸轮固定不动，而从动件连同机架将以（－ω）绕凸轮轴心O2逆时针方向反转，与此同时，从动件将按给定的运动规律绕其轴心O9相对机架摆
动，则从动件的尖顶在复合动中的轨迹就是要设计的凸轮轮廓。
3.3.2基圆半径
基圆半径受到以下三方面的限制：
① 基圆半径r0应大于凸轮轴的半径rs ；
② 应使机构的最大压力角αmax 小于或等于许用压力角[α]； ③ 应使凸轮实际廓线的最小曲率半径大于许用值，即ρsmin ≥[ρ
⎡ds ⎤
⎢d ϕ-e ⎥
2
Romin =⎢-s ⎥+e
⎢tan α⎥⎢⎥⎣⎦
2
（ds /d δ）α' ]+(ds /d δ) p ' tan[α]-(S p -S p ' ) tan[α]tan[α' ]p tan[
e 0=
tan[α]+tan[α' ]最后得到的数据如表3-1
表3-1求得数据表
第4章运动分析及公式推理
4.1导杆的运动分析
要求：导杆机构的运动分析。根据已定出的尺寸参数及原动件转速n, 用解析法
求出当曲柄转角θ1从刨头处于最左侧起，沿转动方向没隔10度计算一组运动参数，其中包括各构件的角位置，角速度，角加速度以及刨头的位移（以最左侧为零点），速度和加速度；并用计算机辅助设计在同一副图中绘出刨头的位移曲线，速度曲线和加速度曲线，并分析结果合理性步骤：
图4-2（运动分析简图）
如图4-2，建立一直角坐标系，并标出各杆矢及其方位角
由封闭形O2AO402可得： l 7+l 2=s 4 （l 7为机架）
分别在X ，Y 轴上投影可得： l 2cos θ2=s 4cos θ4 （1） l 7+l 2sin θ2=S 4sin θ4 （2）
由封闭图形O 2BCG O 2可得： l 4+l 5=l 7+s c （l ' 7为o 4G 的距离） 分别在X ，Y 轴上投影得； l 4cos θ4+l 5cos θ5=s c （3）
’
l 4sin θ4+l 5sin θ5=l 7 （4）
联解（1）（2）（3）（4）得：
θ4=arctan
l 7+l 2sin θ2
θ2∈[0,π/2]⋃[3/2π,2π]
l 2cos θ2
l 7+l 2sin θ2
θ2∈[π/2,3/2π]
l 2cos θ2
θ4=π+ arctan
'
l -l sin θ
θ5=arcsin 74 θ2∈[0,/π2]⋃[3/2π,2]π
l 5l -l sin θ
θ5=π- arcsin 74 θ2∈[π/2,3/2π]
l 5C 点的位移：s c = l4cos θ4+ l5cos θ5
'
C 点的速度：V C =-
ϖ4L 4sin(θ4-θ5)
cos θ5
22
α4l 4sin(θ4-θ5) +ϖ4L 4cos(θ4-θ5) +ϖ5L 5
C 点加速度： a c =-
cos θ5
第5章 静力分析
5.1 曲柄
图5-1（曲柄受力图）
F x =0 F 21x +F 02x =0
F y =0 F 21y +F 02y =0
M 02=0 F 21x l 1sin θ2-F 21y l 1cos θ2-T n =0
5.2导杆
图5-2（导杆受力图）
F x =0, F 04x +F43x -F 23sin θ4=0 ；
F y =0, F 04y +F43y + F23cos θ4-m 2g=0；
M 04=0, - F43x l 3sin θ4+ F43y l 3cos θ4-1/2 m2g l3cos θ3+ F23s 3=0
5.3滑块
图5-3（滑块受力图）
a F =0, F
x
o
32
sin θ3-F 23x =0
32
a F =0, - F
y
o
cos θ4-F 12y =0
5.4连杆
图5-4（连杆受力图）
a a
o o
o
F x =0, -F 34x -F max =0；
F y =0, F cy -F 34y =0；
04
a M
=0， F cy l 4cos θ5+ Fmax l 4sin θ5=0
综上所述联立方程求得
F 34x =- Fmax F cy =- Fmax tan θ5 F 34y =- Fmax tan θ5
F 23=（F max l 3sin θ4- Fmax tan θ5l 3cos θ4+1/2 m2g l3cos θ4）/ s3 F O 4x =- Fmax +（F max l 3sin θ4- Fmax tan θ5l 3cos θ4+1/2 m2g l3cos θ4）sin θ3/ s3 F O 4y = m 2g- F max tan θ5-（F max l 3sin θ4- F max tan θ5l 3cos θ4+1/2 m 2g l 3cos θ4）cos θ4/ s3
F 12x =-（F max l 3sin θ4- Ftanθ5l 3cos θ4+1max /2 m2g l3cos θ4）sin θ4/ s3 F 12y =（F max l 3sin θ4- Fmax tan θ5 l 3cos θ4+1/2 m2g l3cos θ4）cos θ4/ s3
F o 2x = F12x
F o 2y = F12y
T N =（F max l 3sin θ4- Fmax tan θ5l 3cos θ4+1/2 m2g l3cos θ4）l 1cos(θ2-θ4)/ s3
第6章 分析结果
6.1刨头的位移曲线
图6-1（位移曲线）
6.2刨头的速度曲线
图6-2（速度曲线）
6.3刨头的加速度曲线
图6-3（加速度曲线）
6.4平衡力矩的变化曲线
图
6-4（平衡力矩曲线）
6.5根据反转法画凸轮和滚子
图6-5（凸轮理论轮廓）
图6-6（凸轮实际轮廓）
结论
在本设计中，我经过多种方案的设计，定性的选择了一种比较优化的结构，然后根据已知数据求得了机构的极位夹角和杆长，还设计了相应的凸轮，最后，经过解析法和运动仿真得出了机构的运动线图，速度线图和加速度线图，经分析，该结构简单、合理，能够达到牛头刨床的运动要求
总结
通过本学期的课程设计，我学到了很多，机构的选择，让我更加了解各种机构的特性，杆长的计算让我加深了机械原理中学到的知识，总之这次课程设计让我这学期非常有意义，虽然这期间有过很多困难，但是经过不懈努力，终于解决了困难，完成了设计。
西南交通大学本科教学改革-机械原理 第 16 页 参考文献
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2. 吴克坚，于晓红，钱瑞明主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2003
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6. 杨可桢，程光蕴主编. 机械设计基础（第四版）. 北京：高等教育出版社，1999
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8. 刘会英，于春生主编. 机械设计基础. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1997
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