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1、机械原理课程设计实习报告 课题： 牛头刨床机构设计 专业： 班号： 学号： 姓名： 指导老师： 日期： 目录一、设计任务3二、牛头刨床工作原理3三、原始参数3四、导杆机构的运动综合4五、用解析法作导杆机构的运动分析5六、平衡力矩分析10七、导杆机构的动态静力分析11八、行星轮系设计15九、变位齿轮设计17十、课程设计总结与感想18附录一：运动分析编程源代码19附录二：平衡力矩分析编程源代码21附录三：动态静力分析编程源代码23 参考文献 28一、设计任务1牛头刨床刀杆机构的运动综合、运动分析和动态静力分析；2对牛头刨床传动装置中行星轮机构、齿轮机构进行综合。二、牛头刨床工作原理牛头刨床是一种用
2、于平面切削加工的机床，电动机经行星轮系和齿轮Z4、 Z5减速带动曲柄2转动。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头和刨刀作往复运动。刨头向左时，刨刀进行切削，这个行程称工作行程，刨头受到较大的切削力。刨头右行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产力。三、原始参数H：刨头行程 ； K：行程速比系数； Fc切削阻力 ； m4 m5 m6分别为导杆、连杆及刨头的质量；J4、J5分别分别为导杆4及导杆5绕各自质心的转动惯量；m1、mH分别为行星减速器中心轮及齿轮4、5的模数；Z4，Z5为齿轮4及5的齿数；n1：电机转速；n2：曲柄2及齿轮5的转速；k：行星轮个数。导杆机构的
3、运动分析和运动综合导杆机构的动力分析HKlO2O3lO3O4/lO3BlBF/lO3BlBS5/lBFm4 m5m6Js4Js5FC单位mmmmkg kg.m2kg35001.54300.50.320.5 203621.20.0251500 行星轮设计变位齿轮n1n2K类型m1Z4Z5mH单位rpmmmmm310008032K-H 416481420四、导杆机构的运动综合1、导杆的摆角K=1.5则：=180K-1K+1=362、导杆的长度L4H=500mm则：L4=H2sin2=809.02mm3、连杆的长度L5L5=0.32L3=258.9mm4、刨头导路中心线xx至O3点的垂直距离LO3D
4、LO3E=L4COS2=769.4mm根据已知xx被认为通过圆弧BB的绕度ME的中点D知LO3D =LO3M-LDM=L4-L4-LO3E2=789.2mm5、曲柄的长度L2LO2O3=430mm则：L2=LO2O3sin2=132.9mm6、切削越程长度0.05H，如图所示则切削越程长度为0.05H=0.05500=25mm7、机构运动简图8、计算机构的自由度F=3527=1五、用解析法作导杆机构的运动分析如图所示，先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及其方位角。其中共有四个未知量4、5、LO3A、SF。为求解需建立两个封闭的矢量方程，为此需利用两个封闭的图形O3AO2O3及O3BFDO3，由
5、此可得：1,建立机构的闭环矢量方程；LO3O2+L2=LO3A 1LO3D+SF=L4+L5 2只要能满足几何装配条件，在机构运动的任何位置都能满足该位移方程。向x，y方向投影的：由1可得：SF=L4cos4+L5cos5 LO3D=L4sin4+L5sin5由2可得：L2cos=LO3Acos LO3O2+L2sin=LO3Asin解得：SF=L4cos+L5cos5 4=arccos（L2cosLO3A） 5=arcsin（LO3D-L4sin）L5 LO3A=(LO3O2)+(L2)+2LO3O2L2sin1/2 即可求得4、5、LO3A、SF四个运动变量。2，对时间取一阶导数写成矩阵形
6、式，得到速度方程式。其中vr是滑块相对与导杆4的相对速度。 -1 -L4sin -L5sin5 0 vF 00 L4cos L5cos5 0 w4 = w2 0 0 -LO3Asin 0 cos w5 -L2sin 0 LO3Acos 0 sin vr L2cos3，对时间取二阶导数，写成矩阵形式，得到加速度方程式。其中ar是滑块相对于导杆4的相对加速度。 -1 -L4sin -L5sin5 0 aF 00 L4cos L5cos5 0 4 = (w2) 0 0 -LO3Asin 0 cos 5 -L2cos0 LO3Acos 0 sin r -L2sin 0 -w4L4cos -w5L5co
7、s5 0 vF- 0 - w4L4sin -w5L5sin5 0 w4 0 -w4LO3Acos-vrsin 0 -w4sin w5 0 -w4LO3Asin+vrcos 0 w4cos vr4，杆4 的质心速度和加速度 v4x v4= 0.5L4w4，v4x=- v4sin4，v4y=-v4cos4 v4 a4y B a4x= -0.5L4w24cos4-0.5L44sin4 a4 a4x a4y=-0.5L4w24sin4+0.5L44cos4 an4 S4 v4y5，杆5 的质心加速度 v5y O3 v5x=vF-v5sin5=vF-0.5L5w5sin5 v5 a5y v5y=v5co
8、s5=0.5L5w5cos5 a5 an4 F a5x=aF+0.5L5w25cos5-0.5L55sin5 B S5 aF a5x vF v5x a5y=0.5L5w25sin5+0.5L55cos5根据以上各式，将已知参数代入，即可应用计算机计算。并根据所得数值作出机构的位置线图、速度线图、加速度线图。这些线图称为机构的运动线图。通过这些线图可以一目了然的看出机构的一个运动循环中位移、速度、加速度的变化情况，有利于进一步掌握机构的性能。（程序见附录）位移线图速度线图加速度线图结论：从位移线图可以看出，在一个周期内，运动轨迹具有封闭性，且幅度适中满足要求。从速度线图来看，进程时速度变化慢，数
9、值小，回程时，速度变化快，数值大，满足要求。从加速度线图看，前段平稳，后端变化大。综合位移，速度，加速度的曲线图来看，设计尺寸基本满足要求。六、 平衡力矩分析 1、数学建模系统中惯性力的功率：P4=-m4a4xv4x-m4a4yv4y P5=-m5a5xv4x-m5a5yv5y P6=-m6aFvF切削阻力的功率：Pf=-FCvF所以MPW2+P4+P5+P6+Pf=0MP=(m4a4xv4x+m4a4yv4y+m5a5xv4x+m5a5yv5y+m6aFvF+FCvF)W2 2、编程及求解结果（程序见附录二）平衡力矩图3、 结论：由上图可以看出平衡力矩在工作行程中有两次突变，这满足正常切削的
10、要求；其中后半部分图线比前半部分的陡峭，说明在空回行程给杆4、5、6提供的能量大，从而达到急回的目的。七、 导杆机构的动态静力分析(受力分析时不计摩擦) 1、数学建模 1对刨刀进行受力分析 y FR16 FR56y F6 FC FR56X x O G6则：X0, F6+FC+FR56x=0 1Y0,FR16+FR56yG6=0 2其中F6=-m6aF（2）对5杆进行受力分析 FR65y X=0,F5x+FR65x+FR45x=0 3 F5y F FR45y M5 F5x FR65x B S5 Y=0,FR45y+F5y-G5+FR65y=0 4 FR45x G5MS4=0,M5+(FR45x-
11、FR65x)0.5L5sin5-(FR45y-FR65y)0.5L5cos5 =0 (5) 其中F5x=-m5a5x ，F5y=-m5a5y ，M5=-JS55联立（1）（2）（3）（4）(5)各式可以得到矩阵形式如下： 1 0 0 0 0 FR56x -F6-FC 0 1 1 0 0 FR56y G6 -1 0 0 1 0 FR16 = -F5x 式（7-1） 0 -1 0 0 1 FR45x -F5y+G5sin5 cos5 0 sin5 cos5 FR45y -2M5L5 (3)对4杆进行受力分析 FR54y X=0, FR54x +FR34x +F4x +FR14x=0 6 FR34y
12、 B FR54xY=0, FR54y+FR34y+F4y+FR14y-G4=0 7 FR34x MS4=0,M4-FR54x -FR14x0.5L4sin F4y A +FR54y +FR14y0.5L4cos M4 S4 F4x + FR34xLO3A-0.5L4sin G4 +FR34yLO3A-0.5L4cos4=0 8 其中 F4x=-m4a4x，F4y=-m4a4y FR14y M4=-JS44 FR14x O3 4对滑块3受力分析（不计质量） FR23y X=0, FR23x +FR43x=0 9 FR43y Y=0, FR23y+FR43y=0 10（5）对原动件曲柄2进行受力分
13、析 FR43x FR23x FR12y O2 FR12x MP FR32y FR32x A 曲柄2不计重力，且转动的角速度一定，角加速度为零，惯性力矢和惯性力矩都为零X=0，FR32x+FR12x=0 11Y=0,FR12y+FR32y=0; 12Mo2=0,FR32xL2sin2+FR32yL2cos2+MP=0; (13)联立613并写成矩阵形式： 1 0 1 0 0 1 0 1 LO3A-0.5L4sinLO3A-0.5L4cos4 0.5L4sin0.5L4cos sin2 cos2 0 0 FR34x -FR54x-F4x FR34y G4-FR54y-F4yFR14x -M4+FR
14、54x0.5L4sin4-FR54y0.5L4cos 式（7-2）FR14y MPL22、编程及求解结果（根据式（7-1）和（7-2）编程求解，程序见附录三） 图（7-1） 图（7-2）3、结论：图（7-1）中各力的数值不是很大，对机架的冲击较小，损害较小，使用寿命长;图（7-2）中曲线的波动比较大，各力的数值很大，对机架和机座的冲击大，损害太大，所以该方案不是很合理。八、行星轮系设计已知Z4=16， Z5=48， n1=1000rpm， i45=n4n5=Z5Z4=3 nH=n4=3n5=3n2=240rpm i1H=n1nH=1000240=256行星轮系的设计必须满足四个条件：（1） 传
15、动比条件固定行星架H（2） 同心条件（3） 均布条件（4） 邻接条件由以上各式可得配齿公式Z1 : Z2 : Z3 : N=Z1 :1312 Z1:196Z1:2518Z1且Z1 Z2 Z3为整数，齿轮结构要紧凑则Z1=36 Z2=39 Z3=114 由于各齿轮的齿数都大于17，故为标准齿轮传动。行星系齿轮的参数Z1 , Z2 , Z3 互相啮合模数相等m1=4d1=m1Z1=144mmd2=m1Z2=156mmd3=m1Z3=456mmha1=ha2=hf3=h*am1=4mmhf1=hf2=ha3=h*a+c*m1=5mmdb1=d1cos=135.32mmdb2=d2cos=146.59
16、mmdb3=d3cos=428.50mmp1=p2=p3=m1=12.56mms1=s2=s3=m12=6.28mme1=e2=e3=6.28mm九、变位齿轮设计（1）确定传动类型已知Z4=16 ， Z5=48 ， mH=14mm ，=20acos=acos得：a=aX1+X2=inv-inv(Z4+Z5)2tan=0X1=-X2所以为等变位齿轮传动。(2)确定变位系数对于变位齿轮，为有利于强度的提高，小齿轮4采用正变位，大齿轮5采用负变位，使大小齿轮的强度趋于接近，从而使齿轮承载能力提高。X1min = h*a（Zmin-Z4)Zmin=0.0588X2min = h*a（Zmin-Z5)Z
17、min=-1.8235则取X1=0.0588 X2=-0.0588满足X2X2min(3)检验重合度r4=mHZ42=112mm r5=mHZ52=336mmra4=r4+(h*a+X1)mH=126.8mmra5=r5+(h*a+X2)mH=349.2mma4=arccos（r4cos20ra4）=33.9a5 =arccos（r5cos20ra5）=25.3a=Z4（tana4-tan）+Z5(tana5+tan)2得：a=1.6151.3故满足重合度要求(4) 验证正变位齿顶齿厚：a4=arccos（rb4ra4）=33.90s4=m4（/2+2xtan）=22.60mm查机械手册可知系
18、数在0.25-0.4之间，所以：Sa4=s4rb4/r4-2ra4（inva4-inv）=8.90.4mH=5.6 故该齿轮合格(5)变位齿轮4、5的几何尺寸变位系数x1= x 2= 0.0588节圆直径d4= d4= Z4 mH = 224mmd5 = d 5= Z5m H=672mm啮合角 = =20齿顶高h a 4=（h* a+ x1）mH= 14.823mmha5=（h* a+ x 2）mH= 13.177mm齿根高hf 4=（h*a + c* x1）mH =16.677mmhf5=（h*a + c* x 2）mH =18.323mm齿顶圆直径da4= d4+ 2ha4= 253.64
19、6mmda5= d5+ 2ha5= 698.354mm齿根圆直径df4= d4 2hf4= 190.646mmdf5= d 5 2h f5= 635.354mm中心距a=d1 + d22=448mm中心距变动系数y = 0齿顶高降低系数 y=0 十、课程设计总结与感想 机械原理课程设计是机械设计制造及其自动化专业教学活动中不可或缺的一个重要环节。作为一名机械设计制造及其自动化大二的学生，我觉得有这样的实训是十分有意义的。在已经度过的一年半的生活里我们大多数接触的不是专业课或几门专业基础课。在课堂上掌握的仅仅是专业基础理论面，如何去面对现实中的各种机械设计？如何把我们所学的专业理论知识运用到实践
20、当中呢？我想这样的实训为我们提供了良好的实践平台。 两周的机械原理课程设计就这样结束了，在这次实践的过程中学到了很多东西，既巩固了上课时所学的知识，又学到了一些课堂内学不到的东西，还领略到了别人在处理专业技能问题时显示出的优秀品质，更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化。自己的计算机绘图水平也有了一定的提高，并对所学知识有了进一步的理解。附录一：运动分析编程源代码%一.运动分析编程H=0.5;%行程单位mL2=0.1329;%O2A的长度单位mL4=0.80902;%O3B的长度单位mL5=0.2589;%BF的长度单位mLO2O3=
21、0.430;%O2O3的长度单位mLO3D=0.7892;%O3D的长度单位mW2=8*pi/3;%角速度单位rad/stheta2=linspace(-18,342,100);%单位度theta2=theta2*pi/180;%转换为弧度制dtheta2=theta2(2)-theta2(1);%角度间隔for i=1:100theta2(i)=theta2(1)+dtheta2*(i-1);%角度因素end%1,位移图像编程LO3A=(LO2O3)2+(L2)2-2*LO2O3*L2*cos(theta2+pi/2).0.5;%求出O3A的值for i=1:100%求解角度theta4、t
22、heta5和SF的长度theta4(i)=acos(L2*cos(theta2(i)/LO3A(i);theta5(i)=asin(LO3D-L4*sin(theta4(i)/L5);SF(i)=L4*cos(theta4(i)+L5*cos(theta5(i);end%求解完成figure(1);%画图plot(theta2,SF,-);grid on;xlabel(角度theta2);ylabel(SF);title(位移SF);axis(theta2(1) ,theta2(100),0,0.6);%2,速度图像编程for i=1:100%求解Vr、W4、W5和VF四个变量J=inv(-1
23、,-L4*sin(theta4(i),-L5*sin(theta5(i),0; 0,L4*cos(theta4(i),L5*cos(theta5(i),0; 0,-LO3A(i)*sin(theta4(i),0,cos(theta4(i); 0,LO3A(i)*cos(theta4(i),0,sin(theta4(i);K=J*W2*0;0;-L2*sin(theta2(i);L2*cos(theta2(i);VF(i)=K(1);W4(i)=K(2);W5(i)=K(3);Vr(i)=K(4);end%求解完成figure(2);%画图plot(theta2,VF,-);grid on;xl
24、abel(角度theta2);ylabel(VF);title(速度VF);axis(theta2(1) ,theta2(100),-2,4); %3，加速度图像编程for i=1:100 %求解aF、a4、a5、ar四个变量 J=inv(-1,-L4*sin(theta4(i),-L5*sin(theta5(i),0; 0,L4*cos(theta4(i),L5*cos(theta5(i),0; 0,-LO3A(i)*sin(theta4(i),0,cos(theta4(i); 0,LO3A(i)*cos(theta4(i),0,sin(theta4(i);P=W2*W2*0;0;-L2*c
25、os(theta2(i);-L2*sin(theta2(i);M=0,-W4(i)*L4*cos(theta4(i),-W5(i)*L5*cos(theta5(i),0; 0,-W4(i)*L4*sin(theta4(i),0,-W5(i)*L5*sin(theta5(i);0,-W4(i)*LO3A(i)*cos(theta4(i)-Vr(i)*sin(theta4(i),0,-W4(i)*sin(theta4(i); 0,-W4(i)*LO3A(i)*sin(theta4(i)+Vr(i)*cos(theta4(i),0,W4(i)*cos(theta4(i);N=VF(i);W4(i);
26、W5(i);Vr(i);K=J*(P-M*N);aF(i)=K(1);a4(i)=K(2);a5(i)=K(3);ar(i)=K(4);end%求解完成figure(3);%画图plot(theta2,aF,-);grid on;xlabel(角度theta2);ylabel(aF);title(加速度aF);axis(theta2(1) ,theta2(100),-30,30);%4,杆4，5的质心速度和加速度编程for i=1:100 v4x(i)=-0.5*L4*W4(i)*sin(theta4(i);v4y(i)=-0.5*L4*W4(i)*cos(theta4(i);v5x(i)=V
27、F(i)-0.5*L5*W5(i)*sin(theta5(i);v5y(i)=0.5*L5*W5(i)*cos(theta5(i);a4x(i)=0.5*L4*(-(W4(i)2*cos(theta4(i)-a4(i)*sin(theta4(i);a4y(i)=0.5*L4*(-(W4(i)2*sin(theta4(i)+a4(i)*cos(theta4(i);a5x(i)=aF(i)+0.5*L5*(W5(i)2*cos(theta5(i)-0.5*L5*a5(i)*sin(theta5(i);a5y(i)=0.5*L5*(W5(i)2*sin(theta5(i)+0.5*L5*a5(i)*
28、cos(theta5(i);end附录二：平衡力矩分析编程源代码%求解平衡力矩编程H=0.5;%行程单位mL2=0.1329;%O2A的长度单位mL4=0.80902;%O3B的长度单位mL5=0.2589;%BF的长度单位mLO2O3=0.430;%O2O3的长度单位mLO3D=0.7892;%O3D的长度单位mm4=20;m5=3;m6=62;W2=8*pi/3;%角速度单位rad/stheta2=linspace(-18,342,100);%单位度theta2=theta2*pi/180;%转换为弧度制dtheta2=theta2(2)-theta2(1);%角度间隔for i=1:10
29、0theta2(i)=theta2(1)+dtheta2*(i-1);%角度因素endLO3A=(LO2O3)2+(L2)2-2*LO2O3*L2*cos(theta2+pi/2).0.5;%求出O3A的值for i=1:100%求解角度theta4、theta5和SF的长度theta4(i)=acos(L2*cos(theta2(i)/LO3A(i);theta5(i)=asin(LO3D-L4*sin(theta4(i)/L5);SF(i)=L4*cos(theta4(i)+L5*cos(theta5(i);end%求解完成for i=1:100%求解Vr、W4、W5和VF四个变量J=in
30、v(-1,-L4*sin(theta4(i),-L5*sin(theta5(i),0; 0,L4*cos(theta4(i),L5*cos(theta5(i),0; 0,-LO3A(i)*sin(theta4(i),0,cos(theta4(i); 0,LO3A(i)*cos(theta4(i),0,sin(theta4(i);K=J*W2*0;0;-L2*sin(theta2(i);L2*cos(theta2(i);VF(i)=K(1);W4(i)=K(2);W5(i)=K(3);Vr(i)=K(4);end%求解完成for i=1:100 %求解aF、a4、a5、ar四个变量 J=inv(
31、-1,-L4*sin(theta4(i),-L5*sin(theta5(i),0; 0,L4*cos(theta4(i),L5*cos(theta5(i),0; 0,-LO3A(i)*sin(theta4(i),0,cos(theta4(i); 0,LO3A(i)*cos(theta4(i),0,sin(theta4(i);P=W2*W2*0;0;-L2*cos(theta2(i);-L2*sin(theta2(i);M=0,-W4(i)*L4*cos(theta4(i),-W5(i)*L5*cos(theta5(i),0; 0,-W4(i)*L4*sin(theta4(i),0,-W5(i)
32、*L5*sin(theta5(i);0,-W4(i)*LO3A(i)*cos(theta4(i)-Vr(i)*sin(theta4(i),0,-W4(i)*sin(theta4(i); 0,-W4(i)*LO3A(i)*sin(theta4(i)+Vr(i)*cos(theta4(i),0,W4(i)*cos(theta4(i);N=VF(i);W4(i);W5(i);Vr(i);K=J*(P-M*N);aF(i)=K(1);a4(i)=K(2);a5(i)=K(3);ar(i)=K(4);end%求解完成for i=1:100 v4x(i)=-0.5*L4*W4(i)*sin(theta4(
33、i);v4y(i)=-0.5*L4*W4(i)*cos(theta4(i);v5x(i)=VF(i)-0.5*L5*W5(i)*sin(theta5(i);v5y(i)=0.5*L5*W5(i)*cos(theta5(i);a4x(i)=0.5*L4*(-(W4(i)2*cos(theta4(i)-a4(i)*sin(theta4(i);a4y(i)=0.5*L4*(-(W4(i)2*sin(theta4(i)+a4(i)*cos(theta4(i);a5x(i)=aF(i)+0.5*L5*(W5(i)2*cos(theta5(i)-0.5*L5*a5(i)*sin(theta5(i);a5y
34、(i)=0.5*L5*(W5(i)2*sin(theta5(i)+0.5*L5*a5(i)*cos(theta5(i);end%1,给切削阻力赋值for i=1:100if(abs(SF(1)-SF(i)0.05*H&abs(SF(1)-SF(i)0.95*H)&(theta2(i)1.1*pi)Fc(i)=1500;elseFc(i)=0;endendfor i=1:100MP(i)=(m4*a4x(i)*v4x(i)+m4*a4y(i)*v4y(i)+m5*a5x(i)*v4x(i)+m5*a5y(i)*v5y(i)+m6*aF(i)*VF(i)+Fc(i)*abs(VF(i)/W2;en
35、d %求解完成figure(4);%画图plot(theta2,MP,-);grid on;xlabel(角度theta2);ylabel(MP(i);axis(theta2(1) ,theta2(100),-500,500);title(平衡力矩);附录三：动态静力分析编程源代码%动态静力分析编程H=0.5;%行程单位mL2=0.1329;%O2A的长度单位mL4=0.80902;%O3B的长度单位mL5=0.2589;%BF的长度单位mLO2O3=0.430;%O2O3的长度单位mLO3D=0.7892;%O3D的长度单位mg=9.8;m4=20;m5=3;m6=62;Js4=1.2;Js
36、5=0.025;Fc=1500;Ls4=0.5*L4;Ls5=0.5*L5;W2=8*pi/3;%角速度单位rad/stheta2=linspace(-18,342,100);%单位度theta2=theta2*pi/180;%转换为弧度制dtheta2=theta2(2)-theta2(1);%角度间隔for i=1:100theta2(i)=theta2(1)+dtheta2*(i-1);%角度因素endLO3A=(LO2O3)2+(L2)2-2*LO2O3*L2*cos(theta2+pi/2).0.5;%求出O3A的值for i=1:100%求解角度theta4、theta5和SF的长度theta4(i)=acos(L2*cos(theta2(i)/LO3A(i);theta5(i)=asin(LO3D-L4*sin(theta4(i)/L5);SF(i)=L4*cos(theta4(i)+L5*cos(theta5(i);end%求解完成for i=1:100%求解Vr、W4、W5和VF四个变量J=inv(-1,-L4*sin(theta4(i),-L5*sin(theta5(i),0; 0,L4*cos(theta4(i),L5*cos(theta5(i),0; 0,-LO3A(i)*sin(theta4(i),0,cos(theta4(i); 0,LO3A(
