机械基础
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项目1 机构分析与设计(载体:牛头刨床)

[项目任务描述]

完成牛头刨床的结构分析、导杆机构的设计与仿真分析、凸轮机构的设计。

1.牛头刨床的工作原理

牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床,图1-0-1为其结构示意图。电动机经过减速传动装置(带传动和齿轮传动)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工作台的间歇移动。

图1-0-1 牛头刨床结构示意图

图1-0-2为牛头刨床的主运动机构简图,电动机经V带和齿轮传动,带动曲柄2和固结在其上的凸轮2′。刨床工作时,由导杆机构1-2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀10做往复运动。当刨头右行时,刨刀进行切削,称为工作行程,此时要求速度较低并且均匀,以减小电动机容量和提高切削质量;当刨头左行时,刨刀不切削,称为空回行程,此时要求速度较高,以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次,利用空回行程的时间,凸轮2′通过四杆机构1-7-8-9与棘轮带动螺旋机构(图中未画),使工作台连同工件做一次进给运动,以便刨刀继续切削。刨头在工作行程中,受到很大的切削阻力(在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离,H为刨刀工作行程),而空回行程中则没有切削阻力。因此,刨头在整个运动循环中,受力变化很大,这就影响了主轴的匀速运转,故需安装飞轮来减小主轴的速度波动,以提高切削质量和减小电动机容量。

图1-0-2 牛头刨床的主运动机构简图

2.设计要求与设计数据

1)电动机轴与曲柄轴2平行,刨刀切削刃G点与铰链点C的垂直距离为50mm,水平距离为1.2H。使用寿命为10年,每日一班制工作,载荷有轻微冲击。

2)为了提高工作效率,在空回行程时刨刀快速退回,即要有急回运动,行程速比系数在1.4左右。为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量,在工作行程时,刨刀速度要平稳,切削阶段刨刀应近似匀速运动。允许曲柄2转速偏差为±5%。要求导杆机构的最大压力角应为最小值。

3)凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内,摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动。凸轮中点与推杆支点的距离为150mm,基圆半径为61mm,滚子半径为15mm。

4)执行构件的传动效率按0.95计算,系统有过载保护。按小批量生产规模设计。

5)曲柄转速为60r/min,刨刀的工作行程H在300mm左右为好。

设计的原始数据见表1-0-1。

表1-0-1 设计的原始数据

3.设计内容及工作量

1)绘制机构运动简图,并通过自由度的计算,判断其运动的确定性。

2)根据牛头刨床的工作原理,拟定2~3个其他形式的执行机构(连杆机构),并对这些机构进行分析对比。

3)导杆机构的设计。根据已知数据,确定导杆机构的运动尺寸,要求用图解法设计。可借助软件(如AutoCAD、Pro/E)画导杆机构的二维图,或进行建模、装配及运动仿真。

4)凸轮机构的设计。根据所给定的已知数据,确定凸轮的基本尺寸(基圆半径rb、机架和滚子半径rT),要求借助软件画出从动件的运动规律、凸轮机构的实际廓线和凸轮机构运动仿真模型。

5)编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程、图形等。