牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)及部件設(shè)計(jì)摘 要本論文首先介紹了牛頭刨床的工作原理，在滿足運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的條件下，設(shè)計(jì)了刨床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)尺寸，然后運(yùn)用 PRO/E 軟件對(duì)牛頭刨床主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模并裝配，并通過該軟件對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性進(jìn)行仿真，進(jìn)一步得出滑枕的位移、速度、和加速度隨時(shí)間的變化曲線,從而驗(yàn)證牛頭刨床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)尺寸的合理性。其次，根據(jù) MATLAB 軟件對(duì)刨床主運(yùn)動(dòng)仿真得出的受力分析結(jié)果，對(duì)部分桿件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核。關(guān)鍵詞：牛頭刨床，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，PRO/E，建模，運(yùn)動(dòng)仿真，校核IThe Actuator And Component Design Of ShaperABSTRACTThe working principle of shaping machine were introduced simply,the master-slave motion mechanism of shaper must meet its coordination , using Pro/ENGINEER ,the 3D solid model and assembly of the kinematic Mechanism in shaping machine were made,using Pro/ENGINEER software in the coordination of various institutions module for shaping machine movement simulation,the relation curves that displacement,velocity,and acceleration varies with time are obtained.According to stress analysis was carried out on the part of the bar intensity .KEY WORDS: shaping,coordinated movement,Pro/E,modeling,motion simulationII目 錄前 言 .1第 1 章 確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)尺寸 .31.1 確定六連桿機(jī)構(gòu)的尺寸 .31.2 確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 .41.3 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 51.4 確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸 .5第 2 章 執(zhí)行部分主傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及校核 .72.1 軸設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)介 .72.2 設(shè)計(jì)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 .72.2.1 計(jì)算傳動(dòng)主軸的功率 P、轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T.72.2.2 求作用在齒輪上的力 .82.2.3 初步確定軸的最小直徑及長(zhǎng)度 .82.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .82.3.1 擬定軸上零件的裝配方案 .82.3.2 確定軸的各段長(zhǎng)度和直徑 .92.3.3 求軸上的載荷 .92.4 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 .10第 3 章 擺桿的強(qiáng)度校核 .123.1 擺桿的力學(xué)分析 .123.2 擺桿的校核 .13第 4 章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維建模及裝配 .154.1 六連桿機(jī)構(gòu)的三維建模 .154.1.1 為執(zhí)行部分搖桿機(jī)構(gòu)中擺桿的三維實(shí)體建模 .164.1.2 圖 3.2 為六桿機(jī)構(gòu)中連桿的三維實(shí)體建模 164.1.3 圖 3.3 為與擺桿配合的滑塊三維實(shí)體建模 174.1.4 圖 3.4 為主傳動(dòng)軸上大齒輪的三維實(shí)體建模 174.2 四桿機(jī)構(gòu)的三維建模 .184.2.1 圖 3.5 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中直齒輪的三維實(shí)體建模 184.2.2 圖 3.6 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中連桿的三維實(shí)體建模 19III4.2.3 圖 3.7 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的三維實(shí)體建模 204.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維裝配 .204.3.1 圖 4.8 為牛頭刨床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維裝配建模 21第 5 章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 .225.1 滑枕行程的仿真輸出結(jié)果 .225.2 滑枕速度的仿真輸出結(jié)果 .235.3 滑枕加速度的仿真輸出結(jié)果 .23結(jié) 論 .24謝 辭 .26參考文獻(xiàn) .27外文資料翻譯 .280前 言牛頭刨床是最早應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)際中的金屬切削機(jī)床之一。機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到它所加工零件的產(chǎn)品質(zhì)量。制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化的源動(dòng)力，是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的支柱，是一個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)工業(yè)化之本，而評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的高低，首先取決于工作母機(jī)的加工質(zhì)量，也就是說機(jī)床的技術(shù)水平直接影響到制造業(yè)。刨床因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，相對(duì)其他機(jī)床來說，其加工平面的效率很高，所以一直到現(xiàn)在其在工廠的加工應(yīng)用很廣泛。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，牛頭刨床迎來了新時(shí)代，各種類型的刨床相繼研發(fā)出來，其類型主要由機(jī)械牛頭刨床，液壓牛頭刨床，數(shù)控牛頭刨床，等。每種類型的牛頭刨床都有其自身的特點(diǎn)和加工優(yōu)勢(shì)，但與國(guó)外同種類型的的牛頭刨床相比，我國(guó)的牛頭刨床的技術(shù)水平在某些方面仍然很有限，其加工精度與和效率與國(guó)外的機(jī)床相比還有一定的差距，很多核心技術(shù)還沒有完全國(guó)產(chǎn)化。在提高技術(shù)方面，我國(guó)的科研人員還需奮起直追，要走很長(zhǎng)的路。通過對(duì)傳統(tǒng)牛頭刨床基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的研究，加深了對(duì)刨床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性的理解，從而為研究高精度的牛頭刨床打下基礎(chǔ)。1.國(guó)外的研究狀況牛頭刨床在國(guó)外應(yīng)用比較早，所以研究也更深入。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)控技術(shù)蓬勃發(fā)展，數(shù)控刨床完全靠程序控制，調(diào)整時(shí)只需改變程序即可，無(wú)需人的參與，因此適應(yīng)性更強(qiáng)，加工范圍更廣，生產(chǎn)效率更高。國(guó)外各種數(shù)控刨床的類型非常齊全，加工精度高，因此廣泛應(yīng)用于各種柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線中。2.我國(guó)的研究狀況我國(guó)最早的牛頭刨床是 60 年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的，隨著工業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械牛頭刨床加工出零件的精度，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)品在裝配精度和產(chǎn)量上的要求，近年來我國(guó)牛頭刨床的研究形勢(shì)喜人，碩果累累，不同類型的刨床相繼研發(fā)出來，數(shù)控伺服系統(tǒng)也應(yīng)用其中。例如雙向數(shù)控曲面刨床，它既不像牛頭刨床，由不像傳統(tǒng)的龍門刨床，工作時(shí)刀具在雙向往復(fù)的切削曲面零件，這種刨床徹底顛覆了我們對(duì)傳統(tǒng)刨床的認(rèn)識(shí)，開創(chuàng)了刨床的新時(shí)代。但是和國(guó)外同種類型的刨床相比，我國(guó)的刨床在穩(wěn)定性、效率和加工精度方面還有欠缺。因此，應(yīng)用新興的先進(jìn)技術(shù)改造在線設(shè)備，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。1通過查閱資料及在實(shí)訓(xùn)中心參觀現(xiàn)有的刨床，確定了牛頭刨床的工作原理為：滑枕帶動(dòng)刨頭作往復(fù)直線切削運(yùn)動(dòng)，和工作臺(tái)做間歇直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平面的切削加工。工作臺(tái)的間歇送進(jìn)運(yùn)動(dòng)與刨頭的往復(fù)切削運(yùn)動(dòng)必須協(xié)調(diào)配合，工作臺(tái)的送進(jìn)應(yīng)在刀具非切削時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，其余時(shí)間保持不動(dòng)。牛頭刨床主要由床身、滑枕、刀架、工作臺(tái)、和橫梁等部分組成。其中床身用來支撐和連接刨床的各個(gè)部件，滑枕在其頂面的導(dǎo)軌上作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，橫梁在其側(cè)面的豎直導(dǎo)軌上作升降運(yùn)動(dòng)。床身內(nèi)部裝的變速機(jī)構(gòu)用來改變滑枕的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度，擺桿機(jī)構(gòu)則是通過改變曲柄的長(zhǎng)短來改變滑枕的行程長(zhǎng)度。滑枕主要的作用是用來帶動(dòng)刨刀作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（即主運(yùn)動(dòng)） 。滑枕前端裝有刀架，內(nèi)部裝有絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)裝置，可用來改變刨刀相對(duì)工件的往復(fù)行程位置。刀架的作用是夾持刀具， ，同時(shí)帶動(dòng)刨刀作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刨刀安裝在刀架上，在回程時(shí)，刨刀可繞 A 軸自由上抬，減少了刀具和工件的摩擦。工作臺(tái)用來安裝工件，其臺(tái)面上的 T 型槽可穿入螺栓來裝夾工件或夾具，工作臺(tái)可隨橫梁在床身的垂直導(dǎo)軌上作上下調(diào)整，同時(shí)也可在橫梁的水平導(dǎo)軌上作水平方向移動(dòng)和間歇的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。根據(jù)要求及給出的數(shù)據(jù)參數(shù)確定牛頭刨床六連桿機(jī)構(gòu)的基本尺寸數(shù)據(jù)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)有協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)計(jì)出從運(yùn)動(dòng)四連桿的尺寸及形狀，且要滿足其強(qiáng)度要求，應(yīng)用 Pro/E 軟件中的仿真模塊對(duì)其進(jìn)行三維建模和仿真，根據(jù)仿真結(jié)果修改相應(yīng)的尺寸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直至滿足要求。2第 1 章 確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)尺寸1.1 確定六連桿機(jī)構(gòu)的尺寸牛頭刨床六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如下圖 1。1 所示，其中曲柄 1 位原動(dòng)件，動(dòng)力提供經(jīng)由齒輪減速機(jī)構(gòu)傳遞過來，各連桿的結(jié)構(gòu)尺寸的確定如下：圖 1.1 六桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖由已知條件 n1=60 str/min H=650 K=1.7 Fr=9000N 得：極為夾角 =180（k-1/(k+1)=46.7°?由公式知導(dǎo)桿長(zhǎng)度 =H/2 =820㎜CDL)2/sin(?取 / =0.6 A則 =492㎜曲柄 L 在極限位置時(shí) / =BABC)/(?SIN則 =195㎜3連桿 與滑枕夾角去 25° 得DEL=H/2 =360㎜DEL)25(?COS又由三角函數(shù)知=890㎜E1.2 確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)擺桿 L 在右極限位置時(shí)，曲柄 開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角為 0°，且逆時(shí)針CDABL位正。由運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系知：滑枕在工作行程時(shí)即曲柄 在（0°－226.7°）內(nèi)AB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)靜止，當(dāng)滑枕回程時(shí)，工作臺(tái)必須在曲柄 在（226.7°L－360°）內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)完成進(jìn)給，設(shè)工作臺(tái)在 240°時(shí)開始進(jìn)給，刀具在切削前后各有一段約 0.05H 的空刀距離，其運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖如圖 1.2。圖 1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖1.3 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)給棘輪的齒數(shù) Z 可根據(jù)工作臺(tái)的最小進(jìn)給量 和所選擇的絲杠導(dǎo)程予min2f4以確定，取絲杠導(dǎo)程 P=6㎜ 又 =0.3㎜ =1.8㎜ min2f ax2f則棘輪齒數(shù) Z=P/ =20 進(jìn)給機(jī)構(gòu)中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的擺角 可以根據(jù)工作臺(tái)的最大進(jìn)給量確定，棘輪?所撥過的最多齒數(shù) Z'= / =6ax2finf則擺桿擺角 =360°/20*z'=108°選取棘輪的模數(shù) =2m則棘輪外徑 D =m*z=80棘1.4 確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸由運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 1.2 可知，主軸曲柄在（0o～240o）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工作臺(tái)不動(dòng)，主軸曲柄在（240o～360o）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)移動(dòng)，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在（240o～360o）時(shí)急回，則其極位夾角 θ'=240o-180o=60o，行程速比系數(shù) K'= =2。'180????顯然搖桿長(zhǎng)度應(yīng)大于棘輪半徑，即 L ' 'D /2CD棘取搖桿 L ' '=250㎜又因擺桿 L 在左極限位置時(shí) =325㎜，所以主從機(jī)構(gòu)的兩主軸不應(yīng)距CD2/H離太近，取 =470㎜。根據(jù)急回運(yùn)動(dòng)的要求設(shè)計(jì)從運(yùn)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)，利用機(jī)構(gòu)在極限位置時(shí)的幾何關(guān)系作圖 1.3,其中圖中 A、C 是圖 1.1 六桿機(jī)構(gòu)中的一部分。根據(jù)搖桿長(zhǎng)度 LC'D'及擺角 作出搖桿的兩極位 ' '及 ' '，分別作 '?1D2CC' '和∠ ' 'P=90o-θ'=30°， ' 與 ' 交于點(diǎn) P；作△ ' 'M?1C2121M2N12的外接圓，在圓上任意一點(diǎn) A'都滿足 ∠ ' ' '=60°，連接 ',取12AL '=280㎜ ，再連接直線 ' '與 ' '，故鉸鏈 A'的位置已確定。AC1由幾何關(guān)系知：L ' '=L ' '＋L ' '=471.91㎜2BL ' '=L ' '－L ' '=220.54㎜A1A求得四連桿的結(jié)構(gòu)尺寸為：L ' '=228㎜ DL ' '=250㎜CL ' '=343㎜ B5L ' '' =125㎜AB且 L ' '＋L ' 'L ' '＋L ' ' CDBC滿足桿長(zhǎng)條件。圖 1.3 曲柄搖桿的極限位置圖第 2 章 執(zhí)行部分主傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及校核2.1 軸設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)介6軸的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力校核兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要考慮到軸上零件的安裝、定位，還需考慮軸的材料和制造工藝，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。如果軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，不僅會(huì)增加軸上零件安裝定位的難度，還會(huì)對(duì)整個(gè)組件的工作能力造成影響，從而會(huì)降低軸和軸上安裝定位零件的壽命，增加成本，使機(jī)床的整體性價(jià)比降低。軸的工作能力的校核，是指對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和震動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。大多數(shù)情況下軸的工作能力取決于軸的強(qiáng)度，這時(shí)只需進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算，以防斷裂和塑性變形，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的軸，不僅需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，還需考慮其工作時(shí)震動(dòng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行震動(dòng)穩(wěn)定性校核，以防發(fā)生共振。2.2 設(shè)計(jì)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備2.2.1 計(jì)算傳動(dòng)主軸的功率 P、轉(zhuǎn)速 n 和轉(zhuǎn)矩 T根據(jù)牛頭刨床刨頭每分鐘的往復(fù)次數(shù)為 n1=60str/min 可知，n=n1=60r/min又根據(jù)前面減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、電動(dòng)機(jī)的選擇得出傳到執(zhí)行主軸的功率為P=2.323kW 于是T=9550000 =9550000* N.㎜≈369744N .㎜nP60322.2.2 求作用在齒輪上的力已知低速級(jí)圓柱斜齒輪的分度圓直徑為d2=mZ2=4*131=524mm 則Ft= =1411 N2TFr=Ft =1411* =529 N??cosan?68.13cos20tanFa=Fttanβ=1411*tan13.686°=345 N72.2.3 初步確定軸的最小直徑及長(zhǎng)度選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。由查手冊(cè)取 A0=112，于是得dmin=A0 =112* =37.9㎜3np3602.當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，為了抵消鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱，應(yīng)根據(jù)鍵槽的個(gè)數(shù)適當(dāng)增加軸徑。查得相關(guān)規(guī)定得知：有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大 10%~15%。此軸有兩個(gè)鍵槽，取 d Ⅰ-Ⅱ =44㎜應(yīng)為此處安裝斜大圓柱齒輪，取該段長(zhǎng)度 LⅠ-Ⅱ =56㎜2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 擬定軸上零件的裝配方案根據(jù)軸上零件裝配定位的要求作出走的裝配圖如下：圖 2.1 軸的結(jié)構(gòu)和裝配2.3.2 確定軸的各段長(zhǎng)度和直徑1. 為了滿足斜圓柱齒輪的軸向定位要求，Ⅰ-Ⅱ軸段右端需制出一軸肩，又Ⅱ-Ⅲ軸段上裝軸承， 由軸上零件的裝配方案知，軸承同時(shí)受到了徑向和軸向的作用力，故選單列圓錐滾子軸承。參照工作要求并根據(jù) dⅠ-Ⅱ =44㎜，查標(biāo)準(zhǔn)軸承產(chǎn)品目錄 ，初步選取 0 基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的單列圓錐滾子軸承 30212，其尺寸為 d*D*T=60㎜*110㎜*23.75㎜,故查表取 dⅡ-Ⅲ =60㎜，而 LⅡ-Ⅲ =70㎜。由定位方案知：左端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊(cè)上查得 30212型軸承的定位軸肩高度 h=8㎜，因此取 dⅢ-Ⅳ =76㎜，根據(jù)設(shè)計(jì)要求軸環(huán)寬度要b≧1.4h,取 LⅢ-Ⅳ =12㎜。82. 因考慮到潤(rùn)滑的作用，中間軸的直徑應(yīng)該小一些，取 dⅣ-Ⅴ =72㎜，L Ⅳ-Ⅴ =70㎜；剩余段還要安裝滾動(dòng)軸承，因?yàn)檩S承相同，所以取 dⅤ-Ⅵ =76㎜,L Ⅲ-Ⅳ =12㎜；d Ⅵ-Ⅶ =60㎜，L Ⅵ-Ⅶ =200㎜；在軸端最右端安裝一個(gè)齒輪取 LⅦ-Ⅷ =28㎜，dⅦ-Ⅷ =44㎜。3. 軸向零件的周向定位齒輪與軸的周向定位均采用平鍵連接。按 dⅠ-Ⅱ 由查表得平鍵截面 b*h=12*8,根據(jù)齒輪寬度 B=56㎜，取平鍵長(zhǎng)度為 44㎜，按 dⅥ-Ⅶ 由查表平鍵截面 b*h=12*8,鍵槽用專用鍵槽銑刀洗削加工，由和它配合的齒輪寬度 B=28㎜，取鍵槽長(zhǎng)度為24㎜。滾動(dòng)軸承與軸的軸向定位是由過度配合來保證的。2.3.3 求軸上的載荷根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)和裝配圖（圖 5.1）做軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 5.2 。由于軸承選用的是圓錐滾子軸承，其軸端支點(diǎn)不在軸承的中心位置時(shí)，應(yīng)從手冊(cè)查取?值。對(duì)于 30212 型圓錐滾子軸承，由手冊(cè)中查得?=22㎜。根據(jù)軸的機(jī)構(gòu)尺寸及裝配關(guān)系得：軸的支撐跨距 L=110㎜+12㎜+12㎜+1.75*2㎜=137.5㎜。由軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做軸的彎矩圖和扭矩圖見圖 5.2 ：9圖 2.2 軸的載荷分析圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面Ⅵ是軸危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的截面Ⅵ處的 MH、M V、及 M 的值列于下表。表 5-1載荷 水平面 H 垂直面 V支反力FFNH1=-4134N,FNH2=5334N FNV1=1020N,FNV2=470N彎矩 M MNH1=149919N·㎜,M NH2=224494N·㎜MV1=146596N·㎜,M V2=79084N·㎜總彎矩 M1= =209680N·㎜2214659?M2= =238016N·㎜708扭矩 T T=369744N·㎜2.4 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度10根據(jù)分析得知，此軸處于減速機(jī)構(gòu)的末端，考慮到工作需要及設(shè)計(jì)要求，此軸轉(zhuǎn)速不是太高，屬于低速旋轉(zhuǎn)的軸，只需進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算。校核時(shí)，通常只校核最大危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度。根據(jù)公式及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取 ?=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力為=ca?WTM232)(?根據(jù)危險(xiǎn)截面軸的形狀由查表得知：W≈ 31.0d故 = =15.1MPaca?T22)(??前已選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表查得[ ]=60MPa。因此 [1??ca?]，故安全。1??11第 3 章 擺桿的強(qiáng)度校核3.1 擺桿的力學(xué)分析根據(jù)圖 1.1 所建立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，及六桿機(jī)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，利用 MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算功能，建立模型的數(shù)學(xué)方程并求解，得出模型的位置方程，其中以曲柄逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值，設(shè)水平方向是轉(zhuǎn)角為 0o。在已知各構(gòu)件質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、原動(dòng)件均勻角速度 以及構(gòu)件 5 的切削力 Fr 情況1?下，根據(jù)力平衡和力矩平衡方程編寫程序，經(jīng)計(jì)算得出各運(yùn)動(dòng)副中的反力及平衡力矩分析線如下圖：1.圖 3.1 為擺桿受到構(gòu)件 2 和 3 隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的約束反力圖 3.1 擺桿受到的約束反力 F23 和 F34122.圖 3.2 擺桿受到的慣性力矩隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化圖圖 3.2 慣性力矩 M133.2 擺桿的校核根據(jù)約束反力及慣性力矩圖可以看出，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到約 260o 時(shí)，擺桿受到的約束反力和慣性力矩都是最大，由于忽略了摩擦、重力等因素，不考慮動(dòng)態(tài)特性的影響，根據(jù)軸向受力平衡及彎矩平衡， 求得約束反力 的大小與方向，作擺63F桿的受力簡(jiǎn)圖如圖：圖 3.4 擺桿受力簡(jiǎn)圖13根據(jù)擺桿的受力簡(jiǎn)圖，把力分解為沿桿 CD 軸線的分量 FN和垂直于 CD 桿的分量 FV，此時(shí)擺桿受到拉伸和彎曲組合變形力的作用，作擺桿 CD 的彎矩圖和軸力圖如下：圖 3.5 擺桿彎矩圖圖 3.6 擺桿所受軸向力由圖 3.5 可以看出在質(zhì)心位置慣性力矩的大小與模型輸出結(jié)果基本吻合。取擺桿材料為 Q235 鋼，經(jīng)查表知[ ]=100Mpa,計(jì)算時(shí)先不考慮軸向力 FN的作用，?只根據(jù)彎曲強(qiáng)度計(jì)算工字鋼，有公式得：W≥ = =12*103 mm3][maxM610*2N?查型鋼表，選取 8 號(hào)工字鋼，W=12.83*10 mm ,A=1230㎜ 。選定工字鋼后，2考慮軸力和彎矩的作用，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，| |=| |=| |=100.8*106pa=100.8Mpamaxc?AFNmax?362410*.10*3. mN????由結(jié)果得知：最大壓應(yīng)力與許用應(yīng)力接近相等，故無(wú)需重新選擇。14第 4 章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維建模及裝配軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(簡(jiǎn)稱 PTC)開發(fā)的，并于 1988 年推出第一個(gè)Eo/Pr版本，其后經(jīng)過 20 多年的改進(jìn)和發(fā)展，新的技術(shù)不斷應(yīng)用到軟件中，版本逐步更新，目前最新版本的 Creo5.0 包含了三維實(shí)體建模、磨具設(shè)計(jì)、電纜與管道布線、動(dòng)態(tài)模擬及仿真、有限元分析等等實(shí)用模塊，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工的全部過程。 因其強(qiáng)Eo/Pr大的功能，以及和其他軟件接口的完美兼容性，特別是其提出的參數(shù)化設(shè)計(jì)、單一數(shù)據(jù)庫(kù)等三維設(shè)計(jì)概念，使 PTC 公司成為三維 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域最優(yōu)秀的公司之一，是該領(lǐng)域里最亮麗的一面旗幟。4.1 六連桿機(jī)構(gòu)的三維建模啟動(dòng) 5.0 進(jìn)入工作區(qū)，擊“新建”命令，彈出新建類型對(duì)話框，選擇Eo/Pr新建類型為“零件” ，子類型為“實(shí)體” ，點(diǎn)擊 命令，在彈出的新文件選項(xiàng)對(duì)話框中選擇 ，點(diǎn)擊‘確定’按鈕，在系統(tǒng)新彈出的對(duì)話框中，單擊系統(tǒng)界面右側(cè)工具欄中的拉伸 按鈕，在拉伸操控板中點(diǎn)擊‘放置’ ，選擇合適的草繪界面，參照和方向選擇默認(rèn)值，做出零件的草繪圖，擊完成圖標(biāo)，生成所需要的三維實(shí)體。154.1.1 為執(zhí)行部分搖桿機(jī)構(gòu)中擺桿的三維實(shí)體建模圖 4.1 擺桿 L 三維造型CD4.1.2 圖 3.2 為六桿機(jī)構(gòu)中連桿的三維實(shí)體建模圖 4.2 連桿三維 L 造型DE164.1.3 圖 3.3 為與擺桿配合的滑塊三維實(shí)體建模圖 4.3 三維滑塊造型4.1.4 圖 3.4 為主傳動(dòng)軸上大齒輪的三維實(shí)體建模由結(jié)構(gòu)原理知：曲柄 L 連接在大傳動(dòng)齒輪上，根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比分配AB及齒輪尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成三維模型。17圖 4.4 主傳動(dòng)軸上大齒輪的三維造型4.2 四桿機(jī)構(gòu)的三維建模牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)的連接靠?jī)蓚€(gè)完全相同的齒輪嚙合來傳動(dòng)，從曲柄搖桿尺寸設(shè)計(jì)圖 1.3 得知：齒輪的分度圓直徑為 D=280㎜，選取模數(shù) =5，其m三維模型如下。4.2.1 圖 3.5 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中直齒輪的三維實(shí)體建模18圖 4.5 直齒輪的三維造型4.2.2 圖 3.6 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中連桿的三維實(shí)體建模圖 4.6 連桿 L ' '的三維造型BC194.2.3 圖 3.7 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的三維實(shí)體建模圖 4.7 搖桿 L ′ ′三維造型CD4.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維裝配根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型，利用 Pro/E 的虛擬裝配功能，在組件模式下作出牛頭刨床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)的裝配模型。裝配設(shè)計(jì)就是按照一定的順序把各個(gè)零件組裝成模型的過程，各零件之間通過一定的裝配約束來連接，從而確定個(gè)零件之間的空間關(guān)系，常用的裝配連接形式有銷釘連接、圓柱連接、滑動(dòng)桿連接、平面連接、軸承連接、剛性連接和焊接等。其中傳動(dòng)輪分別剛性連接在懸臂軸上，兩懸臂軸銷釘連接在箱體上，滑塊與擺桿采用滑動(dòng)桿連接，滑塊和傳動(dòng)輪之間采用銷釘連接，連桿和導(dǎo)桿之間同樣采用銷釘連接，搖桿和絲杠之間采用銷釘連接，外嚙合的兩個(gè)齒輪采用齒輪副連接。204.3.1 圖 4.8 為牛頭刨床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維裝配建模圖 4.8 牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)裝配模型21第 5 章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真打開 Pro/E5.0 軟件，在組件的裝配模式下，打開菜單欄 中的模塊，點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)樹中的 按鈕，添加伺服電動(dòng)機(jī)，在伺服電動(dòng)機(jī)定義對(duì)話框的輪廓選項(xiàng)中選擇‘速度’ ，給模數(shù) A 賦一固定值，讓軸以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)樹中的 按鈕，選擇新建，在‘分析定義’對(duì)話框‘類型’中選擇‘運(yùn)動(dòng)學(xué)’ ，然后設(shè)置時(shí)長(zhǎng)、幀頻和幀數(shù)等參數(shù)，點(diǎn)擊‘運(yùn)行’按鈕，讓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來，查看運(yùn)行效果，點(diǎn)擊‘確定’按鈕完成運(yùn)行，并保存運(yùn)動(dòng)結(jié)果；點(diǎn)擊右側(cè)運(yùn)動(dòng)工具條中的 測(cè)量按鈕，選擇上一步回放的運(yùn)動(dòng)結(jié)果文件，點(diǎn)擊按鈕創(chuàng)建新測(cè)量，選擇滑枕的頂點(diǎn)作為測(cè)量對(duì)象，分別測(cè)量其位移、速度、加速度分析圖，同時(shí)輸出測(cè)量結(jié)果。5.1 滑枕行程的仿真輸出結(jié)果圖 5.1 牛頭刨床滑枕行程隨時(shí)間的變化曲線5.2 滑枕速度的仿真輸出結(jié)果22圖 5.2 牛頭刨床滑枕速度隨時(shí)間的變化曲線5.3 滑枕加速度的仿真輸出結(jié)果圖 5.3 牛頭刨床滑枕加速度隨時(shí)間的變化曲線23結(jié) 論本設(shè)計(jì)首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及已知參數(shù)對(duì)牛頭刨床六連桿機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行初步的確定，牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)主從運(yùn)動(dòng)有協(xié)調(diào)性要求，在已知六連桿尺寸的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，并對(duì)部分桿件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核。然后運(yùn)用 Pro/E 軟件進(jìn)行了主從機(jī)構(gòu)的三維建模和裝配，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性仿真，得出主要結(jié)論如下：（1） 通過 Pro/E 軟件對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真輸出的圖像可以看出：牛頭刨床滑枕的行程長(zhǎng)度滿足要求，工作行程時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、速度慢、較平穩(wěn)，加速度值較?。换爻虝r(shí)速度快、加速度較大，滿足行程速比要求。（2） 運(yùn)用作圖法分析牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，特別是加上從機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)，過程復(fù)雜繁瑣，且準(zhǔn)確率低，不直觀，從以上分析可知，運(yùn)用Pro/E 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，具有很大的優(yōu)越性，不僅可以直觀地看清楚機(jī)構(gòu)的造型和裝配關(guān)系，而且使整個(gè)仿真過程更精確，更直觀，可視化程度高。（3） 在 Pro/E 裝配環(huán)境下，可以對(duì)組件進(jìn)行直觀的干涉檢驗(yàn)，可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)查漏，提高了工作效率，節(jié)省了大量的人力物力。（4） 根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真輸出的圖像和數(shù)據(jù)，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其快速高效地設(shè)計(jì)出理想的機(jī)構(gòu)。（5）在使用 Pro/E 軟件進(jìn)行裝配和仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然此款軟件在數(shù)據(jù)庫(kù)，和參數(shù)化設(shè)計(jì)等方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，但它并不是萬(wàn)能的，有好多東西仿真不出來，例如棘輪和棘爪的配合就無(wú)法做出來，缺少接觸副等連接，其功能也受到很大的限制。要想出色的設(shè)計(jì)出符合要求的、完美的機(jī)構(gòu)，還需和其他軟件配合，這樣取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能發(fā)揮其強(qiáng)度的功能。（6） 本次設(shè)計(jì)運(yùn)用 Pro/E 軟件中的仿真模塊，只是仿真了牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，機(jī)構(gòu)中的重力、摩擦力、機(jī)構(gòu)的作用反力等都沒有考慮進(jìn)去。要想精確的分析出機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，還需要和專門的有限元軟件結(jié)合使用。0謝 辭首先，我要深深地感謝我的指導(dǎo)老師張莉潔老師，在這半年的學(xué)習(xí)中，張老師為我們無(wú)私的奉獻(xiàn)了她個(gè)人寶貴的業(yè)余時(shí)間，并給予了我很多熱心的鼓舞和支持。本論文正式在張老師的悉心指導(dǎo)下完成的。無(wú)論是在論文選題、搜集數(shù)據(jù)還是在理論研究方面，張老師全程參與，悉心指導(dǎo)，幫我們找出錯(cuò)誤，解決了我們遇到的一系列問題，提出了好多寶貴的意見，傾注了很多心血。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的知識(shí)，虛懷若谷的品格給我留下了深刻的印象，使我受益終生。其次，我要感謝給予我無(wú)私幫助的常云鵬老師，在設(shè)計(jì)過程中，每當(dāng)我在軟件方面遇到困難向常老師咨詢時(shí)，常老師都是一絲不茍的解答我的疑惑，無(wú)論是在電話里聊，還是面談中，常老師循序漸進(jìn)的教導(dǎo)給了我很大的啟發(fā)，更令人動(dòng)容的是，當(dāng)我的軟件出現(xiàn)問題時(shí)，常老師親自找到她代的學(xué)生幫我解決問題。常老師無(wú)私的品格，淵博的專業(yè)知識(shí)是我學(xué)習(xí)的榜樣。最后，感謝我的小組成員賈亞洲同學(xué)和沈金星同學(xué)對(duì)我的鼓舞和鞭策，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，我們密切配合，團(tuán)結(jié)合作，他們倆不僅是我學(xué)習(xí)上的幫手，更是我生活上的摯友。認(rèn)識(shí)你們是我人生最大的財(cái)富，衷心地謝謝你們！參考文獻(xiàn)[1] 濮良貴，陳定國(guó),吳李延. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京: 高等教育出版社 , 2013 1[2] 孫恒, 陳作模，葛文杰. 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