江苏师范大学机电工程学院课程设计说明书题目：牛头刨床机构设计及运动分析系别专业班级学生姓名学号指导教师2014年1月8日目录一、概述1.1、课程设计的目的——————————————— 21.2、工作原理—————————————————— 21.3、设计要求—————————————————— 31.4、设计数据—————————————————— 41.5、创新设计内容及工作量———————————— 4二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析2.1、方案分析—————————————————— 52.2、主传动机构尺寸的综合与确定————————— 52.2、杆组拆分—————————————————— 62.4、绘制刀头位移曲线图————————————— 7三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序3.1、解析法进行运动分析————————————— 83.2、程序编写过程（计算机C语言程序）—————— 103.3、计算数据结果——————————————— 123.4、位移、速度和加速度运动曲线图与分析————— 13四、小结心得体会——————————————————— 18五、参考文献参考文献——————————————————— 19一、概述1.1、课程设计的目的目的：机械课程创新设计是培养学生机械系统方案设计能力的技术基础课程，他是机制专业课程学习过程中的一个重要实践环节。

其目的是以机制专业课程的学习为基础，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专业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。

1.2、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。

（a）机械系统示意图（b）刨头阻力曲线图（c）执行机构运动简图图1 牛头刨床1.3、设计要求电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与铰链点C的垂直距离为50mm，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。

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。

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。

1.4、设计数据题号 1导杆机构运动分析转速n2(r/min) 48 机架l O2O1 (mm) 380工作行程H(mm) 310行程速比系数K 1.46 连杆与导杆之比l BC / l O1B0.25导杆机构动态静力分析工作阻力F max(N) 4500导杆质量m4(kg) 20滑块6质量m6(kg) 70 导杆4质心转动惯量J s4(kg ·m2)1.11.5、创新设计内容及工作量1)根据给定的工作原理和设计数据确定机构的运动尺寸；2)导杆机构的运动分析。

用解析法求出刨头6的位移、速度、加速度及导杆4的角速度和角加速度，并编程绘制运动线图3)编写计算机辅助优化设计与运动分析说明书，包括问题的数学模型、程序框图、源程序及计算结果图表等内容。

二、牛头刨床主传动机构的结构设计与分析2.1、方案分析1.机构具有确定运动，自由度为F=3n-（2h PP 1）=3×5-(2×7+0)=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°，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. 结构和理性，结构简单合理，尺寸和质量也较小，制造和维修也较容易；7. 经济性，无特殊工艺和设备要求，成本较低。

2.2、主传动机构尺寸的综合与确定由已知数据经过计算得图（2）牛头刨床机构简图由θθ-180180︒+︒=K 得出θ=33.66° )(110)2/66.33sin(380)2/sin(211mm O O A O =︒⨯==θ)(535)2/sin(/)2/(1mm H B O ==θ)(13425.0535/11mm L L B O BC B O BC =⨯=⨯=)(5232/))2/cos((111mm B O B O B O H =--=θ2.3、杆组拆分Ⅰ级杆组Ⅱ级杆组 Ⅱ级杆组2.4、绘制刀头位移曲线图θ1Se120°-0.230150°-0.246197°-0.298343°0.020三、牛头刨床主传动机构的运动分析及程序3.1、解析法进行运动分析如图，建立直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。

利用两个封闭图形ABCA及BDEGB。

投影方程式为图（3）牛头刨床结构分析图1133cos cos θθl s = （1） 11633sin sin θθl l s += （2）0cos cos 4433=-+E S l l θθ （3）'64433sin sin l l l =+θθ （4）① 求333αωθ、、、 由公式（1）和（2）得：163cos sin arctan111θθθl l l += 221πθπ<≤- （5）163cos sin arctan111θθπθl l l ++= 2321πθπ<≤ （6）上式等价于 116113sin cos cot θθθl l l arc += （7）求3θ对时间一阶导得：1162126161113sin 2sin θθωωl l l l l l l +++=）（ （8）求对时间二阶导：211621261211621263)sin 2(cos )(θθωαl l l l l l l l ++-= （9） ② 求滑块E 的E E E S αν、、 由（3）、（4）式得：4433cos cos θθl l S E += （10）433sin arcsin4l l H θθ-= （11）求对时间一阶导得：443334cos cos θθωωl l -= （12）44333cos )sin(θθθων--=l E （13）求对时间二阶导得：44333442433234cos cos sin sin θθαθωθωαl l l l -+=（14） 4424433234333cos )cos()sin(θωθθωθθααl l l E --+--= （15） 根据设计要求，不同位置的速度、加速度、位移都不同，将利用C 语言编写程序，达到输出各个位置的速度、加速度以及位移的目的。

程序的源代码以及执行程序之后显示结果均予以显示。

3.2、程序源代码（计算机C 语言程序）#include<stdio.h> #include<math.h>#define PI 3.1415926 void main() {double a=0.110,b=0.535,c=0.134,d=0.380,e=0.523,f=5; /*O1A=AB,b=O1B,c=BC,d=O1O2,e=H,f=ω1 */ double B,C,E,F,G,I,L,M,O; /*B=θ3,C=θ4, E=Se ，F =ω3，G=ω4， I= Ve ，L=а3，M=а4， O=аe */ double x=0;printf(" @1 @3 @4 Se W3 W4 Ve A3 A4 Ae \n"); while(x<6.3) {B=atan((d+a*sin(x))/(a*cos(x))); /*求θ3*/ if(B<0)B=PI+B;C=PI-asin((e-b*sin(B))/c); /*求θ4*/if(C<0)C=PI+C;E=b*cos(B)+c*cos(C); /*求 Se */F=(a*f*(a+d*sin(x)))/(d*d+a*a+2*d*a*sin(x)); /*求ω3*/G=-(F*b*cos(B))/(c*cos(C)); /*求ω4*/I=-(F*b*sin(B-C))/cos(C); /*求 Ve */L=((d*d-a*a)*d*a*f*f*cos(x))/((d*d+a*a+2*d*a*sin(x))*(d*d+a*a+ 2*d*a*sin(x))); /*求а3*/M=(F*F*b*sin(B)+G*G*c*sin(C)-L*b*cos(B))/(c*cos(C)); /*求а4*/ O=-(L*b*sin(B-C)+F*F*b*cos(B-C)-G*G*c)/cos(C); /*求аe */ printf("%3.0f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f %3.3f\n",x*180/PI,(B*180)/PI,(C*180)/PI,E,F,G,I,L,M,O);x=x+PI*10/180;}}以上程序在C语言环境下运行，执行文件执行输出结果显示见表 13.3、计算数据结果表 1.各构件的位置、速度和加速度θ1θ3θ4Seω3ω4νeа3а4аe / (°)/ (rad/s)/ (rad/s²）/ m/ (m/s)/ (m/s) 073.856176.1070.0150.3870.430-0.203 5.645 5.694-3.000 1074.814177.1420.0060.5660.593-0.296 4.655 3.622-2.520 2076.098178.430-0.0050.7130.684-0.373 3.792 1.655-2.104 3077.648179.835-0.0200.8320.711-0.435 3.045-0.101-1.738 4079.410181.235-0.0360.9270.680-0.485 2.396-1.603-1.411 5081.341182.524-0.053 1.0000.602-0.525 1.827-2.838-1.112 6083.399183.617-0.072 1.0550.485-0.557 1.319-3.802-0.833 7085.549184.446-0.092 1.0930.340-0.5790.856-4.494-0.568 8087.760184.962-0.113 1.1150.175-0.5940.421-4.911-0.312 9090.000185.138-0.133 1.1220.000-0.6010.000-5.050-0.061 10092.240184.962-0.154 1.115-0.175-0.598-0.421-4.9110.190 11094.451184.446-0.175 1.093-0.340-0.586-0.856-4.4940.444 12096.601183.617-0.195 1.055-0.485-0.565-1.319-3.8020.706 13098.659182.524-0.214 1.000-0.602-0.533-1.827-2.8380.982 140100.590181.235-0.2320.927-0.680-0.489-2.396-1.603 1.278 150102.352179.835-0.2480.832-0.711-0.435-3.045-0.101 1.603 160103.902178.430-0.2620.713-0.684-0.368-3.792 1.655 1.966 170105.186177.142-0.2740.566-0.593-0.288-4.655 3.622 2.377 180106.144176.107-0.2820.387-0.430-0.195-5.645 5.694 2.846 190106.708175.469-0.2870.170-0.196-0.085-6.7547.662 3.379 200106.799175.363-0.288-0.0860.0990.043-7.9419.164 3.968 210106.337175.891-0.284-0.3840.4320.193-9.1019.668 4.576 220105.240177.085-0.274-0.7190.7550.366-10.0298.518 5.115 230103.446178.860-0.258-1.077 1.0000.558-10.396 5.126 5.406 240100.933180.979-0.235-1.433 1.0850.755-9.774-0.627 5.183 25097.745183.046-0.206-1.7440.9390.931-7.784-7.803 4.171 26094.022184.572-0.171-1.9590.550 1.052-4.364-14.088 2.282 27090.000185.138-0.133-2.0370.000 1.0900.000-16.634-0.200 28085.978184.572-0.096-1.959-0.550 1.040 4.364-14.088-2.665 29082.255183.046-0.062-1.744-0.9390.9187.784-7.803-4.520 30079.067180.979-0.033-1.433-1.0850.7509.774-0.627-5.502 31076.554178.860-0.010-1.077-1.0000.56310.396 5.126-5.701 32074.760177.0850.007-0.719-0.7550.37610.0298.518-5.384 33073.663175.8910.017-0.384-0.4320.2019.1019.668-4.813 34073.201175.3630.021-0.086-0.0990.0457.9419.164-4.169 35073.292175.4690.0200.1700.196-0.089 6.7547.662-3.552 36073.856176.1070.0150.3870.430-0.203 5.645 5.694-3.0003.4、位移、速度和加速度的运动曲线图与分析（MATLAB程序、图）>> clear all;clc;w1=5;l1=0.110;l3=0.535;l6=0.380;l61=0.523;l4=0.134;for m=1:3601o1(m)=pi*(m-1)/1800;o31(m)=atan((l6+l1*sin(o1(m)))/(l1*cos(o1(m))));if o31(m)>=0o3(m)=o31(m);else o3(m)=pi+o31(m);end;s3(m)=(l1*cos(o1(m)))/cos(o3(m));o4(m)=pi-asin((l61-l3*sin(o3(m)))/l4);se(m)=l3*cos(o3(m))+l4*cos(o4(m));if o1(m)==pi/2o3(m)=pi/2; s3(m)=l1+l6;endif o1(m)==3*pi/2o3(m)=pi/2; s3(m)=l6-l1;endA1=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0;sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3 (m)),-l4*sin(o4(m)),-1;0,l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),0];B1=w1*[-l1*sin(o1(m));l1*cos(o1(m));0;0];D1=A1\B1;E1(:,m)=D1;ds(m)=D1(1);w3 (m)=D1(2);w4(m)=D1(3);ve(m)=D1(4);A2=[cos(o3(m)),-s3(m)*sin(o3(m)),0,0;sin(o3(m)),s3(m)*cos(o3(m)),0,0;0,-l3*sin(o3 (m)),-l4*sin(o4(m)),-1;0,l3*cos(o3(m)),l4*cos(o4(m)),0];B2=-[-w3(m)*sin(o3(m)),(-ds(m)*sin(o3(m))-s3(m)*w3(m)*cos(o3(m))),0,0;w3(m)* cos(o3(m)),(ds(m)*cos(o3(m))-s3(m)*w3(m)*sin(o3(m))),0,0;0,-l3*w3(m)*cos(o3(m)),-l4*w4(m)*cos(o4(m)),0;0,-l3*w3(m)*sin(o3(m)),-l4*w4(m)*sin(o4(m)),0]*[ds(m) ;w3(m);w4(m);ve(m)];C2=w1*[-l1*w1*cos(o1(m));-l1*w1*sin(o1(m));0;0];B=B2+C2;D2=A2\B;E2(:,m)= D2;dds(m)=D2(1);a3(m)=D2(2);a4(m)=D2(3);ae(m)=D2(4);end;o11=o1*180/pi;y=[o3*180/pi;o4*180/pi];w=[w3;w4];a=[a3;a4];figure;subplot(221);h1=plotyy(o11,y,o11, se);title('位置线图');xlabel('\it\theta1(°)');ylabel('\it\theta3 \theta4,(°) Se(m)');grid on subplot(222);h2=plotyy(o11,w,o11,ve);title('速度线图');xlabel('\it\theta1(°)');ylabel('\it\omega3 \omega4(rad/s) Ve(m/s)');grid onsubplot(212);h3=plotyy(o11,a,o11,ae);title('加速度线图');xlabel('\it\theta1(°)');ylabel('\it\alpha3 \alpha4(rad/s^2) \alphaE(m/s^2)');grid onF=[o11;o3./pi*180;o4./pi*180;se;w3;w4;ve;a3;a4;ae]';G=F(1:10:3601,:)图（4）牛头刨床运动位置线图分析：随着摇杆的摆动，θ1的增大和减小，但摇杆牵引连杆，使得θ4的角度变化幅度不大，呈浮动装态。