具有急回運動特性的牛頭刨床的設計
2016-9-1 來源：長安大學 作者： 徐赫彤
摘 要：牛頭刨床是用于金屬的切削和加工的機械設備，通過設備上各類刀具的移動來對固定在機床上的金屬就行各類的加工，以達到需要的要求和功能。牛頭刨床主要包括導桿機構，凸輪機構，棘輪機構和齒輪傳動部分。
關鍵詞：牛頭刨床；設計；運動
1、牛頭刨床的工作簡介
機床工作時，電動機帶動各部分有條不紊的進行。然后，為了提高金屬加工速度，加快生產的效率，往往對牛頭刨床產生新的要求，其中最為重要的，就是使機械具有急回特性，在工作行程時，對工件的加工更為精細；而在空行程時，則工件迅速進給并讓刀具迅速退回到初始位置以便快速的為下一個工件就行切削加工。牛頭刨床在工作過程中，會受到很大的切削阻力，而空行程時又不受力的作用，因此為了應對受力的變化并使整個機械平穩的進行工作，安裝了飛輪，保證了機械的正常工作。機構簡圖如下：
圖1 牛頭刨床機構簡圖及阻力曲線圖
2、設計方案及內容
2.1 導桿機構的設計
（1）導桿機構的運動分析。導桿機構作為機床的主要運動傳動機構，其作用是十分重要的。因此我們應對導桿的運動情況進行分析，導桿機構中的滑塊3 的運動軌跡是一個以O2 位圓心的圓，而導桿4 上B 點的運動軌跡事一個以O4 為圓心的圓弧。因此我們假設B點為工作行程的初始點，B’是工作行程的終止點，兩個位置下導桿與滑塊的運動軌跡相切，因此我們順時針將滑塊的運動軌跡按等角
度均分，并取其中的點進行運動和力的分析。由“點的速度合成定理”和“點的加速度合成定理”做出任取位置點的速度和加速度多邊形，選取適當比例尺求出該點速度加速度的大小和方向，以供下一步分析使用。
（2）導桿機構的動態靜力分析。在導桿機構運動的過程中起受力情況是十分復雜的但卻是十分重要的，因此我們有必要進行動態靜力分析以達到進一步優化整個機構運動情況的目的。取機構中各運動副作為單獨部件進行相互間作用力的分析，并利用“達朗伯原理”附加慣性力，將運動的部件看做靜止受平衡力的部件，選取合適的比例尺并作出力的多邊形，以計算出各構件所受的力及需要作用在曲柄上的平衡力矩。
2.2 凸輪機構的設計
凸輪機構在刨床中有著重要的作用，一方面控制著金屬加工件的進給量，另一方面也控制著刀具的進刀量，對有著多種且精細要求的金屬加工作用很大。
（1）運動方程的確定。由于從動件要求具有運動平穩性，因此我們確定擺桿的等加速等減速運動規律，其回程和推程的方程如下：
（2）凸輪基圓半徑的確定。本課題中凸輪基圓半徑由幾何法確定，首先選擇比例尺并以任一點起始點做射線，每兩條射線間的夾角為擺桿的擺角。隨后作圖在射線上沿凸輪旋轉方向一次截取速度大小長度的線段，并以此線段再為起點做射線，交點即為凸輪基圓圓心，根據比例尺即可確定基圓半徑。
（3）凸輪滾子半徑的確定。凸輪機構的工作強度極大，點接觸時工作應力極高，很有可能發生局部破壞造成凸輪機構失效以致于影響整個機械的工作，因此通常使凸輪與從動件間加一滾子，是點接觸變成線接觸，提高凸輪機構的工作壽命。凸輪滾子半徑的選擇應遵循滾子半徑小于凸輪輪廓線最小曲率半徑，以防止變尖或失真現象的產生。
（4）凸輪實際廓線及凸輪外形的確定。由于凸輪的實際廓線由滾子中心點繞凸輪理論廓線旋轉一周形成，因此首要確定理論廓線，此處我們選用反轉法設計出凸輪的理論廓線，再用滾子做出一系列的圓，并順次連接圓心，即可得到凸輪的實際廓線。
2.3 齒輪機構的設計
齒輪機構作為極為重要的中間傳動機構，重要性不言而喻。因此選用合適的齒輪，并對齒輪做出修正是首要之事。
（1）齒輪齒數的計算。根據機構的工作情況，我們采用行星輪系齒輪進行傳動。而各齒輪齒數的確定遵從四個條件：
1）傳動比條件：行星輪系中各個齒輪的齒數必須滿足齒輪之間傳動比；
2）同心條件：行星輪系中個構件的軸線必須在同一平面內；
3）均布安裝條件：行星輪系中各齒輪之間應該均勻安裝，相互間分開適當的相等角度；
4）臨界條件：相鄰行星輪不發生干涉，齒頂圓不會相碰。
根據以上四個條件，即可得到各個齒輪的齒輪及傳動比。
（2）齒輪的變位系數。齒輪在相互嚙合時，由于一個齒輪的齒頂會深入到另一個齒輪的齒根，造成根切現象，對齒輪的壽命產生很大的影響，已發生輪齒脆斷；另外，由于齒輪中心距確定但安裝好的齒輪運轉不平穩，發出振動甚至出現脫齒或跳齒等現象，對于齒輪傳動是十分不利的；除此之外，由于齒輪傳動選用大小齒輪相互嚙合，小齒輪在工作過程中嚙合次數多，對齒厚的削弱現象較為明顯，因此，本課題選擇采用變位齒輪對齒輪進行修正并使其滿足強度、剛度及平穩性的要求。計算變位系數時，采用等變位齒輪傳動，小齒輪變位系數X1 和大齒輪變位系數X2 的和為0，即X1+X2=0。這樣，即可使變位齒輪與標準齒輪一樣，分度圓相切且節圓做純滾動。
通過以上分析，我們確定了導桿機構的運動和受力情況，并選用等加速等減速形式的凸輪機構和等變位齒輪機構組成具有急回特性的牛頭刨床。
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