牛头刨床传动系统的优化.docx

本科毕业论文（设计）论文题目：牛头刨床传动系统的优化摘要牛头刨床传动系统的急回特性是决定刨床加工效率的重要因素，如何改善牛头刨床传动系统对于现实生活有很大的意义。本论文从牛头刨床的六杆机构部分入手，吸取前人选择了较大的导杆摆角等的经验,利用优化设计和动力学分析的方法，对六杆机构中的杆长进行优化，通过计算找出最优杆长，提升了牛头刨床的生产效率。从而提高了被切削工件的质量，满足人们的使用要求。关键词：六杆机构；优化设计；动力学分析论文类型：工程设计AbstractThesharpreturncharacteristicsofthebullheadplanerdrivesystemisanimportantfactorthatdeterminestheprocessingefficiencyoftheplaner,andhowtoimprovethebullheadplanerdrivesystemisofgreatsignificancetoreallife.Thispaperstartsfromthesix-barmechanismpartofthebullheadplaner,drawsontheexperienceofthepredecessorwhoselectedalargeguiderodswingangle,etc.,andusesthemethodofoptimizationdesignanddynamicanalysistooptimizethelengthofthesixrodmechanism,andcalculatestheoptimalrodlengthtoimprovetheproductionefficiencyofthebullheadplaner.Thusimprovingthequalityoftheworkpiecebeingcutandmeetingpeople'srequirements.Keywords:SixBarLinkage;Kinetic/Analysis；TheOptimizationDesign摘要1Abstract21绪论41.1 研究的背景41.2 研究的目的及意义51.3 国内外相关领域的研究现状51.4 研究方法61.5优化设计的发展概况61. 6本章小结72牛头刨床六杆机构的运动学分析82. 1牛头刨床的组成和工作原理82. 1.1牛头刨床的结构组成83. 1.2牛头刨床的工作原理92.2运动学分析102. 2.1数学模型的建立103. 2.2导杆机构尺寸114. 2.3位移分析115. 2.4速度分析116. 2.5加速度分析123牛头刨床传动系统的优化136.1 牛头刨床六杆机设计变量的确定136.2 牛头刨床六杆机构目标函数的建立136.3 牛头刨床六杆机构约束条件的确定147. 3.1约束条件143.3.2约束条件的确立143 .4154 -"Ms)J龙164.1 名吉164.2 展望16参考文献17致谢错误!未定义书签。18附录1绪论1.1 研究的背景刨床的演变经历了很长时间，很多人在挫折中将刨床事业创新发展到了很好的地步。新中国成立之前，我国的工业水平还是低价劳动力居多，切削加工大型重型材料所花费的成本巨大，难以接受；而采用国外先进技术不利于自身发展。在新中国成立之后，这种情况改善很多，从只有少部分机械，到人们精益求精，发明生产各种专业的工业设备。现阶段的机械制造业中，机床是十分关键的工业设备，在整个机械领域所占的比重有一半以上。先进的机床不仅能反映加工产品的质量和精度，同时也影响着经济发展的趋势。不断完善的机床设备提高了产品的质量、代替了大量劳动力、实现了加工大型工件的生产。不仅提高了以往工作的效率，也意味着工业水平有了质的飞跃。到了20世纪，各类机床如：削床、统床、锭床、钻床、拉床等相应的制造出来。经由学者们不断的研究，直到如今精密的机床。当前刨床的种类演化了很多种类，按照其结构来分类，基本分为如下几类？(1)插床(立刨床)：此类机床在工作时，工作台上的工件做横、纵向以及旋转运动。(2)悬臂刨床：此类机床工作时，它的立式铳头做横向的进给，侧铳头垂直进给。(3)牛头刨床：此类机床在工作时，位于滑枕的固定架上的刀头一般做直线往返运动，工作台间歇性的竖直和水平运动。本文讨论的刨床在传动过程中，刨刀被滑枕带动做往复运动，且滑枕前的刀头形状类似牛头，故称其为牛头刨床。如下图所示：图1.1牛头刨床的结构牛头刨床主传动机构在简化之后成为六杆机构滑枕在切削过程中做主要运动,为直线往复运动。这个过程有两个阶段，一是进给运动，二是回程阶段。其中，进给运动时，要求刨刀速度平缓且不影响加工质量；回程阶段时，由于刨头不做切削动作，故速度极快，这便是急回特性的原因。六杆机构是牛头刨床传动系统的重要部分。在传统的观点中，优化牛头刨床传动系统是从改进导杆摆角去下手，由此可得到更好的急回特性；或者选择恰当的导路位置借此改善机构的传动性能。然而刨刀切削时速度的改变无法用经验决定，需要多次的尝试改进。1.2 研究的目的及意义当今社会，人们不光在质量上精益求精，并且力求节省材料，以此来达到最高的工作效率和经济效益。因而，大家对结构和生产要求不断提升，希望通过科学的方式来达到这些要求。本文从牛头刨床的六杆机构部分入手，通过了解国内外的研究，在此基础下观察比对牛头刨床六杆机构的结构，分析其运动状态，通过查阅相关的参考书籍，设计标准和设计手册等，计算并选择合适的六杆机构。通过得到的各种数据，运用优化设计的方法找到杆长范围的最优选取区间，以此来提升机床的工作效率。人们的需求以及加工工艺的精进促使牛头刨床更进一步的发展，使得牛头刨床的加工精度随之提高。本文通过优化方法，比对找出最优杆长。这一方法的使得刨刀的切削速度在工作中趋于平稳，从而提升加工产品质量，并且优化过后的结论也可给未来的研究提供参考。1.3 国内外相关领域的研究现状新中国成立之前，我国机械工厂的数量很少，规模也不大。牛头刨床的生产品种少，数量不多。在此之后，国家非常看重这一部分的发展，在全国各地不断扩建新的刨床工厂，经过多年的坚持，我国刨床领域逐渐变好，在市场中占据了一席之地。当今我国市场上刨床品种满足各种需求，这离不开大家的不断钻研。这样的氛围下，大量的创新想法纷纷涌现。在牛头刨床的生产中，急回特性具体表现在退刀的速度大于进给的速度。空刀时的速度越大，急回特性越显著。这是牛头刨床六杆机构在加工过程中最主要的特征要求之一，目的是提高刨床的工作效率。近年来我国的研究人员致力提高牛头刨床的加工效率和产品质量。在牛头刨床的许多方面都有了长足进步，钱文婷，徐承妍，李滨城等人采用MATLAB软件对牛头刨床导杆机构进行了动力学剖析或模拟仿真，根据模拟仿真,他们表现出了机构的受力状况和运动情况，并运用微分法，用Simulink实现了模拟仿真“纥兰州理工大学流体动力与控制学院的敏政、邵翔宇、王乐、王异凡等人，对牛头刨床进行两种以上条件的优化设计，将通过MATLAB程序实现还有许多学者做了各种牛头刨床相关的研究，他们都为这一领域的发展出了一份力。国外的牛头刨床生产公司数不胜数，他们会根据自身的条件和需求生产对应类型的牛头刨床，他们的专家学者也在一直研究改进牛头刨床。表1.1相关领域研究现状表1.1表现出牛头刨床、传动系统以及机械优化设计三个主题在领域内的研究现状，可以看出在传动系统的研究已经非常深入，有很多相关的文献；而机械优化设计和牛头刨床相关领域的研究相对少，在此方面下手较易突破。1.4 研究方法本文从牛头刨床的六杆机构部分入手，通过了解国内外的研究，在此基础下观察比对牛头刨床六杆机构的结构，分析其运动状态，建立牛头刨床六杆机构的数学模型，对其位移、速度、加速度进行分析。通过对比几种传动系统的优缺点，利用优化设计的方法，找出最优设计方案例如改变杆的长度，得到最合适的方案，最后提高牛头刨床的生产效率。1.5 优化设计的发展概况早期的运筹学理论出现在第二次世界大战时期，成为了当时军事上运用的经典理论，70运筹学解决了许多古典微分法、变分法解决不了的问题。到后来，数学领域中出现了它的一个新的分支,数学规划理论。优化设计就是以此为基础演化而来。1960年左右，计算机和电子信息技术的飞速发展为优化设计开辟了道路，大量的工程技术人员终于可以用优化设计方法来计算工作中的问题。而到了1970年左右优化设计才在机械设备行业中大规模推行起来，其发展速度飞快，许多机械相关问题都被优化设计所解决。优化设计其中包含了机构的运动参数这一部分，具体是研究凸轮和连杆轨迹函数的优化问题。在这一基础上还为机构的设计提供了标准化程序”咒在主动件扭矩最小波动等机械动力学问题上，优化设计也有较大突破。减速器的优化设计在研究机械零件的领域已经得到研究人员的一致认可，这方面的进步尤其迅速。一般有三种不同的分析：(1)机械系统的静力学分析。这类分析仅考虑了各个部件所受到的动力学问题。(2)机械系统的运动学分析。这种分析是在不受外力作用下，构件的部位、速率和瞬时速度与时间的关系。(3)机械系统的动力学分析。在受混合动力情况下将通过运动学和动力学进行分析。机械设备的优化设计在现代有普遍的应用，但其仍存在着诸多问题，因此必须对其进行处理。计算机辅助设计(CAD)是一种优化软件，将优化设计和三维建模配合起来，可以使设计更加高效。1.6 本章小结本章简单介绍了牛头刨床的发展历史和研究背景，依据当今研究现状，明确提出了这篇文章的研究方向、目地和实际意义。掌握优化设计方式的必要性和合理性。据此提出了本文研究课题一一牛头刨床传动系统的优化。2牛头刨床六杆机构的运动学分析2.1 牛头刨床的组成和工作原理2.1.1 牛头刨床的结构组成总的来说牛头刨床主要由工作台、床身、刀架、滑枕、变速机构和进给机构等组成。1.机架2.曲柄3.滑块4.导杆5.连杆6.滑枕7.凸轮1-8-9-10.四杆机构IL电动机图2.1牛头刨床机构运动示意图1) ).床身床身是用来放置机床的部件，其前部分是竖直的导轨，上面有水平导轨，它的内部包含了变速器和执行机构。(2)滑枕滑枕用来安装刀头，利用直线往复运动做刨削工作。(3)工作台作用是随横梁横着挪动或随横梁一起沿床体竖直滑轨调节。用来调节工件的位置。(4)进给机构进给作用主要运用于操纵工作台的水平进给运动。(5)变速机构操纵变速机构手柄将动力转换后传递至执行机构。牛头刨床的作用是加工工件的平面与沟槽，目前的牛头刨床大多都是以曲柄摇杆机构为主，其回程时不会切割工件，因此，滑枕的运动速度会变化，在一般牛头刨床的传动系统工作中中，刨刀的运动是伴随着滑枕的活动而线形活动的，刀架不仅可以通过手动进给还可以在垂直面内旋转一个角度，产品工件在工作台上的运动是水平的或竖直的。在工作领域中常常常用于生产加工平面图、管沟、燕尾形等。牛头刨床刨刀的结构简单，因而加工表面时有比较高的效率。在散件小批量生产中，尤其在一些特殊部门中仍在广泛使用这类机床。近几年来，不管是外观，还是操作方便，加工性能等方面，国内联合设计制造的牛头刨床产品都得到了很大的进步。本文主要对六杆机构部分做了研究，主要了解六杆机构的组成、作用等，为了后面的研究做出铺垫。2) 1.2牛头刨床的工作原理如图2.2所示为牛头刨床的进给机构示意图，可简化为六杆机构。从下图可以看得出牛头刨床的运动状态和规律性，由曲柄AB转动带着连杆和滑块导致刨刀在一个水平线上做往复运动。刨刀向右边走刀是切削过程，在加工过程中，按照要求，加工的速率要保持一致，目的是保护刀具增加使用时间，还可以提高产品的工艺质量。向左是回2.2运动学分析2.2.1数学模型的建立己知B6065型牛头刨床的传动机构，数据如表2.1。图2.3为牛头刨床六杆机构的几何模型，如图所示：表2.1设计数据机构参数数据导杆机构运动分析工作行程H(mm)300转速n(rmin)48机架L5(mm)150行程速比系数K2连杆与导杆之比0.332.2.2导杆机构尺寸根据原始数据，行程速比系数K=2,则原动件L2的极位夹角:180°X手=60。k+曲柄Ll=L5sin-=75mm导杆L2=-q=30°=300mm2sin-2sin30o2连杆L3=L2X0.33=99mm2.2.3位移分析先建立一个直角坐标系，以C为坐标原点，并标出各矢量的方向。由图可得K+K=s(2.1)+Z=+(2.2)将式(2.1)、式2)写成两坐标轴上的投影式，得S3c0s3=L1cosQ1(2.3)S3sin3=L5+L1sin1(2.4)1.2cos3+L3cos4=SE(2.5)1.2sin3+L3sin4=L15(2.6)由(2.1)(2.2)(2.3)(2.4)可以得出滑块的位移量S3.构件L2,L3的角度，以及刨头E点的位移量SE。即3 =arctanL5+sin%L1 cos 1r. Lts-L2 sin 34 = acrsn -i人 _ LI COS外3 COS 63(2.(7)(2.(8)(2.(9)2.2.4速度分析位移分析完之后，我们需要知道刨头的速度这一指标，通过位移对时间的求导即由式(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)对时间求导，写成矩阵的形式得到：COS sin3 0 0-S3 sin ¾S3 cos 3-L2 sin 3L2 cos 300-L3 sin /L3 cos 4S3-L1 Sinel3 4=W1L1 cos 1 0E.00通过解线性方程组可以求出滑块的滑动速度值， 刨头E点的速度VE.由于后续需要E点的速度值，即和构件L2、L3的角速度W3、w4及33 sin(%-0) L5 sin 83+cos(O3-%) _ L2M Sin(&3-81)(2.10)COS 84(2.11)2.2.5加速度分析速度得出之后，在将速度对时间进行求导，也可以由(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)进行二次求导，写成矩阵的形式得到cos 3 sin 30033 Sine33 cos 30,0S3 sin 3S3 cos 3-L2 sin 3L2 cos 300-L3 sin 4L3 cos 400-10S3 a3 %-S3 sin 3 S33 cos 3S3 cos Q3 S33 sin Q3-L2()3 cos 3-L23 sin 300L3tO4 COS 64-L34 sin 4O-0-L11cos01"L11sin100利用此线性方程组可以得到滑块的加速度和L2、L3的角加速度及刨头E点的加速度。3 =(L5-Ll)L5L11 cos 1(矍+M+2Zsin%)2<O32 CoS。3L3 COS 04(2.12)(2.13)(2.14)aE=-L2()1cos3-L2CC3sin3L34cos4L3lsin43牛头刨床传动系统的优化伴随着科技的飞速发展，优化设计的方法被运用到方方面面，大的来说有对产品的优化，小的来说到自身发展的优化。优化设计已经融入到生活的方方面面。优化设计出现在1960年左右，是一种科学的设计方法。它可以在产品结构改进和物流配置等方面发挥作用。当我们使用这种方法时，首先找到项目中相关的研究参数，利用数学方法得出最优解，并与原始数据对比发现优化的效果，这就是优化设计的现实意义。3.1牛头刨床六杆机设计变量的确定在之前我们在利用数学模型分析了刨头的速度公式能看出：牛头刨床的杆长、摆角与刨刀的加速度、速度和位移相关。我们从图2.2机构示意图看到：导杆机构有L2L3与压力角构成，刨刀在机架竖直方向时，压力角较小叫可得：=2(1÷s7)(3.1)由式1)观察到，式子中的值为变量。又根据图2.3的数学模型，通过运动学分析可以算出机架L5的长度I。可得：ls=)32)由式(3.2)可知,L5的长度不是独立变量。由于行程速比与极位夹角的的关系为：6=X180。(3.3)即K=(180°+)(180°-0)(3.4)根据机械原理课本，可用行程速比系数K来表现牛头刨床的急回特性，我们可以通过计算得：sI=(3.5)由式(3.4),(3.5)可知K与LlL5有关，我们设机架Ll为单位长度，所以可用K代替Ll,这样六杆机构优化设计的变量就有三个参数组成，即：X=L3,L4.Kt3.2牛头刨床六杆机构目标函数的建立在建立目标函数时，我们既要使加工过程平稳，又要确保优秀的急回特性。这使得需要在两者之间找到平衡点，所以我们将加工速度稳定性作为此次的目标函数。由式(3.12)我们已经得出刨头速度的方程为_L23sin(g3-1)E=cos¾我们要让刨刀的实际速度VE接近匀速,其理论速度VM的取值参考文献中的数值。令刨刀的实际速度Ve(X,i)与理论速度VM的均方差达到最小值为目标函数叱，即min(x)=G%(%(X,/i)-½n)2)£(3.6)式(3.6)中，n是刨刀工进中曲柄轨迹的等分点，h为第i个等分点处曲柄的转角，VE(X,li)为第i个等分点处刨刀的实际速度。3. 3牛头刨床六杆机构约束条件的确定4. 3.1约束条件在优化的过程中，需要在一定限制条件下确立能够实行的方案。一般将这种条件叫做约束条件，由于被约束对象不同，一般有两种方法来约束，一是特点约束，一是边界约束叫给定一个问题作为优化方向是解题过程中的一个关键步骤，总体优化模型被定义为最小代价函数时表现为小于或等于形式，即h(x)=0g(x)°5. 3.2约束条件的确立当确定约束条件时，要满足六杆机构的杆长条件，将机架及连杆作为最短干，同时把曲柄长度设为单位长度。即Ll=L因此成立约束条件首先要使L2不能过长，否则导致重心高；但不能太短，长度必须大于L1+L5；K大于1会有好的性能，摆角为,取1.11+1/Sin()1.81+1/sing)1.1 -2.21.2 K2.2得到：g(l)=L2-1.11+1/sin倒0(3.7)g(2)=1.81+1/sin停)-L2O(3.8)g(3)=L3-1.1O(3.9)g(4)=2.4-L3O¢3.10)g(5)=k-1.2O(3.11)g(6)=2.2-kO(3.12)3.4优化结果牛头刨床在工作中有不一样的工况要求，所以选取刨头的速度应有许多级，本文查找B6065型牛头刨床在工况下的多级平均速度和与之对应的曲柄的转速山，运用MATLAB程序进行优化，参看附录。优化结果如3.1表所示：表3.1优化设计结果理想速度曲柄速度优化结果Vm(ms)m(rmin)L2ZL3L3/L1K/()0.12912.63.27242.19402.02960.13560.18617.83.27242.19402.02960.19570.25825.13.27242.19402.02960.27180.37636.63.27242.19402.02960.39690.54152.63.27242.19402.02960.57140.68273.13.30072.19402.00760.7306由表4.1中所有选取的理想速度是在0.128到0.681,覆了B6065型刨床的工作速度，而选取的速度是最小值到最大值区间。可以看出，根据优化设计分析，最优结果为X=3.2723,2.1950,2.0295,从优化结果中看出，优化的结果均在约束条件的规定中。第4章结论与展望本文基于国内外学者的研究，从理解刨床领域的发展状况，并对国内外学者利用动力学分析的方法进行参考。本文以查阅大量关于牛头刨床的文献为例，探讨了本文的研究思路。4.1结论本文的结论主要有以下几个方面：1.通过牛头刨床六杆机构的数学模型，在不考虑外力的前提下，对其进行动态分析，为优化设计提供依据。2 .介绍了一种优化六杆机构的杆长来提高刨刀加工速度的方法。3 .此次优化设计提高了生产效率，有一定的实际意义，可以给类似机构提供参考价值。4 .优化后的结果，改良了急回特性，刨刀的寿命以及工作性能。4.2展望本文的工作是优化牛头刨床的六杆机构来提高加工的效率，但是没有考虑到许多外部影响，只是单纯分析目标本身，由于自身能力以及诸多限制，还有未考虑到的地方：1.本文只是将六杆机构当作刚体来分析，在细致部分没有柔性的有限元分析。2.本文选择杆长范围的因素主要是有关刨刀的工作速度，所以分析问题时，没有考虑会不会对其他结构产生负面影响。在今后的学习中，会进一步学习相关的知识。参考文献1王延龙.基于PRO/E和ADAMS的牛头刨床六杆机构的运动仿真和优化设计D.延边大学,2016.2马如宇.机械优化设计课程教学方法探讨J,2013(39):98-99.3孟超,王珊.基于MatIab的平面六杆机构的运动分析机,2012,26(3):87,92.4赵玉成,顿文涛,李勉,等.基于Pro/E的牛头刨床六杆机构的动态仿真分析J,2014,48(1):66-70.5孔维忠,唐振兴.六杆机构的运动仿真及方法比较J,2012(5):67-69.6孟兆明,常德功.按机构压力角大小最优设计牛头刨床J,2000(1):45-46.7杨树川，杨术明.基于AMESim的牛头刨床刨刀驱动机构的运动分析J,2010,31(9):93-95.8周毅钧,李坤.基于ADAMS牛头刨床机构建模与仿真分析J,2010,30(2):25-28.9岳艳琴,舒大文，尚鹏举.基于ADAMS的牛头刨床优化设计J.新技术新工艺，2010(12):55-57.10钱文婷,徐承妍,李滨城.基于MATLAB/SIMULINK的牛头刨床导杆机构运动学及动力学分析J,2011,33(3):104-107.11鹿跃丽,陈江义,张明成,等.牛头刨床六杆机构的优化设计J,1999(3):39-41.12黎新,王国彪.牛头刨床的遗传优化设计J,2006(10):40-42,46.13许瑛,渡克巳,加藤宏章.StCPhCnSon型平面六杆机构的运动领域识别法J,2003(12):36-38.14敏政,邵翔宇,王乐,等.多目标规划下的牛头刨床优化设计J,2009(9):24-26.15王娟平.基于MatIab的牛头刨床运动分析及仿真LJ,2012,33(1):246-248.16王凤兰,沙玉章.双向刨削牛头刨床的机构创新设计J.机械设计,2007,(11):48-50.DOI:10.13841/ki.jxsj.2007.11.01717刘庆柏.机械优化设计在工程教育中的方法研究D.合肥工业大学,2012.18顾蓉蓉.凸轮连杆组合机构的特性分析和优化设计D.南京理工大学,2006.19王继英.基于SoIidWorkS软件的虚拟样机技术及其应用J.同煤科技,2007,(02):3-5.20程孔雄.牛头刨床刀架上下移动分析与改进J.职业,2013,(29):89.21王国强,赵凯军,崔国华.机械优化设计M.机械工业出版社,2009.附录functionf,F=G(D,n,V_m/L30,L40,KO)%f输出函数最小值%F输出优化的fL2长度L3长度K行程速比系数%Dl*5向量；时间精度行程速比系数精度杆L2精度杆L3精度曲柄等分数%n数值；转速%V_m数值；理想速度%L201*2向量;杆L2长度系数区间，L2=L20*1+lsin(fi2)%L301*2向量；杆L3长度区间%KO1*2向量；行程速比系数区问omegal=2*pi*n/60;to=2*pi/omegal;%iK_0=max(K0)-min(K0);%jL20.0=max(L20)-min(L20);%kL3_0=max(L30)min(L30);%ri_max=D(I);J_max=D(2);k_max=D(3);r_max=D(4);n_max=D(5);1.I=1;f_min=1000;F=0000;forj=1:j_maxK=min(K0+(j0.5)*K_0/j_max;fi=pi*(K-1).(K÷1);1.2_0=L20-0*(1+lsin(fi2);1.5=Llsin(fi2);fork=1:k_max1.2=(min(L30)*(1÷lsin(fi2)+(k0.5)*L3_0/k_max;1.5_=0.*L3*(1+cos(fi2);forr=1:r_max1.3=min(L30)+(r-0.5)*L3_0/r_max;fori=1:r_maxt(i)=(i0.5)*t_0/i_max;thetal=omegal.*t(i)+0.5236;ifO<=thetal<0.5*pitheta3=atan(L5+sin(thetal).(Llcos(thetal);elseif1.5*pi<=thetal<2*pitheta3=atan(L5+sin(thetal).(Ll*cos(thetal);elsetheta3=piatan(L5+sin(thetal).(Ll*cos(thetal);endtheta3=asin(L5_L2.*sin(theta3).L3);omega3=(omegal.*cos(theta3-thetal).(L6.*sin(theta3)+cos(theta3-thetal);fors=1:n_maxthetal_(s)=(pi÷fi2)+(s0.5)*(pifi)/n_max;V(s)=L2.*omega3.*sin(theta3thetal_(s)./cos(theta4);endC=(V-V,m);ifisreal(C)=0f(i,j,k)=10;elsef(i,j,k)=sqrt(sum(C.2)n,max);endiff(i,j,k)<f,min1.min=f(i.j.k);F=LminL2L3K;endendendendendend