第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽參賽作品

第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽參賽作品第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽參賽作品 點的合成運動的演示與驗證實驗裝置 設(shè)計說明書設(shè)計說明書 設(shè)計者 設(shè)計者 姜紅山姜紅山 葛茂葛茂 葉振齊葉振齊 王焱王焱 陳關(guān)國陳關(guān)國 指導(dǎo)老師 指導(dǎo)老師 王濤王濤 楊丹楊丹 武漢科技大學機械自動化學院武漢科技大學機械自動化學院 點的合成運動演示與驗證實驗裝置設(shè)計說明書 設(shè)計者 姜紅山 葛茂 葉振齊 陳關(guān)國 王焱 指導(dǎo)老師 王濤 楊丹 武漢科技大學機械自動化學院 作品內(nèi)容簡介作品內(nèi)容簡介 在大學理論力學課程學習中 關(guān)于點的合成運動這一重要章節(jié)中 關(guān)于牽 連速度 相對速度和絕對速度的概念只是通過理論來闡述 對于初學者顯得十 分抽象且難以理解 從而給后面章節(jié)的學習帶來困難 為了能讓同學們能更好 的學習 理解并掌握這些理論 本小組特設(shè)計了一套點的合成運動的演示與驗 證的實驗裝置演示各速度間的關(guān)系并驗證點的合成運動公式的正確性 本套實 驗裝置分為平行四邊形機架 滑塊導(dǎo)軌 電機 連桿 曲柄 滑塊 速度測量 系統(tǒng)以及畫板幾個部分 曲柄 連桿 滑塊導(dǎo)軌和平行四邊形機架組成一個曲 柄滑塊機構(gòu) 該機構(gòu)由安裝在平行四邊形上的電機驅(qū)動 在滑塊導(dǎo)軌上安裝一 個曲柄滑塊機構(gòu) 該機構(gòu)由曲柄 連桿 滑塊以及滑塊導(dǎo)軌組成 其也是由電 動機驅(qū)動 電機工作時 通過曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動滑塊導(dǎo)軌運動 滑塊導(dǎo)軌上的 曲柄滑塊機構(gòu)被電機驅(qū)動 使得滑塊沿滑塊導(dǎo)軌上的溝槽運動 安裝在機架上 的速度傳感器則可以測量滑塊的速度 在此過程中 機架模擬靜坐標系 滑塊 導(dǎo)軌模擬動坐標系 滑塊模擬質(zhì)點 通過觀察機架 滑塊導(dǎo)軌和滑塊間的運動 關(guān)系即可清晰的演示出各速度以及各速度間的關(guān)系 運用曲柄滑塊的機構(gòu)分析 可以分別計算出理論上的牽連速度和相對速度 然后根據(jù)點的合成運動運動公 式便可以計算出點的絕對速度 通過絕對速度的理論計算值與速度傳感器測得 的值相比較 即可以驗證點的合成運動公式的正確性 研制背景及意義 理論力學課程幾乎是所有工科學生必須深刻理解和重點掌握的科目 但是 大多數(shù)章節(jié)的內(nèi)容基本都是抽象的理論闡述 沒有相應(yīng)的實驗器材去演示與驗 證各章節(jié)的理論與公式 在點的合成運動這一章節(jié) 牽連速度 相對速度和絕 對速度對于初學者十分容易造成混淆 而且也讓老師詳細清楚的講解該章節(jié)的 內(nèi)容帶來了困難 為了解決這一現(xiàn)象 本小組特設(shè)計了本套實驗裝置 本套實驗裝置通過電機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)獲得各種速度 而且由于曲柄滑 塊機構(gòu)可以實現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的運動 使得實驗?zāi)軌虺掷m(xù)不斷的進行 實驗裝置的 機架是由各桿件鉸接形成 利用平行四邊形的不穩(wěn)定性 可以實踐的需要調(diào)節(jié) 機架的角度 進而調(diào)節(jié)了牽連速度與相對速度的角度 使得實驗更趨近與實踐 中的實際情況 本套實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單 原理易懂 制作和使用價格便宜 適 用于各大高校理論力學的實驗裝置 推廣應(yīng)用價值大 設(shè)計方案設(shè)計方案 根據(jù)設(shè)計目的 整套實驗裝置主要由電機 鉸接的平行四邊形機架 滑動 導(dǎo)軌 滑塊指點 速度傳感系統(tǒng) 曲柄連桿機構(gòu)和軌跡描繪系統(tǒng) 電機根據(jù)計 算的要求選擇合適的型號 平行四邊形和曲柄連桿機構(gòu)根據(jù)要求選用合適的材 料 本節(jié)主要從實驗裝置的的總體方案和速度測量系統(tǒng)兩個方面來介紹本實驗 裝置的具體設(shè)計方案 本實驗裝置以電動機為動力來源 電動機驅(qū)動動曲柄連桿轉(zhuǎn)動 連桿和滑 動導(dǎo)軌之間鉸接 這樣電機工作就給滑動導(dǎo)軌一個相對于機架不斷變化的速度 機架模擬靜坐標系 滑塊導(dǎo)軌模擬動坐標系 滑塊導(dǎo)軌的速度即為牽連速度 滑動導(dǎo)軌上的裝有電機和曲柄滑塊機構(gòu) 讓電機轉(zhuǎn)動驅(qū)動滑塊在滑塊導(dǎo)軌上運 動 滑塊模擬質(zhì)點 其相對于滑塊導(dǎo)軌的速度即為相對速度 安裝在平行四邊 形機架上的速度傳感器可以測量出質(zhì)點相對于機架的速度 即為絕對速度 在平行四邊機架的下部分裝有畫板 滑塊運動時 滑塊下方裝夾的畫筆會 在畫板上畫出滑塊的運動軌跡 這樣 根據(jù)滑塊的軌跡 作出任意一點軌跡的 切線 即可確定滑塊在這一點絕對速度的方向 平行四邊形機架是由四個桿是鉸接組成 實驗時可以根據(jù)實踐的需要調(diào)節(jié) 機架的角度 當改變機架的角度時 那么牽連速度和相對速度的角度也會隨之 而改變 得實驗更接近實踐運用中的實際情況 下圖即為該套實驗裝置的結(jié)構(gòu) 簡圖 機構(gòu)的運動分析 如下圖所示為此實驗裝置的整體的運動分析圖 滑塊的牽連速度 Ve 由電動機 1 和曲柄連桿機構(gòu)提供 已知曲柄長 L1 連 桿長 L2 滑塊導(dǎo)軌距曲柄轉(zhuǎn)軸的距離為 S1 偏執(zhí)距離 h1 0 給定原動件的 位置角 1 及電動機 1 提供給曲柄的角速度 W 常數(shù) 連桿的位置角為 2 角速度為 W2 滑塊的相對速度 Vr 由步進電機驅(qū)動絲桿提供 由文獻 1 四桿機構(gòu)的運動分析中曲柄滑塊的運動分析可建立如下方程 Ve 的求解 列出位移方程 S1 L1cos 1 L2cos 2 h1 0 L1sin 1 L2sin 2 由上式可求得 S1 和 2 為 sin 2 2 1sin 1 L L S1 L1cos 1 22 1sin 1 2 LL 上式對 t 求導(dǎo)得 Ve L1W1sin 1 L2W2sin 2 S 0 L1W1cos 1 L2W2cos 2 由上式可得和 W2 S W2 2 cos2 1cos 11 L WL Ve L1W1 sin 1 cos 1 tan 2 S 所以 Ve L1W1 sin 1 cos 1 tan 2 如下圖所示為滑塊的速度合成示意圖 則滑塊的絕對速度 Va Va cos2e 22 VeVrVrV 然后把此理論計算的絕對速度和實驗光電門所測得的速度比較 以此來證 明這一理論的正確性 機構(gòu)的動力分析機構(gòu)的動力分析 機構(gòu)傳動力分析及電動機的選擇機構(gòu)傳動力分析及電動機的選擇 機構(gòu)運動見圖如下所示 系統(tǒng)的動力由兩個電動機提供 一個提供系統(tǒng)牽連速度 一個提供相對速度 電動機轉(zhuǎn)動 將動力通過曲柄連桿傳遞給與它相連的滑塊機構(gòu) 推動滑塊在導(dǎo) 軌上運動 電動機電動機 1 的選擇的選擇 電動機 1 給滑塊導(dǎo)軌提供其在機架導(dǎo)軌上運動的動力 即提供一個牽連速 度 電動通過轉(zhuǎn)動傳遞出轉(zhuǎn)矩 然后通過曲柄滑塊機構(gòu)傳到滑塊驅(qū)動滑塊的運 動 查文獻 1 得最小傳動角公式 min arccos e a b 由于電動機的轉(zhuǎn)軸以及曲柄滑塊機構(gòu)的連桿和導(dǎo)軌的連接點在同一水平線上 所以偏心距 e 0 a 50 b 60 即最小傳動角為 min arcos a b arcos 50 60 33 56 查文獻 1 得無油潤滑時鋼與鋼的摩擦系數(shù)為 f 0 1 導(dǎo)軌質(zhì)量 m1 10kg 滑塊質(zhì)量 m2 1kg 重力加速度 g 9 806kg N 所需克服的摩擦力為 F1 f m1 m2 g 11 79N 所以機構(gòu)要能運動最小的 F1 為 F1min 11 79N F2 F1 sin min 11 79 sin33 56 21 33N 電動機所需提供的垂直于 a 桿的力 F F2 cos min 38 58N 0 90 力 F 對轉(zhuǎn)軸的力矩 M F a 38 58 0 5 19 29 即轉(zhuǎn)軸的輸出轉(zhuǎn)矩為 M M 19 29 查得電動機的輸出轉(zhuǎn)矩以及功率 轉(zhuǎn)速的公式 T 9550 P n 其中 T 輸出轉(zhuǎn)矩 P 功率 n 電動機轉(zhuǎn)速 根據(jù)計算得出的輸出轉(zhuǎn)矩 查小型電動機參數(shù)表初步選取 Y132s1 2 額定功率 為 5 5kw 額定轉(zhuǎn)速為 2900r min 代入計算 T 9550 5 5 2900 18 1 滿足要求 考慮到實際轉(zhuǎn)速問題 再加一個減速機 WB150 型減速器 其減速比 為 87 電動機電動機 2 的選擇的選擇 電動機 2 給滑塊提供滑塊在滑塊導(dǎo)軌上運動的動力 即提供一個相對速度 電動通過轉(zhuǎn)動傳遞出轉(zhuǎn)矩 然后通過曲柄滑塊機構(gòu)傳到滑塊促使滑塊的運動 機構(gòu)簡圖如上圖所示 結(jié)構(gòu)參數(shù)為 a 20 b 40 min arcos a b arcos 20 40 60 查機械原理第二版得無油潤滑時鋼與鋼的摩擦系數(shù)為 f 0 1 滑塊質(zhì)量 m2 1kg 重力加速度 g 9 806kg N 所需克服的摩擦力為 F1 f m2g 0 9806N 所以機構(gòu)要能運動最小的 F1 為 F1min 0 9806N F2 F1 sin min 0 9806 sin60 1 13N 電動機所需提供的垂直于 a 桿的力 F F2 cos min 1 3N 0 90 力 F 對轉(zhuǎn)軸的力矩 M F a 1 3 0 2 0 26 即轉(zhuǎn)軸的輸出轉(zhuǎn)矩為 M M 0 26 查機械手冊得電動機的輸出轉(zhuǎn)矩以及功率 轉(zhuǎn)速的公式 T 9550 P n 其中 T 輸出轉(zhuǎn)矩 P 功率 n 電動機轉(zhuǎn)速 初步選取電動機為 Y802 2 型電動機 其參數(shù)為 P 1 1kw n 2830r min 計算的 T 3 7 符合條件 工作原理及性能分析工作原理及性能分析 其具體原理如下 動力系統(tǒng)一動力系統(tǒng)一 電動機作為動力元件 驅(qū)動曲柄作整圓周運動 通過連桿帶動滑 塊導(dǎo)軌沿固定導(dǎo)軌沿某個方向運動 動力系統(tǒng)二動力系統(tǒng)二 和上面原理相同 電機驅(qū)動滑塊導(dǎo)軌上的曲柄連桿使滑塊沿移動 導(dǎo)軌運動 運動方向沿著滑塊導(dǎo)軌上的導(dǎo)軌 執(zhí)行元件執(zhí)行元件 滑塊下裝架一個畫筆 畫筆下安放一個畫板 當兩個電機同時驅(qū)動 滑塊 粉筆 運動時將在畫板上留下畫跡 測量元件測量元件 速度傳感器 在滑塊運動的過程中 開啟速度傳感器即可測量某一 點處滑塊的速度 理論分析理論分析 滑塊導(dǎo)軌相對畫板移動 速度為Ve 滑塊 粉筆 相對移動導(dǎo)軌運 動 速度為 Vr 牽連合速度為滑塊 粉筆 相對畫板的速度 速度為 Va 該速 度由測速儀測得 通過實驗數(shù)據(jù)若有 Ve Vr Va 從而驗證點的合成運動 創(chuàng)新點及推廣應(yīng)用創(chuàng)新點及推廣應(yīng)用 1 用曲柄滑塊機構(gòu)來驅(qū)動滑塊往復(fù)運動 還能加深機械原理課程中的曲 柄滑塊機構(gòu)的理解 2 平行四邊形機架可以根據(jù)個人需要進行調(diào)節(jié)角度 從而調(diào)節(jié)了牽連速 度和相對速度的夾角 使得實驗更趨于實際情況 3 滑塊上裝夾的畫筆筆能清晰的在畫板上顯示小車的運動軌跡 使得點 的合成運動的實驗結(jié)果更直觀 在目前 各大院校開設(shè)的理論力學的課程中 幾乎沒有開設(shè)點的合成運動 的實驗 而且市面上也沒有相應(yīng)方便易用實驗器材 為了方便老師更加直觀生 動的講授該章節(jié)的知識 也為了每位同學在學習的過程中