簡易傳動機(jī)構(gòu)建構(gòu)與模擬

1、簡易傳動機(jī)構(gòu)建構(gòu)與模擬組員：范光儀、吳俊緯、周彥廷、黃新凱、蔡旻憲德霖技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系日五專 0921指導(dǎo)教授：張惠欽 老師摘要本研究是利用 SOLID WORKS 3D 機(jī)械設(shè)計(jì)軟體所提供的應(yīng)用程式為架構(gòu)，利用 SOLID WORKS 所附加的模組 COSMOSMotion 虛擬原型機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析軟體來進(jìn)行下列機(jī)構(gòu)模擬作動 ，包 括：四連桿組、活塞式氣壓機(jī)構(gòu)、齒輪造型機(jī)構(gòu)、牛頭刨床機(jī)構(gòu)、門開關(guān)機(jī)構(gòu)、電影放映機(jī)送片機(jī)構(gòu)、凸輪及從動件、沖床機(jī)構(gòu)等八種常見機(jī)構(gòu)，一、前言 本專題所研究的宗旨就是秉著改良傳統(tǒng)製作 方式，目前的做法是有了設(shè)計(jì)構(gòu)思，然後繪 製機(jī)構(gòu)於軟體上，以參數(shù)模擬實(shí)體機(jī)構(gòu)的作 動，並針

2、對該研發(fā)的產(chǎn)品以 COSMOSMotion 虛擬原型機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析軟體來進(jìn)行觀察，檢 視機(jī)構(gòu)上的缺點(diǎn)或需要改進(jìn)的地方，修正傳 統(tǒng)的研發(fā)過程缺陷。二、理論探討 機(jī)器是由一個或多個機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的組合體， 他能夠?qū)⑤斎氲母鞣N能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 (Mechanical energy) ，例如沖床、刨床等機(jī)器 都是將輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而作功的。 機(jī)器與機(jī)構(gòu)常被混淆使用，其實(shí)兩者所代表 的意義，並不完全相同。通常我們認(rèn)為將多 個機(jī)件加以組合，使得各個機(jī)件間產(chǎn)生相對 運(yùn) 動 (Relative motion) 或 限 制 運(yùn) 動 (Constrained motion) 時，此組合即為一機(jī)構(gòu) (Mechani

3、sm) ，而這一機(jī)構(gòu)在有能量之轉(zhuǎn)換或 作功 (Work) 時，則稱之為機(jī)器 (Machine) 。所 以我們可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)構(gòu)兩者相異之點(diǎn)， 機(jī)器能傳達(dá)力量及運(yùn)動，必須作功；而機(jī)構(gòu) 僅能傳達(dá)運(yùn)動，不一定要作功。 從上述的定義上來看，機(jī)器必須具備下列幾 項(xiàng)條件： 機(jī)器是由一個或多個機(jī)構(gòu)組合而成，且組合 機(jī)構(gòu)之機(jī)件，必須有充分強(qiáng)度。機(jī)器各部份之運(yùn)動，必須有一定預(yù)期之運(yùn)動 軌跡，而非任意之運(yùn)動。機(jī)器必須能接收能源。 機(jī)器能把所接收之能源，變換為有效的工作2 在一個機(jī)構(gòu)中，凡是能夠推動其他機(jī)件者， 稱為原動件 (Driver) ；凡是被其他機(jī)件影響而 運(yùn)動者，稱為從動件 (Follower) 。有時候

4、我們 可以直接觀察互相連接之機(jī)件，當(dāng)發(fā)生運(yùn)動 時，其主動者則為原動件，後動者則謂之從 動件。值得注意的是，原動件與從動件有些 是可以互換的，有些則不能。例如齒輪與齒 條互相搭配，當(dāng)以齒輪為原動件時，從動件 齒條則作直線運(yùn)動；如果反過來以齒條為原 動件，則從動件齒輪則作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但蝸桿 與蝸輪搭配，當(dāng)我們轉(zhuǎn)動蝸桿時，則蝸輪轉(zhuǎn) 動；反過來若轉(zhuǎn)動蝸輪時，則不能使蝸桿發(fā) 生轉(zhuǎn)動。以上的例子，正說明了原動件與從 動件有時可以互換，有時則不可。 如果要使一機(jī)件在一定路線上運(yùn)動，需要另 外一個機(jī)件與他接觸或配合，及構(gòu)成一對偶 (Pair) ，有了對偶才能夠控制它使達(dá)成某種工 作。機(jī)件之對偶 (Pair of

5、 elements) ，依照接觸 性質(zhì)之不同，可分為低對 (Lower pair) 及高對 (Higher pair) 兩種，茲將這兩種對偶情形分述 如下：181(一)低對 又可稱為合對 (Closed pair) ，凡是機(jī)件係面接觸者，稱為低對。依其接觸面形狀之不同， 所約束的運(yùn)動性質(zhì)亦不同。(二)高對 凡是兩機(jī)件係點(diǎn)或線接觸者，稱為高對。實(shí) 際有時候接觸僅為點(diǎn)接觸 (Point contact) 。球 面與平面之接觸，如齒輪 (Gear) 、凸輪 (Cam) 等，皆屬高對之實(shí)例。造型，包括曲柄、連桿、銷軸、活塞和機(jī)座。曲柄的繪製 開啟 SolidWorks ，建立一個新零件，右擊Featu

6、reManager 特徵管理員中的【材質(zhì)】， 選擇【編輯材質(zhì)】指令，如圖 1-2 所示。選 用一般碳鋼圖 1-2 編輯曲柄材質(zhì)三、研究過程活塞式壓氣機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體勢曲柄位置()180210240255270285仿真時間(s)0.50.580.670.710.750在.79圓活塞受力(N)2001022854617659按60下00000表 1-1 活塞運(yùn)轉(zhuǎn)吸氣過程數(shù)據(jù)能的機(jī)械，機(jī)構(gòu)簡圖如圖 1-1 所示。電機(jī)通 過皮帶帶動曲柄轉(zhuǎn)動，由連趕推動活塞移 動，壓縮汽缸內(nèi)的空氣達(dá)到所需要的壓力。 曲柄旋轉(zhuǎn)一週，活塞往復(fù)移動一次，壓氣機(jī) 的工作過程可分為吸氣、 壓縮 、排氣三步驟。 表 1

7、-1 為活塞運(yùn)轉(zhuǎn)一個週期，壓氣機(jī)的工作 過程及其對應(yīng)的機(jī)構(gòu)所處位置和受力數(shù)據(jù)。圖 1-1 活塞式壓氣機(jī)式意圖曲柄位置 ( )015150仿真時間 (s)00.080.42活塞受力 (N)000表 1-1(續(xù) ) 活塞運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮過程數(shù)據(jù)曲柄位置 ( )300330360仿真時間 (s)0.830.921活塞受力 (N)960096000表 1-1(續(xù) ) 活塞運(yùn)轉(zhuǎn)排氣過程數(shù)據(jù) 活塞式壓氣機(jī)汽缸的零件組成比較複雜，在 不影響仿真的前提下，只對其主要零件進(jìn)行 選擇新建草圖，跟著選擇【前基準(zhǔn)面】，繪 製一個圓，用智慧型尺寸標(biāo)註圓的直徑，如 圖 1-3 所示。圖 1-3 曲柄草圖選擇特徵 【伸長填料 /基

8、材】指令，伸長草圖， 伸長距離為 5.00mm ，如圖 1-4 所示。圖 1-4 定義草圖伸長及方向 體端面上右擊，選擇【草圖】指令，正視於草圖，繪製圓，標(biāo)註尺寸直徑為 10mm ，如圖 1-5 所示。選擇特徵 【伸長填 料 / 基材】指令，伸長草圖，伸長距離為 20.00mm 在圓柱體另一端面上，右擊選擇【草圖】指 令，按下正視於草圖，繪製圓，標(biāo)註尺寸如圖 1-6 所示。選擇特徵【伸長填料 / 基材】指 令，伸長草圖，伸長距離為 5.00mm182圖 1-8 選擇端面做鏡射平面 選擇特徵【鏡射】指令，選擇基準(zhǔn)面 1 作為鏡射面，鏡射特徵選擇整個完成造型的實(shí) 體，如圖 1-9 所示，即可得到所

9、需的曲柄造型，如圖 1-10 所示圖 1-5 繪製圓及定義伸長圖 1-7b 導(dǎo)圓角示意圖 選擇【插入】 /【參考幾何】 /【基準(zhǔn)面】 指令， 以伸長距離為 5.00mm 的特徵插入一個基準(zhǔn) 面 1 ，如圖 1.8 所示圖 1-9 鏡射示意圖圖 1-6 繪製圓及定義伸長 選擇特徵【圓角】指令，將各邊倒圓角，如 圖 1-7a 和圖 1-7b 所示圖 1-7a 導(dǎo)圓角示意圖圖 1-10 曲柄完成圖連桿的繪製 建立一個新零件，右擊 FeatureManager 特徵 管理員中的【材質(zhì)】，選擇【編輯材質(zhì)】指 令，選用一般碳鋼 選擇新建草圖，跟著選擇【前基準(zhǔn)面】，繪 製草圖，標(biāo)註尺寸如圖 1-11 所示，

10、選擇特徵 【伸長填料 /基材】指令，伸長草圖，伸長距 離為 5.00mm 。圖 1-11 連桿草圖 選擇【插入】 /【 參考幾何】 /【 基準(zhǔn)面】 指令， 選擇連桿端面，設(shè)置參數(shù)如圖 1-12 所示，建 立一個通過連桿厚度中間的基準(zhǔn)平面，供裝 配時使用。183圖 1-12 插入基準(zhǔn)面選擇特徵【導(dǎo)角】指令，將零件各邊導(dǎo)角， 邊長為 1.00mm ，如圖 1-13 所示圖 1-13 連桿完成圖銷軸 建立一個新零件，右擊 FeatureManager 特徵 管理員中的【材質(zhì)】，選擇【編輯材質(zhì)】指 令，選用一般碳鋼 選擇新建草圖，跟著選擇【前基準(zhǔn)面】，繪 製草圖，如圖 1-14 所示，標(biāo)註尺寸，選擇特

11、 徵【伸長填料 /基材】指令，伸長草圖，伸長圖 1-16 銷軸完成圖 選擇新建草圖，跟著選擇【前基準(zhǔn)面】，繪 製一個圓，直徑為 40.00mm ，選擇特徵【伸 長填料 /基材】指令，伸長草圖，伸長距離為 40.00mm ，得一圓柱體。 選擇特徵【薄殼】指令，選擇圓柱體端面， 薄殼厚度 3mm ，如圖 1-17 所示圖 1-17 薄殼後圓柱體 選擇【插入】 /【 參考幾何】 /【 基準(zhǔn)軸】 指令， 選擇圓柱面 ，建立通過圓柱軸線的基準(zhǔn)軸 1。 選擇【插入】 /【 參考幾何】 /【 基準(zhǔn)面】 指令， 在圖 1-18 中選擇基準(zhǔn)軸 1 和上基準(zhǔn)面，建立 通過圓柱軸線的基準(zhǔn)面 1。點(diǎn)擊基準(zhǔn)面 1，選

12、擇建立草圖， 按下正視於草圖 ，再草 圖上繪製一個圓，如圖 1-19 所示。圖 1-18 選擇平面圖 1-19 繪製銷軸孔圖 1-14 銷軸草圖選擇【插入】 /【參考幾何】 /【基準(zhǔn)面】 指令， 選擇銷軸端面，設(shè)置如圖 1-15 所示，建立通圖 1-15 建立基準(zhǔn)面活塞建立一個新零件，右擊 FeatureManager 特徵 管理員中的【材質(zhì)】，選擇【編輯材質(zhì)】指 令，選用一般碳鋼184選擇特徵【伸長除料】指令，參數(shù)設(shè)置如圖1.20 所示圖 1-23 陣列切槽圖 1-21 繪製槽草圖圖 1-20 定義銷軸孔再次選擇基準(zhǔn)面 1 的邊框，選擇 【插入草圖】 指令，按下 正視於草圖 ，再該草圖 上繪

13、製一個矩形，標(biāo)註尺寸，如圖 1-21 所示選擇特徵【旋轉(zhuǎn)除料】指令，選擇基準(zhǔn)軸做 為旋轉(zhuǎn)軸 ，在活塞上環(huán)切除一個槽 ，如圖 1-22 所示圖 1-24 活塞完成圖機(jī)座建立一個新零件，右擊 FeatureManager 特徵 管理員中的【材質(zhì)】，選擇【編輯材質(zhì)】指 令，選用一般碳鋼 選擇新建草圖，跟著選擇【前基準(zhǔn)面】，繪 製草圖，如圖 1-25 所示，選擇特徵【伸長填 料 / 基材】指令，伸長草圖，伸長距離為 50.00mm ，得機(jī)座造型，如圖 1-26 所示圖 1-25 機(jī)座草圖圖 1-22 切槽完成示意圖 選擇特徵【直線複製排列】指令，選擇環(huán)切 槽特徵做為陣列對象。選擇基準(zhǔn)軸做為陣列 方向，

14、填寫陣列參數(shù)，如圖 1-23 所示選擇特徵【圓角】指令，將各邊導(dǎo)圓角，半徑 0.50mm ，得到零件活塞造型，如圖 1-24 所示圖 1-26 機(jī)座完成圖零組件裝配過程曲柄與連桿組合開啟 SolidWorks ，建立一個組合件。首先將 前面完成的零件【曲柄】添加進(jìn)來，再次點(diǎn) 擊工具列上的插入零組件，將前面完成的零185件【連桿】也添加進(jìn)去。單擊組合件工具列上的配合按鈕後，分別選 擇曲柄軸面和連桿的孔面，如圖 1-27 所示，出現(xiàn)結(jié)合工具列心結(jié)合，確定後再次點(diǎn)選結(jié)合按鈕，分別選擇活塞和銷軸的基準(zhǔn)面，完成重合結(jié)合，使 活塞和銷軸在中間的位置組合，如圖 1-30 所 示會自動默認(rèn)配合為同軸心，零件將

15、移動到 位，預(yù)覽配合。圖 1-30 活塞和銷軸的結(jié)合活塞與機(jī)座組合圖 1-27 定義曲柄和連桿的配合 再次單擊組合件工具列的結(jié)合按鈕，選擇圖 1-28 中曲柄的基準(zhǔn)面和連桿的基準(zhǔn)面，進(jìn)行 重合結(jié)合圖 1-28 使用基準(zhǔn)面作重合結(jié)合 連桿與銷軸組合 再次點(diǎn)擊工具列上的插入零組件，添加零組 件【銷軸】，選擇工具列上的結(jié)合按鈕，然 後在選擇連桿上的孔和銷軸的表面，進(jìn)行同 軸心結(jié)合，確定後再次點(diǎn)選結(jié)合按鈕，分別 選擇連桿和銷軸的基準(zhǔn)面，完成重合結(jié)合， 進(jìn)而使連桿與銷軸在中間位置對齊組合，如 圖 1-29 所示再次點(diǎn)擊工具列上的插入零組件，添加零組 件【機(jī)座】，選擇工具列上的結(jié)合按鈕，然 後在選擇活塞圓

16、柱體表面與機(jī)座圓柱體表 面，完成重合結(jié)合，確定後再次點(diǎn)選結(jié)合按 鈕，分別選擇活塞的上基準(zhǔn)面和機(jī)座的上基 準(zhǔn)面，按下垂直按鈕，使機(jī)座水平放置，如 圖 1-31 所示。圖 1-31 機(jī)座和活塞的結(jié)合初始位置的確定 為了使活塞式壓氣機(jī)的初始位置在 0 度，要 把曲柄轉(zhuǎn)動中心和連桿安置再同一水平線 上，再特徵管理員中，右擊曲柄，選擇浮動， 始固定的曲柄成為浮動，然後調(diào)整曲柄和連 桿的位置在同一水平上，如圖 1-32 所示圖 1-29 銷軸和連桿的結(jié)合銷軸與活塞組合 再次點(diǎn)擊工具列上的插入零組件，添加零組件【活塞】，選擇工具列上的結(jié)合按鈕，然後在選擇活塞的孔和銷軸的表面，進(jìn)行同軸圖 1-32 活塞式壓氣

17、機(jī)組合件完成圖仿真設(shè)定添加約束在運(yùn)動分析之前，必須用各種運(yùn)動對，如旋186轉(zhuǎn)對、移動對、球面對、等將各零件連接起來。組合時添加的各種結(jié)合將自動映射為運(yùn) 動分析的約束，如圖 1-33 所示。同時在繪圖區(qū)，各約束的圖標(biāo)符號也將顯示出來，如圖1-34 所示。圖 1-33 Motion 遊覽器圖 1-34 添加約束後的活塞式壓氣機(jī)圖 1-37 定義旋轉(zhuǎn)對完成圖添加驅(qū)動右擊 Motion 中的【約束】下面的 Revolute ， 選擇屬性，在出現(xiàn)的對話框中選擇【運(yùn)動】 這項(xiàng)下，【運(yùn)動作用在】設(shè)置為【繞 Z 軸旋 轉(zhuǎn)】，【運(yùn)動類型】設(shè)置為【速度】，【函 數(shù)】設(shè)置為【恆定值】，【角速度】設(shè)置為 360 /s

18、，如圖 1-38 所示。這樣就把曲柄與機(jī) 座之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對添加了一個角速度為每 秒 360 度的驅(qū)動，曲柄成為原動件。SolidWorks 組合時所添加的約束種類，不如 COSMOSMotion 中的多，在組合時沒有添加 的約束，則需要在這裡補(bǔ)上。右擊 Motion 中的【零組件】 下面的【曲柄 -1】， 如圖 1-35 所示，選擇 【添加約束】 /【旋轉(zhuǎn)對】 指令，出現(xiàn)圖 1-36 所示的對話框，單擊【選 擇第二個零件】，然後選擇機(jī)座；單擊【選 擇位置】，用鼠標(biāo)選擇曲柄軸的圓周，即選 擇曲柄軸的圓心作為旋轉(zhuǎn)對的位置，如圖1-37 所示，單擊【應(yīng)用】按鈕圖 1-35 添加旋轉(zhuǎn)對圖 1-36

19、定義需要作旋轉(zhuǎn)對的零件圖 1-38 添加驅(qū)動添加工作阻力 先定義工作阻力 右擊 Motion 中的【約束】下面的【單作用力】 ， 如圖 1-39 所示 ，選擇【添加單作用力】 指令， 在出現(xiàn)對話框中選擇 【定義】 這項(xiàng)，如圖 1-40 所示。右擊活塞 （ 受力部件 ）、機(jī)座 （參考部 件）、活塞端面的圓周 （ 受力位置 ），按下【選 擇方向】，可以改變作用力的方向，同時圖1-41 中的力的作用方向圖標(biāo)，將做出相應(yīng)的 改變187圖 1-39 添加單作用力選項(xiàng)仿真結(jié)果通過仿真，可以得到在自定的活塞推力，活 塞的位置、速度、加速度，以及曲柄作均速 運(yùn)動需要的平衡力距等參數(shù)。四、分析結(jié)果活塞式壓氣機(jī)活塞推力 平動加速度圖 1-41 定義作用力完成圖 設(shè)置工作阻力的值 如圖 1-42 所示，選擇【函數(shù)】這項(xiàng)，力類型 【函數(shù)】設(shè)置為【】，將表 1-1 的數(shù)據(jù)輸入 到圖 1-42 的座標(biāo)，第一列為表 1-1 的仿真時 間，第二列為表 1-1 的活塞推力。圖 1-42 添加工作阻力 在 COSMOSMotion 工具列上 按 下設(shè)置仿真選項(xiàng)，該選項(xiàng)可以設(shè)置仿真時 間、是否施加重力、動畫快慢等