一種基于最優(yōu)傳動(dòng)的特殊凸輪廓線研究及其優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種基于最優(yōu)傳動(dòng)的特殊凸輪廓線研究及其優(yōu)化-2013/2014學(xué)年第一學(xué)期課程代碼：14002180課程名稱:高等機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)讀試卷:A、B考試形式：開卷、閉卷考試時(shí)間:120分鐘學(xué)號(hào)1014010姓名任課教師_王新華_專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化得分提交4000字左右論文一篇，內(nèi)容為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在本專業(yè)的應(yīng)用或研究。要求：摘要、關(guān)鍵字、概述（或引言等）、內(nèi)容、結(jié)果分析、結(jié)論、參考文獻(xiàn)等齊全；或創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案與制作一件。1.論文附：選題(不限于)（1）xxx機(jī)械產(chǎn)品或裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)（2）xxx機(jī)械產(chǎn)品

2、或裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（3）xxx機(jī)械產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（4）基于xxx方法的xxx產(chǎn)品的可靠性（5）基于xxx軟件的xxx產(chǎn)品的反求設(shè)計(jì)2.創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)：根據(jù)高等機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)讀所學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行一項(xiàng)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與構(gòu)思。要求：設(shè)計(jì)產(chǎn)品范圍不限，產(chǎn)品要求體現(xiàn)創(chuàng)新性，具有自己獨(dú)特的思維與實(shí)用性，字?jǐn)?shù)不低于4000字，包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)方法與實(shí)施過(guò)程，以及產(chǎn)品的應(yīng)用前景。一種基于最優(yōu)傳動(dòng)的特殊凸輪廓線研究及其優(yōu)化姜傳杰（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海）摘要：針對(duì)“智能疊衣衣櫥”創(chuàng)新項(xiàng)目中的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)同步帶上撥針的曲線進(jìn)行研究，在兩種方案中分析比較確定了最優(yōu)方案

3、。將撥針視為凸輪，利用“反轉(zhuǎn)法”和用速度瞬心分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原理，借助CAD軟件，設(shè)計(jì)凸輪廓線，以使傳動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)角始終保持最大。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，撥針的曲線實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)凹弧面凸輪。最后，將設(shè)計(jì)好的凸輪還原為撥針曲線，進(jìn)行優(yōu)化，添加了一個(gè)滾子，撥針機(jī)構(gòu)便類似于滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)傳動(dòng)。關(guān)鍵詞：撥針，同步帶，凸輪，凹弧面凸輪，滾子，壓力角，傳動(dòng)角，速度瞬心，反轉(zhuǎn)法，凸輪廓線StudyandOptimizationofaSpecialCamProfileBasedOnOptimalTransmissionJIANGChuanjie（SchoolofMechanicalEngineering

4、,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai）Abstract:Forthebeltinourinnovativeprojectofartificialclosetforfoldingclothes,thecurveofhandsettingonthesynchronousbeltareresearched,andthetheoptimalsolutionhasbeenselectedbytheanalysisandcomparisonofthetwoprograms.Thehandsettingcanbedeemedasacam,

5、andbyvirtueofthetheoriesofreversalprocess,theapplicationsofinstantaneouscenterofvelocityinthemovementofmechanism,andtheaidofCADsoftware,thecamprofilehasbeencorrectlydesignedsothatthedrivingangleintheprocessoftransmissionremainsthelargest.Asaresult,thecurveofhandsettingisactuallyanequivalentofaconcav

6、earccam.Finally,transformthedesignedcambackintohandsettingcurve,optimizethemechanism,addingaroller,andthehandsettingcanbesimilartothediskcammechanismwithoscillatingrollerfollower,achievingtheoptimaltransmission.Keywords:handsetting,synchronousbelt,cam,concavearccam,roller,pressureangle,drivingangle,

7、instantaneouscenterofvelocity,reversalprocess,comprofile設(shè)計(jì)背景1.1問(wèn)題由來(lái)在去年我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“智能疊衣衣櫥”中，為實(shí)現(xiàn)同步帶帶動(dòng)掛衣環(huán)（視為導(dǎo)軌）上的衣架（視為一滑塊），我們?cè)谕綆饩壣弦惶幜袅艘粋€(gè)凸出的厚度，以便放置撥針，通過(guò)撥針帶動(dòng)衣架在掛衣環(huán)上運(yùn)行。該機(jī)構(gòu)的示意圖如右圖所示：后來(lái)，我們?cè)诓粩嗟恼{(diào)試中遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：由于同步帶使用次數(shù)不斷增多，同步帶逐漸變松，撥針因此傾斜一個(gè)角度（如下圖所示），越來(lái)越難以帶動(dòng)衣架運(yùn)動(dòng)。1.2簡(jiǎn)化模型針對(duì)以上問(wèn)題，我對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步探討，如果以撥針與同步帶連接點(diǎn)為參照物，則相當(dāng)于同步帶沒有運(yùn)

8、動(dòng)，撥針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，滑塊緊貼在撥針上。根據(jù)實(shí)際情況，可設(shè)定導(dǎo)軌距離轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的距離e不變，將滑塊視為一個(gè)直動(dòng)從動(dòng)件，因此，機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如下：1.3問(wèn)題產(chǎn)生的原因由簡(jiǎn)化模型可以看出，當(dāng)同步帶變松時(shí)，撥針對(duì)從動(dòng)件的作用力順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，力與速度方向成一夾角（即壓力角），該角度等于撥針傾斜的角度，撥針傾斜程度越大，壓力角越大，由于摩擦等因素，從動(dòng)件便越難以運(yùn)行。由于同步帶容易傾斜側(cè)彎，從動(dòng)件便很容易產(chǎn)生“卡死”現(xiàn)象。這種問(wèn)題在生活中也普遍存在著。設(shè)計(jì)意圖經(jīng)過(guò)初步分析，我們需要設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)，使得機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，壓力角盡量保持為0，即傳動(dòng)角始終保持最大，為90度。這樣的機(jī)構(gòu)如果能設(shè)計(jì)出來(lái)，不僅能

9、解決我們機(jī)械創(chuàng)新中遇到的問(wèn)題，而且能給生活工作中很多類似的問(wèn)題提供一種解決思路，帶來(lái)方便，為社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的討論為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)傳動(dòng)，使傳動(dòng)角始終保持90度，結(jié)合我們?cè)跈C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程中所學(xué)的內(nèi)容，我們自然會(huì)聯(lián)想到兩種設(shè)計(jì)方案：一、在撥針斷點(diǎn)處加一個(gè)滾子。二、將撥針設(shè)計(jì)成特定的曲線，使得傳動(dòng)中該曲線始終與直動(dòng)從動(dòng)件垂直。顯然，這兩種方案都可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，但可能還會(huì)受到其他因素的制約，為此，我們對(duì)這兩種方案做了如下比較和討論：3.1在撥針端點(diǎn)處加上一個(gè)滾子如圖所示，該方案通過(guò)一個(gè)滾子，由于滾子始終與滑塊表面相切，因此，能完成預(yù)期的傳動(dòng)效果。但是，在皮帶產(chǎn)生松動(dòng)后，因?yàn)閾茚樀拈L(zhǎng)度是一個(gè)定

10、值，撥針傾斜勢(shì)必會(huì)造成滾子左移，滾子對(duì)滑塊的作用力也因此發(fā)生偏置（如圖），這樣就產(chǎn)生了一個(gè)偏距e，產(chǎn)生一個(gè)力偶M=Fe.該力偶的出現(xiàn)會(huì)使滑塊與導(dǎo)軌之間的壓力增大，摩擦增大，滑塊在導(dǎo)軌上運(yùn)行仍舊遇到困難。3.2將撥針設(shè)計(jì)成特定的曲線如右圖所示，該方案是將撥針設(shè)計(jì)成特定的曲線，使得傳動(dòng)中該曲線始終與直動(dòng)從動(dòng)件垂直，傳動(dòng)角自然始終保持90度。由于機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，且無(wú)論撥針如何偏轉(zhuǎn)，都不會(huì)影響滑塊的滑動(dòng)?；瑝K由于寬度的存在可能會(huì)帶來(lái)一些偏差，但在后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在滑塊上加一個(gè)滾子，便可解決。因此，該方案可行。3.3產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的選擇綜合以上兩種方案，毫無(wú)疑問(wèn)，選擇方案二，即將撥針設(shè)計(jì)成特定的曲線。這種方法

11、簡(jiǎn)單可行，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)傳動(dòng)，且不會(huì)帶來(lái)附加力偶，不影響滑塊在導(dǎo)軌上的傳動(dòng)。3.4產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的模型替代在方案二中，如果將撥針構(gòu)件擴(kuò)大，想象成一個(gè)凸輪，將從動(dòng)件頂端加一彈簧，那么機(jī)構(gòu)又可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的凸輪問(wèn)題。因此，初步的凸輪模型可以替代方案二中的機(jī)構(gòu)。由該凸輪模型可以看出，與常規(guī)的凸輪機(jī)構(gòu)不同的是，該凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的行程是負(fù)的，且凸輪廓線是下凹的，凸輪已不是“凸輪”，而成了“凹輪”，或者稱其為“凹弧面凸輪”。設(shè)計(jì)方法4.1設(shè)計(jì)方法的初步探討由以上分析，我們現(xiàn)在所要解決的問(wèn)題就是如何設(shè)計(jì)出該凸輪廓線。首先，應(yīng)該對(duì)凸輪及其從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)情況了解。結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的知識(shí)，我們可以利用速度瞬心法在機(jī)構(gòu)運(yùn)

12、動(dòng)中的分析，利用三心定理，確定該機(jī)構(gòu)的三個(gè)瞬心，繼而通過(guò)速度瞬心法，求出從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如右圖所示，找出機(jī)架1與凸輪的瞬心P13，機(jī)架1與從動(dòng)件2的瞬心P23,，再根據(jù)三心定理，確定凸輪與從動(dòng)件的瞬心P12.然后，我們?cè)龠M(jìn)行從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，為方便分析，使凸輪有效的廓線部分不變，將凹弧面凸輪轉(zhuǎn)化為真正的凸輪，如圖所示，因?yàn)閺膭?dòng)件始終與凸輪廓線垂直，因此可以再?gòu)膭?dòng)件與凸輪接觸處添加一個(gè)平底，凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況沒有發(fā)生任何變化。對(duì)該凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)凸輪的瞬心始終在偏心圓上，即瞬心P12和P13不變。若設(shè)凸輪以恒定角速度運(yùn)轉(zhuǎn)，則凸輪轉(zhuǎn)角=t從動(dòng)件行程S=Vt從動(dòng)件速度V=e由以上三個(gè)

13、式子算得凸輪廓線隨凸輪轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為S=e最后，確定了凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之后，也就等于知道了凸輪廓線的變化規(guī)律，我們可以利用反轉(zhuǎn)法的原理，設(shè)計(jì)出凸輪廓線。4.2利用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)凸輪廓線為畫圖方便，只討論凸輪有效部分的廓線，如右圖所示：根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，在CAD軟件中繪制凸輪廓線，以10度為一個(gè)間隔，共繪制出凸輪廓線上的五個(gè)有效點(diǎn)，將這五個(gè)點(diǎn)用樣條曲線連接起來(lái)即成了凸輪廓線。如下圖所示：提取出的凸輪有效廓線效果圖如下：該凸輪廓線應(yīng)用于凸輪，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)角始終為90度，解決了開頭提出的問(wèn)題。凸輪的進(jìn)一步優(yōu)化5.1加滾子由于滑塊存在一定的寬度，因此，為消除滑塊寬度的影響，在滑塊長(zhǎng)度方向加上一個(gè)凸輪，使

14、之固定于滑塊上，并可以自轉(zhuǎn)，效果如下圖所示。5.2加彈簧為防止凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度過(guò)大而使凸輪廓線過(guò)長(zhǎng)，凸輪過(guò)大過(guò)于笨重，因此，在凸輪的另外一面，加上一個(gè)彈簧，結(jié)構(gòu)合理，尺寸小，運(yùn)行靈活。5.3將最終的優(yōu)化方案回歸原機(jī)構(gòu)根據(jù)以上兩個(gè)優(yōu)化的添加，應(yīng)用于原機(jī)構(gòu)，即可解決問(wèn)題。由于同步帶較軟，承載能力小，加上彈簧反而不好，因此省略彈簧，得效果圖如下：優(yōu)化方案結(jié)果的獨(dú)創(chuàng)性分析由最終設(shè)計(jì)出的凹弧面凸輪，可知，該凸輪不是一般的凸輪，其機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件的行程也不是常規(guī)的方式，而與常規(guī)的相反，因此凸輪廓線也是下凹的，凸輪已不再是“凸輪”，而成了“凹輪”，或者稱其為“凹弧面凸輪”。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是保證最優(yōu)傳動(dòng)，即傳動(dòng)角

15、始終保持90度，意圖新穎，應(yīng)用廣泛，切實(shí)可行，著眼于使機(jī)構(gòu)壓力角始終保持最小，為各種機(jī)械提供了方便。綜合運(yùn)用速度瞬心和反轉(zhuǎn)法的知識(shí)，設(shè)計(jì)凸輪廓線，使理論聯(lián)系實(shí)際，巧妙的完成了凸輪廓線的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的應(yīng)用前景該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于一種機(jī)構(gòu)的一個(gè)構(gòu)件帶動(dòng)另外一個(gè)構(gòu)件使之一并做相同的運(yùn)動(dòng)。凡是有帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程都可以使用該機(jī)構(gòu)，而現(xiàn)實(shí)工作生活中的各種機(jī)械很多就存在帶動(dòng)。我們團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新項(xiàng)目就是通過(guò)用撥針帶動(dòng)衣架運(yùn)行的方法完成了可以疊多件衣服，方便，靈巧而且功能如果不使用帶動(dòng)，每次只能疊一件衣服，浪費(fèi)了時(shí)間，降低了效率，加大了成本，使原本創(chuàng)新的項(xiàng)目失去了價(jià)值。該產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得撥針在帶動(dòng)衣架運(yùn)動(dòng)中，不會(huì)產(chǎn)生“卡死”現(xiàn)象，保證了最優(yōu)傳動(dòng)，即傳動(dòng)角始終保持9