简易传动机构建构与模拟

1、簡易傳動機構建構與模擬組員：范光儀、吳俊緯、周彥廷、黃新凱、蔡旻憲德霖技術學院機械工程系日五專0921指導教授：張惠欽 老師摘 要本研究是利用SOLID WORKS 3D機械設計軟體所提供的應用程式為架構，利用SOLID WORKS所附加的模組COSMOSMotion虛擬原型機構運動分析軟體來進行下列機構模擬作動，包括：四連桿組、活塞式氣壓機構、齒輪造型機構、牛頭刨床機構、門開關機構、電影放映機送片機構、凸輪及從動件、沖床機構等八種常見機構，一、前言本專題所研究的宗旨就是秉著改良傳統製作方式，目前的做法是有了設計構思，然後繪製機構於軟體上，以參數模擬實體機構的作動，並針對該研發的產品以COSM

2、OSMotion虛擬原型機構運動分析軟體來進行觀察，檢視機構上的缺點或需要改進的地方，修正傳統的研發過程缺陷。二、理論探討機器是由一個或多個機構所構成的組合體，他能夠將輸入的各種能量轉變為機械能(Mechanical energy)，例如沖床、刨床等機器都是將輸入的電能轉變為機械能而作功的。機器與機構常被混淆使用，其實兩者所代表的意義，並不完全相同。通常我們認為將多個機件加以組合，使得各個機件間產生相對運動(Relative motion)或限制運動(Constrained motion)時，此組合即為一機構(Mechanism)，而這一機構在有能量之轉換或作功(Work)時，則稱之為機器(M

3、achine)。所以我們可以發現機器與機構兩者相異之點，機器能傳達力量及運動，必須作功；而機構僅能傳達運動，不一定要作功。從上述的定義上來看，機器必須具備下列幾項條件： 機器是由一個或多個機構組合而成，且組合機構之機件，必須有充分強度。機器各部份之運動，必須有一定預期之運動軌跡，而非任意之運動。機器必須能接收能源。機器能把所接收之能源，變換為有效的工作2在一個機構中，凡是能夠推動其他機件者，稱為原動件(Driver)；凡是被其他機件影響而運動者，稱為從動件(Follower)。有時候我們可以直接觀察互相連接之機件，當發生運動時，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

4、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，當以齒輪為原動件時，從動件齒條則作直線運動；如果反過來以齒條為原動件，則從動件齒輪則作旋轉運動。但蜗桿與蜗輪搭配，當我們轉動蜗桿時，則蜗輪轉動；反過來若轉動蜗輪時，則不能使蜗桿發生轉動。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。如果要使一機件在一定路線上運動，需要另外一個機件與他接觸或配合，及構成一對偶(Pair)，有了對偶才能夠控制它使達成某種工作。機件之對偶(Pair of elements)，依照接觸性質之不同，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：(一

5、)低對又可稱為合對(Closed pair)，凡是機件係面接觸者，稱為低對。依其接觸面形狀之不同，所約束的運動性質亦不同。(二)高對凡是兩機件係點或線接觸者，稱為高對。實際有時候接觸僅為點接觸(Point contact)。球面與平面之接觸，如齒輪(Gear)、凸輪(Cam)等，皆屬高對之實例。三、研究過程活塞式壓氣機是一種將機械能轉化為氣體勢能的機械，機構簡圖如圖1-1所示。電機通過皮帶帶動曲柄轉動，由連趕推動活塞移動，壓縮汽缸內的空氣達到所需要的壓力。曲柄旋轉一週，活塞往復移動一次，壓氣機的工作過程可分為吸氣、壓縮、排氣三步驟。表1-1為活塞運轉一個週期，壓氣機的工作過程及其對應的機構所處

6、位置和受力數據。圖1-1 活塞式壓氣機式意圖曲柄位置(°)015150仿真時間(s)00.080.42活塞受力(N)000表1-1活塞運轉吸氣過程數據曲柄位置(°)180210240255270285仿真時間(s)0.50.580.670.710.750.79活塞受力(N)20010202850461076509600表1-1(續) 活塞運轉壓縮過程數據曲柄位置(°)300330360仿真時間(s)0.830.921活塞受力(N)960096000表1-1(續) 活塞運轉排氣過程數據活塞式壓氣機汽缸的零件組成比較複雜，在不影響仿真的前提下，只對其主要零件進行造型，

7、包括曲柄、連桿、銷軸、活塞和機座。曲柄的繪製開啟SolidWorks，建立一個新零件，右擊FeatureManager特徵管理員中的【材質】，選擇【編輯材質】指令，如圖1-2所示。選用一般碳鋼圖1-2 編輯曲柄材質選擇新建草圖，跟著選擇【前基準面】，繪製一個圓，用智慧型尺寸標註圓的直徑，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在圓柱體端面上右擊，選擇【草圖】指令，按下正視於草圖，繪製圓，標註尺寸直徑為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

8、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5.00mm圖1-5 繪製圓及定義伸長圖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 導圓角示意圖圖1-7b 導圓角示意圖選擇【插入】/【參考幾何】/【基準面】指令，以伸長距離為5.00mm的特徵插入一個基準面1，如圖1.8所示圖1-8 選擇端面做鏡射平面選擇特徵【鏡射】指令，選擇基準面1作為鏡射面，鏡射特徵選擇整個完成造型的實體，如圖1-9所示，即可得到所需的曲柄造型，如圖1-10所示圖1-9 鏡射

9、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】，選擇【編輯材質】指令，選用一般碳鋼選擇新建草圖，跟著選擇【前基準面】，繪製草圖，標註尺寸如圖1-11所示，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】/【基準面】指令，選擇連桿端面，設置參數如圖1-12所示，建立一個通過連桿厚度中間的基準平面，供裝配時使用。圖1-12 插入基準面選擇特徵【導角】指令，將零件各邊導角，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FeatureManag

10、er特徵管理員中的【材質】，選擇【編輯材質】指令，選用一般碳鋼選擇新建草圖，跟著選擇【前基準面】，繪製草圖，如圖1-14所示，標註尺寸，選擇特徵【伸長填料/基材】指令，伸長草圖，伸長距離為38.00mm。圖1-14 銷軸草圖選擇【插入】/【參考幾何】/【基準面】指令，選擇銷軸端面，設置如圖1-15所示，建立通過銷軸長度中間的基準平面，供裝配時使用。如圖1-16所示圖1-15 建立基準面活塞建立一個新零件，右擊FeatureManager特徵管理員中的【材質】，選擇【編輯材質】指令，選用一般碳鋼圖1-16 銷軸完成圖選擇新建草圖，跟著選擇【前基準面】，繪製一個圓，直徑為40.00mm，選擇特徵【

11、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】/【基準軸】指令，選擇圓柱面，建立通過圓柱軸線的基準軸1。選擇【插入】/【參考幾何】/【基準面】指令，在圖1-18中選擇基準軸1和上基準面，建立通過圓柱軸線的基準面1。點擊基準面1，選擇建立草圖，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 繪製銷軸孔選擇特徵【伸長除料】指令，參數設置如圖1.20所示圖1-20 定義銷軸孔再次選擇基準面1的邊框，選擇【插入草圖】指令，

12、按下正視於草圖，再該草圖上繪製一個矩形，標註尺寸，如圖1-21所示圖1-21 繪製槽草圖選擇特徵【旋轉除料】指令，選擇基準軸做為旋轉軸，在活塞上環切除一個槽，如圖1-22所示圖1-22 切槽完成示意圖選擇特徵【直線複製排列】指令，選擇環切槽特徵做為陣列對象。選擇基準軸做為陣列方向，填寫陣列參數，如圖1-23所示選擇特徵【圓角】指令，將各邊導圓角，半徑0.50mm，得到零件活塞造型，如圖1-24所示圖1-23 陣列切槽圖1-24活塞完成圖機座建立一個新零件，右擊FeatureManager特徵管理員中的【材質】，選擇【編輯材質】指令，選用一般碳鋼選擇新建草圖，跟著選擇【前基準面】，繪製草圖，如圖

13、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，得機座造型，如圖1-26所示圖1-25 機座草圖圖1-26機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】添加進來，再次點擊工具列上的插入零組件，將前面完成的零件【連桿】也添加進去。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，出現結合工具列會自動默認配合為同軸心，零件將移動到位，預覽配合。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合按鈕，選擇圖1-28中曲柄的基準面和連桿的基準面，進行重合結合圖1-28

14、使用基準面作重合結合連桿與銷軸組合再次點擊工具列上的插入零組件，添加零組件【銷軸】，選擇工具列上的結合按鈕，然後在選擇連桿上的孔和銷軸的表面，進行同軸心結合，確定後再次點選結合按鈕，分別選擇連桿和銷軸的基準面，完成重合結合，進而使連桿與銷軸在中間位置對齊組合，如圖1-29所示圖1-29 銷軸和連桿的結合銷軸與活塞組合再次點擊工具列上的插入零組件，添加零組件【活塞】，選擇工具列上的結合按鈕，然後在選擇活塞的孔和銷軸的表面，進行同軸心結合，確定後再次點選結合按鈕，分別選擇活塞和銷軸的基準面，完成重合結合，使活塞和銷軸在中間的位置組合，如圖1-30所示圖1-30 活塞和銷軸的結合活塞與機座組合再次點

15、擊工具列上的插入零組件，添加零組件【機座】，選擇工具列上的結合按鈕，然後在選擇活塞圓柱體表面與機座圓柱體表面，完成重合結合，確定後再次點選結合按鈕，分別選擇活塞的上基準面和機座的上基準面，按下垂直按鈕，使機座水平放置，如圖1-31所示。圖1-31 機座和活塞的結合初始位置的確定為了使活塞式壓氣機的初始位置在0度，要把曲柄轉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，然後調整曲柄和連桿的位置在同一水平上，如圖1-32所示圖1-32活塞式壓氣機組合件完成圖仿真設定添加約束在運動分析之前，必須用各種運動對，如旋轉對、移動對、球面對、等將各零件連接起來。組

16、合時添加的各種結合將自動映射為運動分析的約束，如圖1-33所示。同時在繪圖區，各約束的圖標符號也將顯示出來，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】/【旋轉對】指令，出現圖1-36所示的對話框，單擊【選擇第二個零件】，然後選擇機座；單擊【選擇位置】，用鼠標選擇曲柄軸的圓周，即選擇曲柄軸的圓心作為旋轉對的位置，如圖1-37所示，單擊【應用】按鈕圖1-

17、35 添加旋轉對圖1-36 定義需要作旋轉對的零件圖1-37 定義旋轉對完成圖添加驅動右擊Motion中的【約束】下面的Revolute，選擇屬性，在出現的對話框中選擇【運動】這項下，【運動作用在】設置為【繞Z軸旋轉】，【運動類型】設置為【速度】，【函數】設置為【恆定值】，【角速度】設置為360°/s，如圖1-38所示。這樣就把曲柄與機座之間的旋轉運動對添加了一個角速度為每秒360度的驅動，曲柄成為原動件。圖1-38添加驅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，在出現對話框中選擇【定義】這項，如圖1-40

18、所示。右擊活塞(受力部件)、機座(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，將做出相應的改變圖1-39 添加單作用力選項圖1-40 定義單作用力於哪個方向圖1-41 定義作用力完成圖設置工作阻力的值如圖1-42所示，選擇【函數】這項，力類型【函數】設置為【】，將表1-1的數據輸入到圖1-42的座標，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工具列上按下設置仿真選項，該選項可以設置仿真時間、是否施加重力、動畫快慢等，如圖1-43所示。圖1-43 仿真選項仿真結果通過仿真，可以得到在自定的活塞推力，活塞的位置、速度、加速度，以及曲柄作均速運動需要的平衡力距等參數。四、分析結果活塞式壓氣機 活塞推力 平動加速度 平動速度 平動位移凸輪