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195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

2、，並針對該研發的產品以 COSMOSMotion 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 (Mech

3、anism) ，而這一機構在有能量之轉換或 作功 (Work) 時，則稱之為機器 (Machine) 。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) 。

4、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

5、 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)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。造型，包括曲柄、連桿、銷軸、活塞和機座。曲柄的繪製（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 （Poi nt con tact）。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

6、如圖1-1所示。電機通曲柄位置()180210240255270285仿真時間(s)0.50.580.670.710.750在圓活塞受力(N)2001022854617659按下00000表1-1活塞運轉吸氣過程數據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開啟 SolidWorks，建立一個新零件

7、，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0 口磊$宪译1田占=TE-t口已丑倉门 Bixuleir申- dl比暉蕊癣；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主體端面上右擊，選擇【草圖】指令，正視於草圖，繪製圓，標註尺寸直徑表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

8、（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1-8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1-5繪製圓及定義伸長申专m a廿*.甘圖

9、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1-9鏡射示意圖I 1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。U圖1-11連桿草圖選擇【插入】/【參考幾何】/【基準面】

10、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。JL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，建立通圖1-16銷軸完成圖選擇新建草圖，跟著選

11、擇【前基準面】，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，2 按下正視於草圖，再草圖上繪製一個圓，如圖1-19所示。進扌钦P*呈乍料】一通過直視占通過點且甲行面（曰匕 90.00-:圖1-18選擇平

12、面 圖1-19繪製銷軸孔回反轉方向（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，選用一般碳鋼選擇特徵【伸長除料】指令，參數設置如圖1.20所示兀邑1 H4临：完全灯忘*I I疥彌關料g近j：_叔倍曲夕i浜g /丘再.冋左.尢圭虫菇圖1-23陣列切槽OK I圖1-21繪製槽草圖圖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，按下 J 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1-24活塞

13、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1-22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1-26機座完成圖零組件裝配過程曲柄與連桿組合開啟SolidWork

14、s，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， 岀現結合工具列B m一、“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所示會自動默認配合為同軸心，零件將移動到 位，預覽配合。圖1-30活塞和銷軸的結合活塞與機座組合圖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，

15、進行同軸圖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 A- I2o+ _l *Ni圖1-28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 所示再次點擊工具列上的插入零組件，添加零組 件【機座】

16、，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所示轉對、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岀來，如圖1-

17、34所示。聞Wife窃闻飛酉己体gH件 自-0寺邮件白运动令部件+吗|S2E-碰徨綱圖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BittSupprauIIII圖1-3

18、5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 ，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1-4

19、0 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，將做岀相應的 改變圖1-39添加單作用力選項進恠位盟 | II39IHI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。區算丹向:U2J四、分析結果活塞式壓氣機活塞推力平動加速度圖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

20、-1的活塞推力。nAD.DSn.4?D.5V鼻 rcnew4nDU e2OD nnsoO _U 曰 ajKiSPtMF館祈识弓:UJ圖1-42添加工作阻力在COSMOSMotion 工具列上口 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。U*mt 力皿 IWW Solwer却E怕景帕的灘e OD1J回喑段时生磺动IHT(A口 1O口就厲用邯？音音件所砰帝Iffl勺件QD 口彳口罐極使用幅确几阿半 QFhKibh loinit?匚I MaJw fointe FtejdtikiTrundaiiDiiAL-MJ i (D) | i ClOOIHi疋】 魅捕 j | 毗昭 |圖1-43仿真選項! &HI 13 IK l OD Id Vt IE OKI li平動速度平動位移凸輪機構從動件滾子角加速度從動件滾子角速度I