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1、.,机械原理课程设计,游戏机传动系统设计,.,目录 设计要求及原始数据 运动方案的讨论 机构及运动参数的确定 制作过程 运动分析结果 总结,.,一.设计要求及原始数据,.,一.功能要求及工作原理 总功能要求 设计一新游戏：让一画有景物的屏幕由静止逐渐开始左右晃动，晃动的角度由小变大，最终旋转起来，转几周后，屏幕又渐趋静止。 工作原理 由于观众在暗室中仅能看见屏幕上的景物，根据相对运动原理，观众产生一个错觉，他不认为屏幕在晃动，反而认为自己在晃动，并且晃动的越来越厉害，最后竟旋转起来，这是一个有惊无险的游乐项目。,.,二.原始数据和设计要求 屏幕由静止开始晃动时的摆角约60。 每分钟晃动次数约为
2、1012次。 屏幕由开始晃动到出现整周转动，历时约23分钟。 屏幕约转10多转后，渐渐趋于静止。 用三相交流异步电动机带动，其同步转速为1000r/min或1500r/min，功率约1KW. 屏幕摆动幅度应均匀增大或稍呈加速的趋势。,.,三.要求完成的设计工作量 本题设计的时间为1.5周。 根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。 按工艺动作过程拟定运动循环图。 根据系统功能图绘制功能矩阵表。 构思系统运动方案(至少六个以上)，进行方案评价，选出较优方案。 用解析法对传动机构和执行机构进行运动尺寸设计，或在尺寸给定的条件下进行运动与动力分析。 绘制系统机械运动方案简图。 编写设计说明书，附
3、源程序和计算结果。,.,二. 运动方案的讨论,.,因为游戏机系统需完成减速、运动交替和转换、停歇的功能，并且要改变屏幕晃动幅度的大小，使之逐渐增大，最终使屏幕作连续回转，所以拟采用四杆机构来实现。,.,采用四杆机构时面临以下几点问题 开始运动时为曲柄摇杆机构，为了实现摆动变转动，是将之变为双曲柄机构（机架为最短杆）还是平行四边形机构 改变哪一根杆的长度，是增加AB杆还是缩短CD杆 变杆长采用凸轮机构还是丝杆机构 并且三点问题是相互关联的。,.,双曲柄机构（机架为最短杆）vs平行四边形机构 增加AB杆vs缩短CD杆 若采用双曲柄机构，只能增长AB的杆长，使CD最终实现周转，四杆机构由曲柄摇杆变为
4、双曲柄机构，由于急回行程相当大，无法实现运动要求，所以四杆机构选定为平行四边形机构。 若采用缩短CD杆，则在运动过程中只能将摆动变为匀速移动，只能用凸轮来实现，且设计复杂，加工困难，不予考虑。,.,若选择方案1，即通过轮上的沟槽达到凸轮的效果，改变杆长；但这种方案不易控制杆长随沟槽的变化规律，难以实现。,增长AB杆有多种方法,.,若选择方案2和3，杆长的变化与时间不是线性关系；转动幅度没有规律性，故舍弃。,.,方案3,.,相比之下，方案4和5有很大优越性，可以准确的控制杆长的增长速度。其中方案4为凸轮机构，相比方案5的丝杆机构，加工困难，传动也没有丝杆均匀。从传动上考虑（由计算可得齿轮3和4的
5、传动比为1：60，中间需要一个齿轮系来实现），凸轮机构需要一个复杂庞大的轮系来实现，结构显然没有丝杆机构紧凑；而且圆柱凸轮本身就比丝杆粗大笨重。所以我们最终选择了方案5丝杆机构。,.,.,方案5,.,丝杆机构仅能实现杆长的变化，传动还需靠四杆机构来完成，这就需要在双摇杆机构和平行四边形机构之间做出选择。 若选择双摇杆机构，分析过程如下：,.,.,从ad,最后d为最短杆。设bd,cd,当a增大至d，最短杆为d。设最长杆为c，则d+ca+b；若要AB杆为曲柄(周转)，只能取临界值，即d+c=a+bc=b。即便a略大于d，AB杆仍周转，只需满足b=c即可。根据实际情况，取b=c=1500mm，又起初
6、摆角为，作图，得最小为。若减小，运动速度均匀，但转动角减小，故取。由以上数据得到的机构急回行程太明显，所以我们最终选择的是平行四边形机构。,.,三.机构及运动参数的确定,.,平行四边形机构分析如下：,.,若短杆为机架(AD)(bc),a必须c；一旦ac,a变为摇杆，c变为曲杆，不符和要求，所以条件苛刻，需要精确的计算。 根据CD杆最初的摆角为60和机构的条件确定AB200mm AD=BC660mm,.,列出方程,.,上述方程利用Matlab求解 a,b,c=solve(b=a+pi/3,cos(a)*2*c*660 =6602+c2-(660-200)2,cos(b)*2*c*660 =660
7、2+c2-(660+200)2,a,b,c) 得出,.,为了选取丝杆和计算、加工的方便 取整 取c400mm,计算得a=41.67 b105.83 所以=64.16 符合任务要求。,.,下面验证 机构的急回行程 AB从200mm变动到400mm,纵坐标为 极位夹角 弧度制表示,.,纵坐标为 行程速比系数K,.,在运动中有可能会出现反平行四边形机构，这时急回行程太明显，从 动画演示中可以直观看出，下面图表可以提供有关急回行程的具体数据。,.,.,对于齿轮1和2的计算：,.,.,对丝杆传动的计算：,丝杆传动可以实现较为理想的传动比。因为丝杆与齿轮2固结为一体，所以两者角速度相同。现取 ，故齿轮一取
8、18齿，齿轮2取27齿。 H转动2.5分钟，每分钟转12圈，现共转30圈，查表4-133 GB 784-65，则丝杆在运动2.5分钟内转动10转，丝杆行程为200mm。螺纹高度 工作高度h = 8，间隙z = 1，圆角半径， H = 1.886 t = 37.32 关于直径和螺距的取值，查表GB784-65，d取第一系列，d=10。,.,关于蜗轮蜗杆的计算,为了使蜗轮蜗杆的大小和机构整体协调，蜗轮直径在240280之间。查表GB/T10088-88, 优先采用第一系列。 蜗轮蜗杆的正确啮合条件 取 则,.,由 得出 需保证,.,最终方案,.,制作过程,造形过程比较顺利，但在装配过程中遇到很多问
9、题,.,1 cosmos和solidworks的关系,Cosmos是solidworks里的一个插件，在solidworks中添加的约束和cosmos motion中的constraints（约束，各种运动副）是相关的，但不等同。在solidworks中添加同轴心、重合、距离等约束时，在motion中会相应自动添加出各种运动副，例如杆的两平面和槽的两平面重合时会自动添加出滑动副。但是具体哪个面、哪个方向都有严格要求，所以很多情况下运动副不会自动被添加。因此，要时刻注意Cosmos中的运动副，必要时手动添加，尽量做到每装一个构件都有正确的运动。,.,2 子装配问题,如果以运动分析为目标，在sol
10、idworks装配体里，应该装配构件而非零件。零件是指加工的基本单元，构件是指机构运动的基本单元，它可以由多个零件组成，但其运动是一整体，内部无相对运动。 在solidworks中，装配体1中调用装配体2，被调用的装配体2称为子装配，在装配体1中是一个构件，整体运动。所以在装配时要注意先将零件装配成构件再调入总装配中。 也可以利用fixed约束，将两零件进行固结。,.,3 齿轮、蜗杆,在运动模拟中，齿轮、蜗杆都不用造出详细特征，而用圆盘圆柱代替，并相应添加齿轮副即可。由以下几点值得注意：1.圆盘圆柱的直径尽量采用分度圆直径。2.在solidworks中，齿轮副是以构件轴心的转动速度比来添加的，而在cosmos motion中，是以两个转动副的速度比来添加的。,.,4 螺纹,根据机构的要求设计出螺纹的旋合长度为200mm，在50秒内丝杆与套筒以恒定角速度旋合，而后旋出，使两者之间无相对滑动。用cosmos motion时，添加screw pair，在速度当中添加函数STEP(TIME,0,72D,50,0D)，可以达到要求。,.,运动分析结果,我们在solidworks中造形装配，在cosmos中运动验证过之后，最后导入ADAMS，完成运动分析，并录下了动画效果（另有侧面效果） 结果如下：,.,角速度图象,.,角加速度图象,
