正弦傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與制造

陸貴軍 ?？〗?郭丁昊 劉燕

摘要：運(yùn)用逆向設(shè)計(jì)思維設(shè)計(jì)了正弦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，更改原有機(jī)構(gòu)的參數(shù)，使用UG12繪制零件圖、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，使用激光切割機(jī)進(jìn)行加工制造。

關(guān)鍵詞：正弦機(jī)構(gòu);UG12;逆向設(shè)計(jì);激光切割

對(duì)于機(jī)械專業(yè)本科大學(xué)生，大部分時(shí)間在學(xué)習(xí)理論知識(shí)，少有機(jī)會(huì)接觸到實(shí)際零件生產(chǎn)。書本上很多細(xì)節(jié)不用實(shí)踐來(lái)理解是十分困難和枯燥的。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目為我們提供了一個(gè)動(dòng)手的機(jī)會(huì)。本項(xiàng)目研究正弦傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與制造。

一、項(xiàng)目背景和意義[1-4]

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)正弦機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中間隙、碰撞、振動(dòng)、磨損等問題進(jìn)行研究，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)副中的間隙、摩擦、桿件彈性變形因素對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性影響巨大，間隙除了加大運(yùn)動(dòng)誤差外，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)副反復(fù)出現(xiàn)接觸與不接觸的交替現(xiàn)象，而引起的碰撞沖擊，會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲和加重運(yùn)動(dòng)副之間的磨損。桿件的彈性變形使運(yùn)動(dòng)輸出誤差增大，特別是高精密的機(jī)械，可導(dǎo)致失效。對(duì)于正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)法，圖解法和解析法運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對(duì)正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)精度大幅提高。

正弦機(jī)構(gòu)是一種經(jīng)典的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在眾多農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用廣泛，在機(jī)械加工、控制、傳動(dòng)等方面，正弦機(jī)構(gòu)發(fā)揮重要作用。許多機(jī)器應(yīng)用該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳遞或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如磨齒機(jī)、研磨機(jī)、柴油機(jī)、開式壓力機(jī)、加工中心、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床、十字滑塊往復(fù)式壓縮機(jī)等，本項(xiàng)目對(duì)正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，掌握和熟悉機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、制圖、仿真及制造、調(diào)試、裝配過(guò)程。

二、設(shè)計(jì)修改及繪制零件圖

正弦機(jī)構(gòu)包括運(yùn)動(dòng)部分和驅(qū)動(dòng)部分。其中用于驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)齒輪，齒輪軸上安裝有驅(qū)動(dòng)搖桿，底板支撐原為矩形底板四角各設(shè)一個(gè)小圓柱，經(jīng)老師指導(dǎo)修改為中間內(nèi)凹或者鉆孔后用螺釘固定四個(gè)軟墊片。原有方案的不妥之處在于后續(xù)底板零件在銑床加工時(shí)，如果使用四點(diǎn)支撐，需要在預(yù)設(shè)厚度的一塊平面上銑掉絕大部分材料而只留下四角，這樣將會(huì)浪費(fèi)四點(diǎn)之間的材料，同時(shí)增加了加工難度和精度，最直接的缺點(diǎn)是增加了加工步驟;而將四點(diǎn)連接起來(lái)，相比之下可以減輕以上問題。我們最后采用了中間內(nèi)凹支撐的方案，相比與攻螺紋孔的方案可以更加簡(jiǎn)單一些。各零件圖采用UG12繪制。

三、裝配

零件裝配如圖1、圖2所示，裝配需要標(biāo)注適合的約束。以運(yùn)動(dòng)裝置中的十字桿為例。十字桿中的豎桿與驅(qū)動(dòng)連桿間有接觸;直接標(biāo)注了“中心（一對(duì)二）”接觸，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)桿軸線始終保持在豎桿槽的兩個(gè)邊的中心。十字桿自身的運(yùn)動(dòng)是在空間中沿直線往復(fù)，需要分別從三個(gè)方向約束十字桿，長(zhǎng)度方向：桿始終平行于底板;高度方向：桿始終在底板上固定高度來(lái)回移動(dòng);寬度方向：桿與四個(gè)支撐柱始終接觸。這樣就確定了桿的運(yùn)動(dòng)，完成了對(duì)桿的約束。

四、仿真

零件仿真需要標(biāo)注適合的運(yùn)動(dòng)副。除了在課本上常見的滑動(dòng)副、滾動(dòng)副。在運(yùn)動(dòng)裝置部分，十字桿豎桿與驅(qū)動(dòng)桿間使用了“線在線上副”，即驅(qū)動(dòng)桿圓柱線上某線與十字桿豎桿滑槽壁上某線相配合。齒輪之間使用了“齒輪耦合副”;大小齒輪中小齒輪與手搖桿相連，用于驅(qū)動(dòng);首先標(biāo)記小齒輪“轉(zhuǎn)動(dòng)副”與“60r/min”的驅(qū)動(dòng);然后為大齒輪標(biāo)記“轉(zhuǎn)動(dòng)副”;最后在兩齒輪之間標(biāo)記“齒輪耦合副”。

標(biāo)注約束與運(yùn)動(dòng)副本身是一件繁瑣與復(fù)雜的工作，需要大量時(shí)間和精力，十分考驗(yàn)?zāi)托暮图?xì)心。仿真過(guò)程中讓我們反復(fù)琢磨的點(diǎn)在于，在運(yùn)動(dòng)裝置中十字連桿與四個(gè)支撐柱之間的運(yùn)動(dòng)副選擇“滑動(dòng)副”。在這一位置除了“滑動(dòng)副”，還有一個(gè)“3D接觸”的運(yùn)動(dòng)副可以選擇，如果不使用仿真來(lái)檢驗(yàn)，兩者在理論上都是合理的選擇。在前期仿真過(guò)程中，選擇了“3D接觸”運(yùn)動(dòng)副，導(dǎo)致開始仿真后十字連桿飛離原有位置，仔細(xì)研究后做出上述更改解決了這一問題。

五、實(shí)物制造

選用5mm亞克力板，以及相應(yīng)的激光切割制造實(shí)物。首先選擇合適板厚的亞克力板，放入機(jī)器，將激光刀頭對(duì)齊右上角，導(dǎo)入圖紙進(jìn)行切割;對(duì)于需要鉆孔的零件多切割一個(gè)做備件;切割完畢后需要撕去表面保護(hù)膜，用電鉆手動(dòng)鉆孔，再進(jìn)行裝配。

考慮到在亞克力板上攻出的螺紋孔容易磨損，如果孔離板邊緣過(guò)近或者孔與孔之間過(guò)近有可能發(fā)生崩裂，采用手動(dòng)鉆孔，孔的位置手動(dòng)測(cè)量，可以保證精度，支架頂端孔與零件邊緣十分接近，電鉆鉆頭垂直鉆入，如果偏斜過(guò)大，鉆入路徑過(guò)分靠近邊緣，很容易造成崩裂，為了降低加工難度，找到了虎鉗固定支架，一定程度上緩解了這一問題。

六、總結(jié)

在項(xiàng)目完成的過(guò)程中，實(shí)際動(dòng)手參與設(shè)計(jì)、修改、制造、組裝。期間克服了諸多困難，這些困難是課本上難以寫明白，老師難以教清楚，只有投身實(shí)際制造才能有所體會(huì)的。通過(guò)本次項(xiàng)目，不但增長(zhǎng)了理論學(xué)識(shí)，而且豐富了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)踐教程，周海，電子工業(yè)出版社，2018

[2]機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用圖例（第三版），孫開元，張麗杰，化學(xué)工業(yè)出版社，2018

[3]機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，姚壽文，北京理工大學(xué)出版社，2015

[4]正弦機(jī)構(gòu)鍵合圖建模與仿真研究，關(guān)文芳，碩士論文，2011

項(xiàng)目：正弦傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與制造（項(xiàng)目編號(hào)：CX2024005）;

《基于案例教學(xué)的現(xiàn)代制造技術(shù)概論》課程建設(shè)（項(xiàng)目編號(hào)：k202024001）。

（上海工程技術(shù)大學(xué)）