正弦傳動裝置的設計與制造

陸貴軍 祝俊金 郭丁昊 劉燕

摘要：運用逆向設計思維設計了正弦傳動機構，更改原有機構的參數，使用UG12繪制零件圖、裝配和運動仿真，使用激光切割機進行加工制造。

關鍵詞：正弦機構;UG12;逆向設計;激光切割

對于機械專業本科大學生，大部分時間在學習理論知識，少有機會接觸到實際零件生產。書本上很多細節不用實踐來理解是十分困難和枯燥的。大學生創新創業計劃項目為我們提供了一個動手的機會。本項目研究正弦傳動裝置的設計與制造。

一、項目背景和意義[1-4]

國內外大量學者對正弦機構系統中間隙、碰撞、振動、磨損等問題進行研究，機構運動時，系統構件之間的運動副中的間隙、摩擦、桿件彈性變形因素對其運動特性影響巨大，間隙除了加大運動誤差外，在系統運轉過程中，由于運動副反復出現接觸與不接觸的交替現象，而引起的碰撞沖擊，會產生劇烈振動，進而產生噪聲和加重運動副之間的磨損。桿件的彈性變形使運動輸出誤差增大，特別是高精密的機械，可導致失效。對于正弦機構進行試驗法，圖解法和解析法運動學分析，對正弦機構運動優化設計，運動精度大幅提高。

正弦機構是一種經典的傳動機構，在眾多農業機械和工程機械行業中的應用廣泛，在機械加工、控制、傳動等方面，正弦機構發揮重要作用。許多機器應用該機構實現機器的運動轉換、動力傳遞或往復運動。如磨齒機、研磨機、柴油機、開式壓力機、加工中心、數控轉塔沖床、十字滑塊往復式壓縮機等，本項目對正弦機構進行研究，掌握和熟悉機構參數設計、制圖、仿真及制造、調試、裝配過程。

二、設計修改及繪制零件圖

正弦機構包括運動部分和驅動部分。其中用于驅動的兩個齒輪，齒輪軸上安裝有驅動搖桿，底板支撐原為矩形底板四角各設一個小圓柱，經老師指導修改為中間內凹或者鉆孔后用螺釘固定四個軟墊片。原有方案的不妥之處在于后續底板零件在銑床加工時，如果使用四點支撐，需要在預設厚度的一塊平面上銑掉絕大部分材料而只留下四角，這樣將會浪費四點之間的材料，同時增加了加工難度和精度，最直接的缺點是增加了加工步驟;而將四點連接起來，相比之下可以減輕以上問題。我們最后采用了中間內凹支撐的方案，相比與攻螺紋孔的方案可以更加簡單一些。各零件圖采用UG12繪制。

三、裝配

零件裝配如圖1、圖2所示，裝配需要標注適合的約束。以運動裝置中的十字桿為例。十字桿中的豎桿與驅動連桿間有接觸;直接標注了“中心（一對二）”接觸，即一個驅動桿軸線始終保持在豎桿槽的兩個邊的中心。十字桿自身的運動是在空間中沿直線往復，需要分別從三個方向約束十字桿，長度方向：桿始終平行于底板;高度方向：桿始終在底板上固定高度來回移動;寬度方向：桿與四個支撐柱始終接觸。這樣就確定了桿的運動，完成了對桿的約束。

四、仿真

零件仿真需要標注適合的運動副。除了在課本上常見的滑動副、滾動副。在運動裝置部分，十字桿豎桿與驅動桿間使用了“線在線上副”，即驅動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，用于驅動;首先標記小齒輪“轉動副”與“60r/min”的驅動;然后為大齒輪標記“轉動副”;最后在兩齒輪之間標記“齒輪耦合副”。

標注約束與運動副本身是一件繁瑣與復雜的工作，需要大量時間和精力，十分考驗耐心和細心。仿真過程中讓我們反復琢磨的點在于，在運動裝置中十字連桿與四個支撐柱之間的運動副選擇“滑動副”。在這一位置除了“滑動副”，還有一個“3D接觸”的運動副可以選擇，如果不使用仿真來檢驗，兩者在理論上都是合理的選擇。在前期仿真過程中，選擇了“3D接觸”運動副，導致開始仿真后十字連桿飛離原有位置，仔細研究后做出上述更改解決了這一問題。

五、實物制造

選用5mm亞克力板，以及相應的激光切割制造實物。首先選擇合適板厚的亞克力板，放入機器，將激光刀頭對齊右上角，導入圖紙進行切割;對于需要鉆孔的零件多切割一個做備件;切割完畢后需要撕去表面保護膜，用電鉆手動鉆孔，再進行裝配。

考慮到在亞克力板上攻出的螺紋孔容易磨損，如果孔離板邊緣過近或者孔與孔之間過近有可能發生崩裂，采用手動鉆孔，孔的位置手動測量，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，如果偏斜過大，鉆入路徑過分靠近邊緣，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

在項目完成的過程中，實際動手參與設計、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，只有投身實際制造才能有所體會的。通過本次項目，不但增長了理論學識，而且豐富了實踐經驗。

參考文獻：

[1]機構設計與運動仿真實踐教程，周海，電子工業出版社，2018

[2]機構設計及應用圖例（第三版），孫開元，張麗杰，化學工業出版社，2018

[3]機械結構優化設計，姚壽文，北京理工大學出版社，2015

[4]正弦機構鍵合圖建模與仿真研究，關文芳，碩士論文，2011

項目：正弦傳動運動裝置的設計與制造（項目編號：CX2024005）;

《基于案例教學的現代制造技術概論》課程建設（項目編號：k202024001）。

（上海工程技術大學）