1、机械原理课程设计,游戏机传动系统设计,尹衍栋 王 然陈洪达 李晔冰指导老师：孙志宏,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
2、钟晃动次数约为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
3、说明书，附源程序和计算结果。,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双曲柄机构，由
4、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的传动比为1：60，中间需要一个
5、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，又起初摆角为，作图，得最小为。若减小，运动速度均匀，但转
6、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 =6602+c2-(660+200)2,a,b,c)得出,为了选取丝杆和计算、加工
7、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
8、，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
9、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solidworks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
10、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,
