游戏机传动系统设计

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⑴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。⑵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⑴屏幕由静止开始晃动时的摆角约60°。⑵每分钟晃动次数约为10～12次。⑶屏幕由开始晃动到出现整周转动，历时约2～3分钟。⑷屏幕约转10多转后，渐渐趋于静止。⑸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.⑹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⑴本题设计的时间为1.5周。⑵根据功能要求，确定工作原理和绘制系统功能图。⑶按工艺动作过程拟定运动循环图。⑷根据系统功能图绘制功能矩阵表。⑸构思系统运动方案(至少六个以上)，进行方案评⑹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。⑺绘制系统机械运动方案简图。⑻编写设计说明书，附源程序和计算结果。二.运动方案的讨论0min2.5min3.5min结束机构要求屏幕运动规律以摆角约60º起摆摆动幅度逐渐增大匀速周转利用惯性继续转动，逐渐停止电机转速01200r/min不变00min2.5min3.5min结束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到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0min2.5min3.5min结束实现方法杆长条件AB+AD≤BC+CDAB+AD≤BC+CDAB+AD=BC+CD不变AB长度200mm以丝杆每转使其增长20mm的速度变化400mm不变四杆运动规律曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构平行四边形机构（AB＝CD）不变丝杆转速04r/min000min2.5min3.5min结束平行四边形机构分析如下：若短杆为机架(AD)(bc),b=d,最长杆c，最短杆b，当bacc+ba+d时,AB杆不周转；若长杆为机架(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60º和机构的条件确定AB＝200mmAD=BC＝660mm列出方程180606602)660(660cos6602)660(660cos22222222abclcbclcaABAB上述方程利用Matlab求解[a,b,c]=solve('b=a+pi/3','cos(a)*2*c*660=660^2+c^2-(660-200)^2','cos(b)*2*c*660=660^2+c^2-(660+200)^2','a,b,c')得出76.2952-103.7052128.7035-51.2969-b416.7416-416.7416101.41-1101.4c为了选取丝杆和计算、加工的方便取整取c＝400mm计算得a=41.67ºb＝105.83º所以Ψ=64.16º符合任务要求。4006602)660(400660cos4006602)660(400660cos22222222ABABlbla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θ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：221212121HHHHHHnnnnziinnnz222122221HHHHVRRzRizR213Hi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4-133GB784-65，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=1.886t=37.32关于直径和螺距的取值，查表GB784-65，d取第一系列，d=10。2213HHi111h0.5r最大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240~280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2012z21txmmm2120tx5m10q150d250z2250d由得出需保证1111111tan///xldzpdmzd'111183612901190'1784124'12111836570i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1cosmos和solidworks的关系Cosmos是solidworks里的一个插件，在solidworks中添加的约束和cosmosmotion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cosmosmotion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cosmosmotion时，添加screwpair，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