正弦传动装置的设计与制造

陆贵军 祝俊金 郭丁昊 刘燕

摘要：运用逆向设计思维设计了正弦传动机构，更改原有机构的参数，使用UG12绘制零件图、装配和运动仿真，使用激光切割机进行加工制造。

关键词：正弦机构;UG12;逆向设计;激光切割

对于机械专业本科大学生，大部分时间在学习理论知识，少有机会接触到实际零件生产。书本上很多细节不用实践来理解是十分困难和枯燥的。大学生创新创业计划项目为我们提供了一个动手的机会。本项目研究正弦传动装置的设计与制造。

一、项目背景和意义[1-4]

国内外大量学者对正弦机构系统中间隙、碰撞、振动、磨损等问题进行研究，机构运动时，系统构件之间的运动副中的间隙、摩擦、杆件弹性变形因素对其运动特性影响巨大，间隙除了加大运动误差外，在系统运转过程中，由于运动副反复出现接触与不接触的交替现象，而引起的碰撞冲击，会产生剧烈振动，进而产生噪声和加重运动副之间的磨损。杆件的弹性变形使运动输出误差增大，特别是高精密的机械，可导致失效。对于正弦机构进行试验法，图解法和解析法运动学分析，对正弦机构运动优化设计，运动精度大幅提高。

正弦机构是一种经典的传动机构，在众多农业机械和工程机械行业中的应用广泛，在机械加工、控制、传动等方面，正弦机构发挥重要作用。许多机器应用该机构实现机器的运动转换、动力传递或往复运动。如磨齿机、研磨机、柴油机、开式压力机、加工中心、数控转塔冲床、十字滑块往复式压缩机等，本项目对正弦机构进行研究，掌握和熟悉机构参数设计、制图、仿真及制造、调试、装配过程。

二、设计修改及绘制零件图

正弦机构包括运动部分和驱动部分。其中用于驱动的两个齿轮，齿轮轴上安装有驱动摇杆，底板支撑原为矩形底板四角各设一个小圆柱，经老师指导修改为中间内凹或者钻孔后用螺钉固定四个软垫片。原有方案的不妥之处在于后续底板零件在铣床加工时，如果使用四点支撑，需要在预设厚度的一块平面上铣掉绝大部分材料而只留下四角，这样将会浪費四点之间的材料，同时增加了加工难度和精度，最直接的缺点是增加了加工步骤;而将四点连接起来，相比之下可以减轻以上问题。我们最后采用了中间内凹支撑的方案，相比与攻螺纹孔的方案可以更加简单一些。各零件图采用UG12绘制。

三、装配

零件装配如图1、图2所示，装配需要标注适合的约束。以运动装置中的十字杆为例。十字杆中的竖杆与驱动连杆间有接触;直接标注了“中心（一对二）”接触，即一个驱动杆轴线始终保持在竖杆槽的两个边的中心。十字杆自身的运动是在空间中沿直线往复，需要分别从三个方向约束十字杆，长度方向：杆始终平行于底板;高度方向：杆始终在底板上固定高度来回移动;宽度方向：杆与四个支撑柱始终接触。这样就确定了杆的运动，完成了对杆的约束。

四、仿真

零件仿真需要标注适合的运动副。除了在课本上常见的滑动副、滚动副。在运动装置部分，十字杆竖杆与驱动杆间使用了“线在线上副”，即驱动杆圆柱线上某线与十字杆竖杆滑槽壁上某线相配合。齿轮之间使用了“齿轮耦合副”;大小齿轮中小齿轮与手摇杆相连，用于驱动;首先标记小齿轮“转动副”与“60r/min”的驱动;然后为大齿轮标记“转动副”;最后在两齿轮之间标记“齿轮耦合副”。

标注约束与运动副本身是一件繁琐与复杂的工作，需要大量时间和精力，十分考验耐心和细心。仿真过程中让我们反复琢磨的点在于，在运动装置中十字连杆与四个支撑柱之间的运动副选择“滑动副”。在这一位置除了“滑动副”，还有一个“3D接触”的运动副可以选择，如果不使用仿真来检验，两者在理论上都是合理的选择。在前期仿真过程中，选择了“3D接触”运动副，导致开始仿真后十字连杆飞离原有位置，仔细研究后做出上述更改解决了这一问题。

五、实物制造

选用5mm亚克力板，以及相应的激光切割制造实物。首先选择合适板厚的亚克力板，放入机器，将激光刀头对齐右上角，导入图纸进行切割;对于需要钻孔的零件多切割一个做备件;切割完毕后需要撕去表面保护膜，用电钻手动钻孔，再进行装配。

考虑到在亚克力板上攻出的螺纹孔容易磨损，如果孔离板边缘过近或者孔与孔之间过近有可能发生崩裂，采用手动钻孔，孔的位置手动测量，可以保证精度，支架顶端孔与零件边缘十分接近，电钻钻头垂直钻入，如果偏斜过大，钻入路径过分靠近边缘，很容易造成崩裂，为了降低加工难度，找到了虎钳固定支架，一定程度上缓解了这一问题。

六、总结

在项目完成的过程中，实际动手参与设计、修改、制造、组装。期间克服了诸多困难，这些困难是课本上难以写明白，老师难以教清楚，只有投身实际制造才能有所体会的。通过本次项目，不但增长了理论学识，而且丰富了实践经验。

参考文献：

[1]机构设计与运动仿真实践教程，周海，电子工业出版社，2018

[2]机构设计及应用图例（第三版），孙开元，张丽杰，化学工业出版社，2018

[3]机械结构优化设计，姚寿文，北京理工大学出版社，2015

[4]正弦机构键合图建模与仿真研究，关文芳，硕士论文，2011

项目：正弦传动运动装置的设计与制造（项目编号：CX2024005）;

《基于案例教学的现代制造技术概论》课程建设（项目编号：k202024001）。

（上海工程技术大学）