□ 朱 靂 王 達 王 玲 宋震宇 劉 燕

一、引言

作為當今社會中運用非常廣泛的傳動裝置，曲柄連桿機構(gòu)是一種利用機械傳遞運動或動力的傳遞方式。本文所設(shè)計的曲柄連桿機構(gòu)主要是由兩套結(jié)構(gòu)相同的連桿機構(gòu)作為傳動部分，其運動狀態(tài)一致，再通過連接一個額外的連桿，保證傳動部分能在電子的帶動下運轉(zhuǎn)。運動副是低副，運動副元素為面接觸，便于潤滑，壓強較小，能夠承受較大載荷，其幾何形狀較簡單，便于加工制造。本文以可變功率電機為模擬動力源的組裝機構(gòu)為基礎(chǔ)，運用曲柄連桿機構(gòu)的傳動方式，配合兩個翻轉(zhuǎn)板，再設(shè)計一種新的反轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動方式，并用UG·NX6.0軟件進行三維建模和運動仿真，并最終將一個高效率、高精度和高實用性的可變速的循環(huán)翻轉(zhuǎn)機構(gòu)應(yīng)用于實際機械生產(chǎn)中的流水線上，以達到節(jié)約能耗與時間的目的。本項目的目的主要是通過靜態(tài)原理與動態(tài)演示，經(jīng)過不斷的探索、創(chuàng)新和實踐，充分體現(xiàn)出曲柄連桿式翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在流水線生產(chǎn)中的優(yōu)越性與穩(wěn)定性，為機械工業(yè)化的發(fā)展做出卓越的貢獻。

二、傳動原理的創(chuàng)新設(shè)計

設(shè)計原理是利用“同一圓弧上的圓周角大小是圓心角的一半”。如圖1，具體作圖步驟如下:一是按公式θ=∠C1AC2=|180-∠B1AB2|計算出極位夾角;二是任意選定一點作為遙桿的固定轉(zhuǎn)動副D的位置，并按搖桿CD的長度c和搖桿擺角Ψ作為搖桿的兩個極限位置，得C1和C2點;三是連C1和C2，并分別自C1和C2作與C1C2夾角90°-θ的射線，這就確保了∠C1OC2=2θ，得C2O和C1O的交點O;四是以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓C，則圓上任何一點都可以選為鉸鏈四桿機構(gòu)的另一個固定轉(zhuǎn)動副A，由于“同一圓弧上的圓周角大小是圓心角的一半”，肯定可以滿足∠C1AC2=θ。

有必要指出，如果在設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)時要得到唯一的解，還必須有輔助條件:一是如果對機架AD的長度有要求，則可以以D為圓心，以AD長度為半徑作圓弧，與已經(jīng)作出的以O(shè)為圓心的圓H的交點就是A的位置;二是如果對曲柄AB的桿長有要求，則作出C1C2的垂直平分線與已經(jīng)作出的以O(shè)為圓心的圓交于M，作出相距MC2的距離為AB桿長L1的C2MM的平行線交OM的延長線與E，以M為圓心，以EM為半徑作圓弧，與以O(shè)為圓心的圓H的交點就是應(yīng)選的A點，見圖1。三是如果對連桿長度BC的長度有要求，則以C2為圓心，以連桿BC的長度L2為半徑作圓弧，再從M點作上述圓弧的切線交點就是B2點，C2B2的延長線與以O(shè)為圓心圓H的交點就是應(yīng)選的A點，見圖2。

圖1 按行程速比系數(shù)設(shè)計

圖2 按輔助條件作圖

圖3 裝配效果圖

三、平面四桿機構(gòu)的解析法設(shè)計

平面連桿機構(gòu)設(shè)計的解析法具有精度高，可以用計算機進行高速處理的優(yōu)點。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，解析法正日益成為設(shè)計工作的主角。

圖4

在圖4所示的鉸鏈四連桿機構(gòu)中，已知兩連桿AB和CD的 3 對對應(yīng)位置 φ1，ψ1;φ2，ψ2;φ3，ψ3。要求確定各構(gòu)件的長度l1，l2，l3，l4?，F(xiàn)以解析法求解，即以機構(gòu)參數(shù)來表達各構(gòu)件間的運動關(guān)系并按列出的方程來求解未知參數(shù)。

由于鉸鏈四連桿機構(gòu)兩連架桿的運動關(guān)系取決于各桿的長度比例關(guān)系而不是每個桿的具體長度，為簡化計算，設(shè)以構(gòu)建AB的長度為基準，則得

從圖中可見機構(gòu)在任意位置時各構(gòu)件的長度關(guān)系。取各構(gòu)件在坐標上的投影得

引入基準長度比例關(guān)系得

把式(2)兩式的兩邊平方后相加并令:

則得

把3對對應(yīng)轉(zhuǎn)角關(guān)系代入式(4)得

cosφ1=P0cosψ1+P1cos(ψ1- φ1)+P2

由此可解出P0、P1、P23個參數(shù)，隨后代入式(3)即可求得各構(gòu)件桿的相對長度，從而完成設(shè)計。

四、UG·NX建模設(shè)計

本項目主要是通過UG·NX6.0軟件進行三維建模與運動仿真來模擬翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作狀態(tài)和運動情況。下面簡單介紹一下整個裝置中主要零部件的建模過程與步驟，以及整體裝配的最終形態(tài)，如圖5所示。

(一)曲柄連桿建模。其是整個裝置的傳動部分，運用連桿機構(gòu)的原理，在支撐板的兩側(cè)分別設(shè)計一套連桿裝置，保證運動過程的流暢性。

(二)整體機架建模。將傳動部分安裝在支撐架上，用兩塊垂直的板作為整個裝置的支撐，在用一塊垂直底座的板料作為對主傳動軸的固定，保證機構(gòu)傳動的穩(wěn)定性。

(三)翻轉(zhuǎn)板建模。兩塊翻轉(zhuǎn)板是整個裝置的主體部分，用于對要加工的板料進行180度的翻轉(zhuǎn)，兩個翻轉(zhuǎn)板的初始狀態(tài)是水平放置的，將要翻轉(zhuǎn)的板料放置在任一塊翻轉(zhuǎn)板上，然后在電機的帶動下使兩塊板先運動到豎直狀態(tài)，然后又恢復(fù)到水平狀態(tài)，從而達到板料的翻轉(zhuǎn)。

五、曲柄連桿機構(gòu)的模型設(shè)計與制作

此翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計圖紙如圖5所示。

圖5 設(shè)計圖紙

圖6 電機基本尺寸

六、動力系統(tǒng)

該項目的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力系統(tǒng)采用一臺電壓為12V直流電機，電機具體數(shù)據(jù)如下:型號:JGB37-550;電壓:DC12V;直徑:Φ37mm;力矩:60kg·cm;額定電流:1.6A;單重:380g;空載轉(zhuǎn)速:16r/min;負載轉(zhuǎn)速:14r/min;堵轉(zhuǎn)力矩:260kg·cm。電機基本尺寸如圖6所示。

實際轉(zhuǎn)速:可調(diào)，分為12V，6V兩個檔級。由于機構(gòu)運動時需要完成翻轉(zhuǎn)板角度的設(shè)定且在轉(zhuǎn)動過程中要帶動曲柄使翻轉(zhuǎn)板連續(xù)轉(zhuǎn)動，所以本電機的運作是單獨工作，逐步完成“電機轉(zhuǎn)動→曲柄轉(zhuǎn)動→搖桿擺動→翻轉(zhuǎn)板運動”的傳動過程，能夠?qū)崿F(xiàn)自由控制該裝置的開關(guān)，既可以滿足現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)實踐的需要，也滿足小規(guī)模單件產(chǎn)品的加工，并且可以實現(xiàn)無限數(shù)次的循環(huán)。操作者可以根據(jù)加工的需求來選擇適合的操作模式，可以靈活調(diào)配工作時間。

七、結(jié)語

通過這個項目的研究與測驗我們發(fā)現(xiàn)基于曲柄連桿機構(gòu)的反轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計可以應(yīng)用到實際機械生產(chǎn)中的流水線上，該設(shè)計原理具有循環(huán)運動，應(yīng)用范圍廣，實用性強，傳動穩(wěn)定，外形美觀，造價低廉等特點，在實際流水線生產(chǎn)作業(yè)中也可以發(fā)揮重要作用。對于加工制作實體產(chǎn)品，基本滿足設(shè)計需要，運行結(jié)果令人十分滿意。希望能通過此次創(chuàng)新設(shè)計，切實解決傳統(tǒng)反轉(zhuǎn)機構(gòu)中的一些弊端，為基層作業(yè)人員提供一個更加可靠、安全和高效的工作裝置和工作環(huán)境，解放基層工作人員的勞動力，提高生產(chǎn)效率，也為更多中小型企業(yè)生產(chǎn)線加工提供更好的裝置，也希望本項目在今后的發(fā)展中更切實地應(yīng)用于實踐中。

［1］何小柏.機械設(shè)計［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1998

［2］李仲生等.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006

［3］徐正好等.制造技術(shù)基礎(chǔ)實訓(xùn)教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008