机械工程实验设计说明书Word文件下载.docx
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六、实验总结…………………………………………………（41）
七、个人小结及体会……………………………………………（43）
八、参考资料…………………………………………………（68）
基于ADAMS软件机构创新设计与运动分析实验
一、实验概述
机器的产生就是为了代替人来进行一系列的生产活动，这大大的解放了劳动者。
我们制作的餐盘回收机就是为了替代人来回收餐具的。
这不仅仅替代了食堂工作者的劳动量，还提高了食堂回收餐具的效率，节约了回收餐具所用的时间。
我们的餐具回收机主要机构有：
牛头刨机构，凸轮机构，带轮机构，电动机等。
餐盘回收机的工作过程为：
将餐盘置放于带轮带上的夹子上，通过带轮的转动，在重力的作用下使得餐盘中的剩余食物落入回收桶中，当餐盘转动到另一面时，再通过牛头刨机构将餐盘推出，再通过凸轮机构使得餐盘落入回收餐盘的框中。
整个过程是不间断的进行，实现了自动的功能，同时也避免了餐盘中的剩余物质溅落到其他地方，安全卫生。
二、实验简介
1.实验内容
（1）、掌握机构创新设计与分析实验基本原理与方法，设计一个机构。
（2）、以ZBS—C机构创意设计实验台、JD-JGCX-Ⅰ型机构创新拼装实验箱作为操作平台，完成机构搭接、运行，并进行分析。
（3）、熟悉ADAMS仿真软件，利用仿真软件对所设计的机构进行仿真分析。
2.实验目的
（1）、基于ADAMS软件机构创新设计与运动分析实验是综合性实验，在掌握机构组成原理、基本机构的类型、结构、设计知识的基础上，以ＺＢＳ－Ｃ机构创新设计实验台、JD-JGCX-Ⅰ型机构创新拼装实验箱作为操作平台，进行机构创新设计实验并用ADAMS软件仿真、分析。
（2）、主要培养学生运用创新思维方法，遵循机械设计的基本法则，对机构运动系统方案进行设计与研究。
（3）、通过实验使学生创新意识、综合设计能力得到加强，实验技能得到提高。
（4）、增加团队协作意识。
机械工程设计结构复杂，过程繁琐，所以在小组讨论、设计、检查、整理与报告中需要团队成员不断地协调沟通、分工合作共同完成一个项目的实现。
3．实验任务
（1）根据命题给出的机构运动轨迹：
如类似冲压机机构、插床机机构、送料机机构、轧辊机机构、插秧机机构、筛料机机构等运动轨迹，学生设计机构创新方案、画出机构运动简图、评方案优缺点、确定方案的合理性与可靠性。
（２）学生把设计好机构方案，在机构创新设计实验台搭接、运行，满足机构设计要求。
（３）基于ＡＤＡＭＳ软件建模并对机构运动学分析。
（４）学生根据实验全过程，将其设计思想、创新点、机构运动简图、机构构件参数、机构运动仿真，以实验论文形式提供实验报告。
4．实验设备
（1）ZBS-C机构运动创新设计方案实验台；
（2）计算机；
5.机构创新点
1.基于餐盘形状而设计的夹子,可以把餐盘以固定的形式固定在转动的带上，使其与带共同运动,利用重力作用使餐盘中的剩余物质脱离餐盘,落入桶中。
同时能够很形象的提示同学餐盘安放位置，以便后续手餐盘工作的顺利进行。
2．利用旋转式带轮回收机构既能够保证回收效率又能够保证回收机构体积小，使用方便。
3.运用牛头刨推出机构占用空间小，机构简单使用。
4．利用凸轮机构转换运动方向同时实现推出功能，同时实现整理餐盘回收餐盘目的。
三、实验器材及所用软件
1．实验器材：
ZBS-C机构创新实验台及工具简介
ZBS—C机构运动创新设计方案实验台是专门为高等院校本专科学生进行机构运动系统方案创新设计，培养学生的综合设计能力、创新能力和实践动手能力而研制的一种新型的综合实验台。
机构运动方案创新设计是一个创造性的活动过程，它可以使学生较早地受到工程系统化设计的锻炼，激发学生的创造力，培养学生综合问题、分析问题和创造的能力，并能激励学生学习的主动性，对培养学生的独立工作能力和实践动手能力有很好的作用。
教学实践表明:
该实验台值得在高等院校中推广使用。
该实验台参照机构组成原理—杆组迭加原理设计而成，学生通过该实验可以加深对机构组成原理的理解，熟悉杆组概念。
为今后进行机构运动方案创新设计奠定坚实的基础。
该实验台由机架、装拆平台、电动机、皮带传动装置、低副杆组（Ⅱ级、Ⅲ级）、凸轮、齿轮齿条、槽轮、各种回转副、移动副、复合铰链等基本构件和联接件组成，在该实验台上可以拼接出各种平面机构运动方案。
实验台构思慎密、设计精巧，能确保组成机构的各个运动构件在运动中不会发生干涉。
用于组装机构的零部件通用性好，种类少，便于学生实验操作和教师对实验设备的管理。
实验台中低副杆组长度尺寸可以无级调节，长度尺寸变化范围大，联接接头构思新颖，操作简单方便，运动灵活，极大地提高了机构运动方案拼装效率。
实验台中组成低副杆组的零件、联接件外型尺寸适中;
几乎所有零件均上磨床加工，加工精度高，外形美观，维护方便，使用寿命长。
该实验台每套包含四个机架。
每个机架配一个电动机（每套包含三个旋转电机，一个直线电机）;
皮带传动装置通过悬臂杆张紧轮张紧，能便利地断开与电机轴的联接，实现原动件手动操作，故原动件运动形式不受限制。
实验台机构接装方式灵活，固定运动副位置在平面坐标上可以任意调节，可实现拼接方案数量不少于40个。
ZBS—C机构运动创新设计方案实验台应用范围:
（1）平面机构组成原理的拼装设计实验。
（2）平面机构创新设计的接装设计实验。
（3）课程设计、毕业设计中进行机构系统方案设计的拼装实验。
（4）课外学生进行机构运动创新设计方案的拼装实验。
ADAMS及SolidWorks软件的介绍
（1）ADAMS软件简介
ADAMS，即机械系统动力学自动分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），该软件是美国MDI公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的虚拟样机分析软件。
目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
ADAMS软件有两种操作系统的版本：
UNIX版和WindowsNT/2000版
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。
用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
（2）SolidWorks软件简介
SolidWorks为达索西贡下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。
达索公司负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合功能的支援服务。
该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳系统软件，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。
SolidWorks软件功能强大，组件繁多。
功能强大、易学易用、和技术创新是其三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品的质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对于每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。
SolidWorks独有的拖曳功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计SolidWorks资源管理器是同windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。
使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。
在强大的设计功能和易学易用的操作协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是百分之百可以编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相相关的。
只有SolidWorks才提供了一整套完成的动态界面和鼠标拖曳控制。
“全动感的“用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的凌乱。
崭新的属性管理员用来高效的管理整个设计过程和步骤。
属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。
使用SolidWorks可以方便的管理CAD文件。
SolidWorks资源管理器是唯一一个同windows资源管理器类似的CAD文件管理器。
特征模板为标准件和标准特征，提供良好的环境。
用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。
SolidWorks提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维设计。
配置管理是SolidWorks阮籍体系结构中非常独特的一部分，它设计到零件设计、装配设计和工程图。
配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同的参数的变换和组合，派生出不同的两件或者装配体。
SolidWorks提供了技术先进的工具，使得你通过胡两旺进行协同工作。
通过edrawings方便地共享CAD文件。
Edrawings是一种嫉妒压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。
通过三维托管网站展示生动的尸体模型。
三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速的查看产品结构。
SolidWorks支持web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就像存本地硬盘一样方便。
用3DMeeting通过互联网实时地协同工作。
3DMeeting是基于微软NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。
在SolidWorks中，当生成新的零件时，你可以直接参考其他两件并保持这种参考关系。
在装配的环境里，可以方便地设计和修改零件。
对于一个超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks的性能得到极大的提高。
SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。
用智能零件技术自动完成重复设计。
智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。
镜像部分是SolidWorks技术的巨大突破。
镜像不见能产生基于已有零部件的新的零部件。
SolidWorks用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。
智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。
SolidWorks提供了生成完整的、车间认可的详细工程图工具。
工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个试图、装配体都会自动更新。
从三维模型中自动产生工程图，包括试图、尺寸和标注。
增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖试图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能，以及详图的属性管理员。
使用rapiddraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。
用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同位置，以便了解运动的顺序。
交替位置显示视图时专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。
四、实验方案
1.工作原理
将餐盘插到回收机上的特制夹子上，电机通过减速器后以一定的速度带动带的运动，进而使得餐盘随着运动，当餐盘运动到一定的位置时开始倾斜，由于重力作用，餐盘中的参与物质会脱离餐盘，落入到回收桶中，餐盘继续运动到一定位置时，机构中的牛头刨机构会将餐盘从固定夹子中快速推出到机构后部位置，由于每次推出的餐盘个数为3个，同时为了避免碰撞与噪音的产生及节约空间，利用凸轮机构将餐盘沿一定轨迹推到餐盘回收框中，整齐排列好，而后送到洗涤处洗涤。
2．机构组成
整体轴测图如下：
动力机构:
我们整个机构的动力由电动机来提供。
他的作用是为带传动机构，牛头刨床机构和凸轮机构来提供运转所需的动力。
涡轮蜗杆机构:
机构介绍：
因为一般的电动机转速较快，很难适应缓慢的餐盘收集工作，我们通过涡轮蜗杆机构将电机进行减速，从而达到适合我们需要的状态。
然后通过下连杆将动力传送给牛头刨床机构。
利用蜗轮蜗杆减速优点是减速比大运行平稳，同时又能够节省空间。
而我们带轮转动部分因为要提供给人插入盘子所以速度要缓慢，蜗轮蜗杆的减速很好的满足我们减速比大、节省空间的要求。
运动分析：
蜗杆与直接电机相连，当蜗杆以高速转动时，涡轮则以比较缓慢的速度进行转动满足我们的速度要求。
牛头刨床机构：
我们利用牛头刨床机构将转动变为为直线运动，我们正好看重这一点。
带轮下轴中间做成曲轴状作为牛头刨机构的曲柄部分，通过电机提供的原动力，使其转动变为推出运动将正在转动的餐盘从夹子机构中推出，实现了推出餐盘的功能。
下方曲轴与慢速涡轮直接连接，曲轴转动，作为牛头刨的曲柄，带动牛头刨工作。
牛头刨上方滑杆以一定运动规律进行左右往复运动，实现将餐盘从夹子中推出功能。
带轮机构:
机构介绍：
我们通过带轮机构来将电动机的转动变成带轮的转动，通过带轮的转动以及带轮上的夹子机构带动餐盘转动来实现餐盘的倒剩饭功能以及整理餐盘的功能。
此外，为了保证带与轮之间不相对滑动从而承受较大的载荷，我们选用齿形带进行连接。
同时我们所特制的夹子与齿形带之间的连接选用铆接的方法。
下方曲轴带动带轮进行转动，同时人将用后餐盘依次插入夹子内，餐盘随着带轮转动至下方将剩饭倒出，然后转到带轮背面送至牛头刨位置，实现餐盘回收过程推出。
夹子机构：
左侧餐盘夹：
右侧餐盘夹：
结构介绍：
一边是圆形，一边是长方体形的夹子。
这中夹子与餐盘边缘形状相吻合，能够同时实现夹紧餐盘并提示用餐人员餐盘插入方式功能，以便以后实现餐盘整理。
在带轮带动餐盘转动并进行倒饭以及整理餐盘的过程中起到固定餐盘的功能。
凸轮机构：
凸轮机构的一般功能是实现位移的变动，我们正好利用这一点将牛头刨床机构推出的餐盘进行一个推动整理工作，其原动力为电机转动，然后带动突出杆往复运动，经过计算，固定牛头刨床推出机构与其往复运动的时间比，实现牛头刨床推出餐盘的同时，往复杆将其推入接收餐盘装置。
凸轮机构随着带轮一起转动，其运动动力与带轮为同一电机。
牛头刨将餐盘推下，被挡板挡住进行整理，同时凸轮按照预设规律运动将餐盘横向推入餐盘回收框。
接收餐盘装置：
我们通过凸轮机构将餐盘推出后，餐盘将会滑动收集到箱框内。
收集框下带有轮子方便工作人员将餐盘送回清洗间清洗。
五、机构创新设计过程
1.关键部位数据及计算
（1）带轮移动速度：
餐盘速度，我们将带移动速度设计为v=0.12m/s。
（2）带轮整体尺寸如下图所示：
带轮子半径为150mm；
两轮中心之间的高度为942mm；
带轮上共有15个餐盘夹；
每个餐盘夹之间距离为157mm；
总体回收机构宽度为610mm左右。
（3）带轮旋转速度：
由V=3.14*D*n知轮转速为0.255r/s左右。
（4）选用电机：
选择电机转速为940r/min,功率初步选择为：
1.5kw选择电机型号为Y100L-6。
（5）蜗轮蜗杆传动比：
电机转速940r/min，带轮转速0.255r/s即15.3r/min，传动比为62:
1。
所以蜗杆选择头数为1，涡轮齿数为62，模数初步选为4。
（6）牛头刨及其他尺寸如下图：
牛头刨下方曲柄长度为60mm；
牛头刨下方支点到中间支点距离约为350mm；
中间支点到上方推板之间距离为400mm。
图中中还包括，每个带轮宽度50mm，带轮机构总宽度约为300mm，这与餐盘的宽度是差不多的（略小于），这也有助于我们将餐盘固定在带上。
（7）接盘框相关尺寸：
如上图所示：
接盘架宽度约为253mm，略大于餐盘宽度。
餐盘推出挡板高度约为340mm。
接盘架底部与装盘框高度差约为215mm左右。
（8）接盘架与主体安装尺寸：
如下图所示，凸轮中心轴距离下带轮中心轴距离即所需链条长度约为691mm。
凸轮中心轴与带面距离为415。
2.创机构搭建
在确定思路、绘出草图后，我们着手在创新机构实验平台上搭建机构，以期能够模拟搭建出我们所设计出的机构。
考虑到我们的设计机构是立体的，而创新试验台只能够搭建平面状态的机构，我们讨论决定将整个设计分拆成等部分分别进行搭建，下面图片展示了我们的搭建成果。
（1）推送餐盘的牛头刨床机构：
由齿轮带动曲柄，曲柄带动滑块进行往复运动。
而该处的滑块运用到我们所设计的机构中，起到将餐盘推出的作用。
而这里需要强调的是，在两个相邻餐盘被推出的时间段内，该机构须完成一次往复运动。
如此才能避免滑块滑杆与餐盘发生有害干涉。
（2）曲柄滑块机构（图二）：
（3）带传动部分：
带传动机构由电机带动带轮，带轮带动带实现运动。
在我们的机构中，带上铆接了用来夹住餐盘的夹子。
随着带绕着轮子的转动，夹子夹住餐盘实现收集、倾倒剩饭剩菜等动作。
3.solidworks建模
之前学习过solidworks软件并且能够熟练地利用之，在得知可以将solidworks建立的模型导入到adams之后，我们就运用solidworks强大的建模功能建立出我们最终设想的效果图。
首先设想的基本外形如下图：
上图为我们建模初期最初步的外形设计，仅是对整体效果的简单设想，当然经过不断地完善外型上已经有了较大的改变。
我们首先根据原先定的尺寸将机架的主体部分建立出来，初建模型是比较粗糙的，仅能实现牛头刨的推进运动。
左图为最初建立的粗糙模型
经过近两个星期断断续续的完善，我们又将机构的带、夹子、模拟餐盘、接盘架、凸轮推出结构、接盘框等等不断的加入模型中。
其中尤其是凸轮结构的设计，用solidworks做出我们所要的凸轮并不是一件简单的事情。
因为要有的定的轨迹才能在一个圆柱体上扫描出一个理想的沟槽。
凸轮结构通过导向轴的运动，实现将餐盘推到收集盒内的过程。
凸轮每转动一圈，导向轴即往复运动一次，可以将餐盘推倒之前设定的收集盒内整齐排布好。
经过建模小组的上网搜索XX等查资料过程，我们查到了一种基于solidworks的凸轮设计软件能够很好的设计我们所要的凸轮。
最终将下图中我们所要的比较理想的凸轮设计出来。
设计的凸轮
将所有零件基本设计好以后就是将零件一一进行装配并进行模拟仿真验证设计的可实施性。
运用solidworks里面较为全面的配合我们将之前做的所有零件进行配合。
下图是我们进行的整体的部分配合截图。
经过配合成为整体装配体之后就是运用solidworkmotion模块进行我们的运动仿真。
下图就是我们进入motion板块进行运动仿真
经过建模小组的不懈努力，最终将整个运动的模拟仿真过程做了出来，分析了我们机构的可行性，同时将动画做成了视频。
最后的整体效果图如下所示：
整体效果图：
4．将solidworks导入ADAMS
由于收盘机主要机构为一个牛头刨床机构，所以在adams对这部分主要机构建模。
1、将solidworks模型导入adams
2、添加约束。
把下主轴part5与机架part2之间定义为转动副，并使机架与地固连。
再把下主轴与牛头刨连杆part7之间定义为转动副，以便把主轴上的动力传递到其他部分。
牛头刨连杆part7与机架之间靠销钉1part8连接。
定义销钉1与机架之间为转动副，销钉一与牛头刨连杆之间为滑动副。
而牛头刨连杆与推杆part4之间的连接靠销钉2连接。
连接方法同销钉1与机架的连接方法。
最后定义推杆与机架之间的滑动副。
到此，机构的约束添加完毕。
为了将带轮上的餐盘的重量模拟出来，所以在机构的下面两个带轮上分别加上了力。
由于设计收餐盘机构负载为15个餐盘，假设每个餐盘0.15kg。
所以施加的力为F=0.15×
15×
9.81=22N。
于是在adams建模过程中，加上了两个Force，大小为22N。
定义完了约束后，再在主动轴part5与机架part2的旋转副上定义一个伺服电机作为主动件。
由于当速度为0.255r/s即15.3r/min时速度适中，所以定义电机转速为15.3r/min。
由于餐盘回收机在餐盘回收过程中推杆part4会与餐盘产生接触而周期性的受力，所以在推杆part4上也定义了一个力，用来模拟推杆part4与餐盘的冲击。
力的大小设为2N。
给构件添加质量，选择不锈钢为材料
到此，餐盘回收机的主要机构----牛头刨床推盘机构的adams建模完成。
5.ADAMS分析
一、模拟分析
建模完成后，点击simulation按钮，模型开始运动，未报错，说明模型成功建立。
待adams模拟结束后，点击plotting按钮，进入到分析截面。
然后选择需要分析的部件进行分析，即可导出位移图，速度图，受力图等。
二、运动分析
1、机架（part2）的分析
机架位移图
从机架位移图可以看出，机架在带轮的负重即主动件的周期性运行下，也产生了周期性的位移极小的变化（小到几乎没有）。
而中间之所以有突变，是因为这是刚好是推出餐盘的时候，对机架产生了震动，所以产生了突变。
但是由于位移量也极小，只有微米级，对本机构不产生影响，所以可以认为机架非常平稳。
机架速度图
机架加速度图
从上面的机架加速度图与机架速度图可以看出，变化的数量级非常小，机架非常稳定，没有必要加重机架以提高稳定性。
2、牛头刨连杆（part7）的分析
由于牛头刨连杆的主要作
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