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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳世傑
研究生(外文):Shih-Chieh Wu
論文名稱:高速化具間隙同動平行機構之動態模擬與應力分析
論文名稱(外文):Dynamic and Stress Analysis of High Speed Synchronized and Paralleled Mechanism with Clearance.
指導教授:鄭俊誠鄭俊誠引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:間隙接頭碰撞力同動平行機構
外文關鍵詞:joint with clearance.contact forcesynchronized and paralleled mechanism
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在機械設計過程中,對於零件必須考慮間隙公差的存在,以利加工裝配,而組裝好的機構在運動過程中,可能因為接頭磨損以及熱脹冷縮…等原因,造成間隙擴大,進而產生極大的碰撞力與噪音,影響了整體機構的壽命與精度。本文首先針對實際應用上的高速化同動平行機構進行動態模擬分析,探討此機構在理想化及具有摩擦間隙時的運動、受力情形,利用高階動態模擬軟體ADAMS,以配置無質量圓接頭的方式來產生間隙碰撞,模擬具間隙同動平行機構最大碰撞力之作用位置,之後針對此部份可能產生破壞的零件,利用有限元素分析軟體ANSYS進行應力分析,以得到其應力大小分佈情形,而對於應力過大可能造成破壞的零件,本文以增加零件幾何外型尺寸之方式來進行補強,將其應力值降低至降伏應力以內,以達到改善破壞之目的。
In the process of mechanical design, it is need to consider about the existence of clearance and tolerance in every component for the purpose of manufacturing and assembling easily. However, in the motion process, the clearance might enlarge or even make big noise and contact force to influence the precision and the life of mechanism because of the abrasion of joint and the effect of the hot expansion or the cold shrinking. Firstly, this thesis aims at analyzing the movement and the loading through the dynamic analysis of high speed synchronized and paralleled mechanism under ideality, with friction and clearance. Next, using the CAE software ADAMS to produce clearance and contact through disposing the mass-less circle joint and to simulate the location of maximum contact forces from the synchronized and paralleled mechanism with clearance. Then, for those components that might be fractured in this part, using the FEA software ANSYS to do the stress analysis and get the stress distribution from that. Finally, modifying the geometric dimension of components to increase the strength and achieve the goal of improving fracture, further.
目錄
頁次
中文摘要…………………………………………………………………………… i
英文摘要…………………………………………………………………………… ii
誌謝………………………………………………………………………………… iii
目錄………………………………………………………………………………… iv
表目錄……………………………………………………………………………… vi
圖目錄……………………………………………………………………………… vii
符號說明…………………………………………………………………………… x

一、 緒論
1.1 前言…………………………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧……………………………………………………………… 2
1.3 研究動機與目的……………………………………………………… 3
1.4 研究方法……………………………………………………………… 3
1.5 論文架構……………………………………………………………… 4
二、 同動平行機構之理論分析
2.1 同動平行機構之運動分析………..………………………………… 6
2.1.1 平行機構之簡介………………………………………………….. 6
2.1.2 同動平行機構之簡介…………………………………………….. 9
2.1.3 同動平行機構之運動方程式…………………………………….. 10
2.2 同動平行機構之動力源分析………………………………………… 17
2.3 具間隙連桿機構之碰撞動力分析…………………………………… 21
2.3.1 旋轉間隙接頭之碰撞原理……………………………….………. 21
2.3.2 具間隙連桿機構之動力方程式………………………………….. 26
三、 同動平行機構模型之建構與動態模擬分析
3.1 同動平行機構模型之建構…………………………………………… 30
3.2 實體模型運動模擬與印證…………………………………………… 33
3.3 理想化原型機構之運動及受力分析………………………………… 37
3.3.1 理想化原型機構之拘束設定…………………………….………. 37
3.3.2 理想化原型機構之運動分析……………………….……………. 39
3.3.3 理想化原型機構之受力分析…………………………………….. 44
四、 具間隙同動平行機構之動態模擬分析
4.1 具間隙接頭之碰撞剛性分析與建構………………………………… 49
4.1.1 具間隙接頭之剛性分析………………………………………… 49
4.1.2 旋轉間隙接頭之建構…………………………………………… 52
4.2 具間隙同動平行機構之運動分析與受力分析……………………… 53
4.2.1 具間隙同動平行機構之運動分析……………………………….. 55
4.2.2 具間隙同動平行機構之受力分析……………………………… 59
五、 具間隙同動平行機構之應力分析與改善
5.1 具間隙同動平行機構之應力分析……………………………….…… 67
5.1.1 應力分析流程與接頭力應力分析法簡介……………………….. 67
5.1.2 具間隙同動平行機構零件之應力分析………………………….. 70
5.2 連桿幾何外型強化之應力分析……………………………………… 77
5.2.1 改變連桿幾何外型之受力分析………………………………… 77
5.2.2 強化連桿之應力分析…………………………………………… 79
5.2.3 強化連桿之改善程度分析……………………………………… 83
六、結論與未來展望
6.1 結論…………………………………………………………………… 85
6.2 未來展望……………………………………………………………… 87

參考文獻…………………………………………………………………………….... 88
簡歷………………………………………………………………………………….... 90


表目錄
表 3-1 同動平行機構各零件之材料性質……………………………………... 31
表 3-2 同動平行機構各連桿接頭力之均方根值……………………………... 46
表 4-1 同動平行機構之碰撞拘束參數設定…………………………………... 54
表 4-2 具間隙及無間隙同動平行機構之護蓋位移分析比較………………... 56
表 4-3 具間隙同動平行機構之護蓋加速度分析結果……………….……….. 59
表 4-4 具間隙同動平行機構各連桿接頭力之均方根值………………….….. 61
表 5-1 3D彈性元素beam4之截面參數設定………………………………… 68
表 5-2 同動平行機構零件之最大受力狀態…………………………………... 70
表 5-3 零件之材料性質設定…………………………………………………... 70
表 5-4 連桿與轉軸之降伏應力及破壞應力……………………………….….. 75
表 5-5 加寬連桿之最大受力狀態……………………………………………... 77
表 5-6 加厚連桿之最大受力狀態……………………………………………... 78
表 5-7 同時加寬加厚連桿之最大受力狀態…………………………………... 78
表 5-8 各種連桿補強方式之應力改善程度…………………………………... 84


圖目錄
圖 2-1 平行四邊形機構之應用…………………………………………….… 6
圖 2-2 平行四邊形機構與反置機構…………………………………………. 7
圖 2-3 雙平行四邊形連動機構…………………………………………….… 7
圖 2-4 縮放儀機構…………………………………………….……………… 8
圖 2-5 伸縮鐵機構…………………………………………….……………… 8
圖 2-6 同動平行機構伸縮護蓋…………………………………………….… 9
圖 2-7 同動平行機構示意圖…………………………………………….…… 10
圖 2-8 同動平行機構構造圖…………………………………………….…… 11
圖 2-9 單組連桿之向量迴路圖…………………………………………….… 11
圖 2-10 三組連桿之向量迴路圖…………………………………………….… 14
圖 2-11 線性馬達運動曲線圖…………………………………………….…… 17
圖 2-12 具間隙之平面旋轉接頭…………………………………………….… 22
圖 2-13 彈簧-阻尼之碰撞模型示意圖………………………………………… 23
圖 2-14 干涉深度與阻尼係數曲線圖…………………………………………. 24
圖 2-15 碰撞干涉深度…………………………………………….…………… 25
圖 2-16 旋轉間隙接頭之摩擦扭矩……………………………………………. 25
圖 2-17 旋轉接頭之間隙型態及徑向扭矩……………………………………. 27
圖 2-18 具間隙旋轉接頭示意圖…………………………………………….… 27
圖 2-19 單一連桿自由體圖……………………………………………………. 28
圖 3-1 模型建構流程圖…………………………………………….………… 30
圖 3-2 同動平行機構護蓋實體模型圖………………………………………. 31
圖 3-3 模型建構轉檔流程圖…………………………………………….…… 32
圖 3-4 連桿角位移之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖………………. 33
圖 3-5 連桿角速度之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖………………. 34
圖 3-6 連桿角加速度之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖……………. 34
圖 3-7 滑塊位移之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖…………………. 35
圖 3-8 滑塊速度之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖…………………. 35
圖 3-9 滑塊加速度之ADAMS模擬值與數學理論值比較圖………………. 36
圖 3-10 線性馬達推拉力傳遞圖………………………………………………. 37
圖 3-11 同動平行機構運動拘束設定完成圖…………………………………. 38
圖 3-12 同動平行機構各部位零件示意圖……………………………………. 39
圖 3-13 護蓋位移曲線圖…………………………………………….………… 40
圖 3-14 護蓋速度曲線圖…………………………………………….………… 40
圖 3-15 護蓋加速度曲線圖…………………………………………….……… 41
圖 3-16 連桿角位移曲線圖…………………………………………….……… 41
圖 3-17 連桿角速度曲線圖…………………………………………….……… 42
圖 3-18 連桿角加速度曲線圖…………………………………………….…… 42
圖 3-19 滑塊位移曲線圖…………………………………………….………… 43
圖 3-20 滑塊速度曲線圖…………………………………………….………… 43
圖 3-21 滑塊加速度曲線圖…………………………………………….……… 44
圖 3-22 線性馬達推拉力曲線圖…………………………………………….… 44
圖 3-23 上、下連桿4之平面自由體圖………………………………………… 45
圖 3-24 上、下連桿4之Z方向接頭力曲線圖………………………………… 47
圖 3-25 中間轉軸4之Z方向接頭力曲線圖…………………………………. 48
圖 4-1 碰撞力曲線圖…………………………………………….…………… 50
圖 4-2 碰撞干涉深度曲線圖…………………………………………….…… 51
圖 4-3 碰撞剛性曲線圖(碰撞力vs干涉深度) ……………………………… 51
圖 4-4 軸孔與轉軸之無質量圓配置圖………………………………………. 52
圖 4-5 旋轉間隙接頭之建構完成圖…………………………………………. 53
圖 4-6 同動平行機構接頭間隙以及導軌間隙之設置圖……………………. 54
圖 4-7 具間隙同動平行機構之護蓋位移曲線圖……………………………. 55
圖 4-8 具間隙同動平行機構之護蓋橫向偏擺曲線圖………………………. 56
圖 4-9 具間隙同動平行機構之護蓋速度曲線圖……………………………. 57
圖 4-10 具間隙同動平行機構之護蓋2加速度曲線圖………………………. 58
圖 4-11 具間隙同動平行機構之護蓋3加速度曲線圖………………………. 58
圖 4-12 具間隙同動平行機構之護蓋4加速度曲線圖………………………. 59
圖 4-13 具間隙同動平行機構之線性馬達推拉力曲線圖……………………. 60
圖 4-14 上連桿4與右側轉軸4之Z方向接頭力曲線圖(具間隙)………….. 62
圖 4-15 上連桿4與中間轉軸4之Z方向接頭力曲線圖(具間隙) ………….. 62
圖 4-16 上連桿4與左側轉軸3之Z方向接頭力曲線圖(具間隙) ………….. 63
圖 4-17 下連桿4與左側轉軸4之Z方向接頭力曲線圖(具間隙) ………….. 63
圖 4-18 下連桿4與中間轉軸4之Z方向接頭力曲線圖(具間隙) ………….. 64
圖 4-19 下連桿4與右側轉軸3之Z方向接頭力曲線圖(具間隙) ………….. 64
圖 4-20 具間隙同動平行機構上、下連桿4之平面自由體圖………………… 65
圖 4-21 具間隙同動平行機構中間轉軸4之Z方向接頭力曲線圖…………... 65
圖 5-1 有限元素應力分析流程圖……………………………………………. 66
圖 5-2 3D彈性元素beam4…………………………………………….…….. 67
圖 5-3 beam4力量傳遞元素之建構完成圖…………………………………. 68
圖 5-4 連桿自由度及接頭力之拘束設定完成圖……………………………. 69
圖 5-5 上連桿4之網格分割圖…………………………………………….… 71
圖 5-6 下連桿4之網格分割圖…………………………………………….… 71
圖 5-7 中間轉軸4之網格分割圖…………………………………………….. 72
圖 5-8 上連桿4之應力值與網格數目收斂關係圖…………………………. 72
圖 5-9 下連桿4之應力值與網格數目收斂關係圖…………………………. 73
圖 5-10 中間轉軸4之應力值與網格數目收斂關係圖………………………. 73
圖 5-11 上連桿4之應力分佈圖…………………………………………….… 74
圖 5-12 下連桿4之應力分佈圖…………………………………………….… 74
圖 5-13 中間轉軸4之應力分佈圖…………………………………………….. 75
圖 5-14 中間轉軸4補強後之應力分佈圖……………………………………. 76
圖 5-15 上連桿4加寬後之應力分佈圖……………………………………….. 79
圖 5-16 下連桿4加寬後之應力分佈圖…………………………………… 80
圖 5-17 上連桿4加厚後之應力分佈圖………………………………………. 81
圖 5-18 下連桿4加厚後之應力分佈圖………………………………………. 81
圖 5-19 上連桿4同時加寬加厚之應力分佈圖………………………………. 82
圖 5-20 下連桿4同時加寬加厚之應力分佈圖………………………………. 83
參考文獻
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