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最近更新:涂超恒(2010-01-12);推薦:徐業良(2010-01-12)
附註:本文為元智大學機械系大三機械設計課程實作計畫。

機械設計實作計畫-投球機構模擬分析

本文使用Working Model 2D作投球機構模擬,是一機構學動作動態模擬分析之軟體,提供使用者在2D工作環境下做完整的機械結合方式,如平移、萬向接頭、固定接頭與齒輪等,設計齒輪時更可檢查齒隙和干涉的情況,Working Model 2D亦可以做連續動畫,模擬像是滾動(roll)、彈跳(bounce)、滑動(slide)、扭動(wiggle)與碰撞(collide)等行為,記錄位移、速度、加速度、力等的資料。本文使用之Working Model 2D軟體是由其網站(http://www.design-simulation.com/)下載教育試用版本。

1為一投球機構示意圖,屬於曲柄滑塊機構。操控電磁鐵磁力來吸附投球連桿,切斷電磁鐵電源,彈簧推動滑塊,滑塊再帶動投球連桿投射乒乓球。投球距離的遠近可以調整投球連桿之長度或配重調整。以下將介紹如何使用Working Model 2D作投球機構動態模擬分析。

1. 投球機構示意圖

(1)     首先建立投籃機構的各連桿。圖2Working Model 2D的主畫面,箭頭1為建構元件幾何形狀的指令列,以滑鼠點選指令列中的“Rectangle”,以滑鼠拖曳出投球機構的連桿,並在下拉式視窗中的“Window”中點選“Geometry”,即可精確定義連桿的長度與高度。如圖2中箭頭2所示,連桿一的長度為0.23m、高度為0.005m。以同樣方式建構連桿二、三、四與滑塊,連桿二、三、四的長度皆為0.04m、高度為0.005m。滑塊長度為0.03m、高度為0.015m

2. 建構連桿尺寸

(2)     在下拉式視窗中的“Window”中點選“Properties”,即可定義桿件的座標位置、旋轉角度、初速度、重量等性質。在“Material”選項中,如圖2中箭頭3所示,可選擇桿件的材質。在此設計案例中,桿件材質為塑膠,故選擇“Plastic”

(3)     連桿定義完畢後,接下來建構滑動接點(滑槽)。如圖3所示,在箭頭處指令列中,點選“Keyed slot joint”,然後以滑鼠將游標移至滑塊中央,按下滑鼠左鍵,即完成滑槽的建構,這個滑槽也代表了機構中的固定連桿。

3. 滑槽的建構

(4)     接下來建構旋轉接點和固定接點。如圖4箭頭1處指令列中點選“Point element”(若接點為固定接點非旋轉接點,則點選“Square point element”),然後以滑鼠將游標移至桿件上,按下滑鼠左鍵,即完成將接點安裝於桿件上。依照步驟(2)點選“Properties”,即可定義旋轉接點相對於桿件上的座標位置與旋轉角度。在此設計案例中,連桿二的兩旋轉接點分別在其兩端點,連桿三和四的固定接點皆在其端點(如圖4所示),滑塊之旋轉接點在其短邊的中央位置,連桿一有一固定旋轉接點(圖4箭頭2處指令列中點選“Pin joint”)、一旋轉接點和兩固定接點,固定旋轉接點在端點,旋轉接點距端點0.09m處,而兩固定接點一在端點、另一接點距端點0.079m處,並且將兩點旋轉90度。

4. 旋轉接點的建構

(5)     安裝完畢所有桿件上的接點後,兩桿件欲連接時,按住鍵盤上的“Shift”鍵,然後以滑鼠點選欲連接之兩接點,此時圖5箭號所示處“Join會以黑體字表現,按下“Join,即可將兩桿件連接(如圖5)。

5. 連桿之連接

(6)     在此設計設計案例中機構是由連接於滑塊的彈簧所驅動,因此接下來步驟為定義一彈簧,並將其與滑塊做連結。如圖6所示,在箭頭所示處點選“Spring”,然後以滑鼠將游標移至所需位置,並定義彈簧兩端位置。在下拉式視窗中的“Window”中點選“Properties”,可以定義彈簧的彈簧常數與長度。在此設計案例中彈簧常數定為50N/m,起始位置為距滑塊0.03m處,長度則為0.042m

6. 彈簧的建構

(7)     運用上述步驟,完成乒乓球,其半徑為0.015mm,將完整模型建構完畢,完成之機構模型如圖7所示。

(8)     機構模型建立完成之後,接下來要進行模擬分析,首先要設定模擬分析中每一分析步驟的間隔時間。如圖7所示,在下拉式視窗中的“World”中點選“Accuracy”,然後在“Animation Step”的數值選項中將預設值0.025s改為0.002s(或是你自行訂定的時間)。分析步驟的間隔時間越短分析結果越精確,但電腦所需運算時間也越長。

7. 設定每一分析步驟的間隔時間

(9)     接著設定所欲測量的數據。如圖8所示,本設計案例中須測量乒乓球的彈射距離,故先以滑鼠點選乒乓球,然後在下拉式視窗中的“Measure”中點選“Position”,即可出現量測視窗,顯示乒乓球的位置,根據需求選擇量測速度、加速度、作用力等數據。

8. 設定所欲測量的數據

(10)  如圖9所示,按下“Run”鍵,即可執行投球機構之運動模擬,按下其右側的“Stop”鍵,即可停止模擬。箭號1所指處為模擬動畫的控制界面,可使動作畫面前進、倒退等動作。

9. 執行投球機構之運動模擬

(11)  由圖9的數據量測表可知,依本設計案例中設定之參數,當乒乓球落地時(y=0m),其飛行距離為0.789m,和實際投籃機構之投球距離頗為相符。假設期望投球距離必須在0.8m才能空心投中籃框,因此完成初步模擬之後,嘗試改變各桿件長度、接點位置、彈簧長度、彈簧常數等參數,來找出符合自己需求的機構。

(12)  將你分析過所有狀況記錄下來,作成一份報告,並敘述你的心得。