張 菲, 高東強(qiáng)

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

機(jī)械產(chǎn)品的運動分析和仿真已經(jīng)成為計算機(jī)輔助工程(CAE)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，同時也成為機(jī)械設(shè)計的必經(jīng)過程.進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計時，通常要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運動分析，以此來驗證機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性.對于尚處于設(shè)計階段的產(chǎn)品來說，產(chǎn)品可裝配性的好壞,最經(jīng)濟(jì)直觀的是在計算機(jī)上仿真產(chǎn)品的實際裝配和運動過程，進(jìn)行生動直觀的產(chǎn)品預(yù)裝配、干涉檢測以及產(chǎn)品運動協(xié)調(diào)性的驗證，以檢查各零部件與裝配有關(guān)的問題而不需要設(shè)計者做出物理樣機(jī).三維設(shè)計軟件Pro/Engineer 2001是美國PTC(美國參數(shù)技術(shù)公司)推出的一款CAD/CAM/CA一體化軟件.

圖1 Pro/E仿真流程圖

Pro/E的運動仿真與動態(tài)分析功能集成在“機(jī)構(gòu)”模塊中，包括Mechanism Design(機(jī)械設(shè)計)和Mechanism Dynamics(機(jī)械動態(tài))兩個方面的分析功能[1].使用“機(jī)械設(shè)計”分析功能相當(dāng)于進(jìn)行機(jī)械運動仿真，包括創(chuàng)建某種機(jī)構(gòu)、定義特定運動副、創(chuàng)建能使其運動起來的伺服電動機(jī)，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動模擬，還可以通過觀察與記錄分析測量諸如位置、速度、加速度等運動特征，并可以通過圖形直觀地顯示這些測量量、創(chuàng)建軌跡曲線和運動包絡(luò)，用物理方法描述運動.

根據(jù)所設(shè)計陶瓷快速成型機(jī)的工作原理，作者利用Pro/E建模以及仿真其運動，使其完整的運動得以展示，有助于對其運動的直觀理解，并可在此基礎(chǔ)上分析其運動規(guī)律，提出更好的優(yōu)化設(shè)計方法.

1 利用Pro/E進(jìn)行仿真的設(shè)計過程

利用Pro/E進(jìn)行仿真的設(shè)計過程主要可以分為兩個步驟：一是定義一個機(jī)構(gòu)，二是使其運動.其過程如圖1所示[2].

2 三維實體模型的建立與虛擬裝配

裝入元件時有兩種方式：接頭連接與約束連接.向組件中增加元件時，會彈出“元件放置”窗口，此窗口有3個頁面：“放置”、“移動”、“連接”.傳統(tǒng)的裝配元件方法是在“放置”頁面給元件加入各種固定約束，將元件的自由度減少到0，因元件的位置被完全固定，這樣裝配的元件不能用于運動分析(基體除外).另一種裝配元件的方法是在“連接”頁面給元件加入各種組合約束，如“銷釘”、“圓柱”、“剛體”、“球”、“6DOF”等等，使用這些組合約束裝配的元件，因自由度沒有完全消除(剛體、焊接、常規(guī)除外)，元件可以自由移動或旋轉(zhuǎn)，這樣裝配的元件可用于運動分析.接頭連接所用的約束都是能實現(xiàn)特定運動(含固定)的組合約束，包括：銷釘、圓柱、滑動桿、軸承、平面、球、6DOF、常規(guī)、剛性、焊接，共10種.在具體實現(xiàn)鋪料機(jī)構(gòu)的運動仿真之前，需要建立運動模型和設(shè)置運動環(huán)境，包括建立連接、連接軸設(shè)置、運動副、伺服電機(jī)以及電機(jī)運行的時間序列.這里用到的連接主要是銷釘聯(lián)接(Pin)、圓柱連接(Cyl2inder)、齒輪連接(Gear).譬如，水平絲杠與機(jī)架、豎直絲杠與機(jī)架等采用銷釘連接.料斗裝置中由電機(jī)帶動齒輪傳動使得攪拌軸轉(zhuǎn)動，因此這里要用到齒輪運動副(GearPairs)，在設(shè)置齒輪運動副的時候要注意選擇齒輪相對固定體(Ground)設(shè)置的連接，否則很難實現(xiàn)齒輪的正確運動，伺服電機(jī)主要設(shè)置為基于銷釘聯(lián)接的勻速圓周運動，在設(shè)置好這些環(huán)境之后就可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動仿真[3，4].圖2為鋪料機(jī)構(gòu)的整機(jī)爆炸圖.

圖2 鋪料機(jī)構(gòu)爆炸圖

圖3 鋪料機(jī)各零件圖

陶瓷快速成型機(jī)鋪料機(jī)構(gòu)需滿足以下運動要求： (1)絲杠驅(qū)動料斗裝置沿導(dǎo)軌的x向正反向移動； (2)絲杠驅(qū)動料斗裝置沿導(dǎo)軌的z向正反向移動； (3)料斗裝置的攪拌機(jī)構(gòu)用來攪拌漿料.

因鋪料機(jī)構(gòu)的零件較多，且配合精確，建立模型時，應(yīng)兼顧零件尺寸及裝配尺寸，以免在后續(xù)裝配過程中造成干涉.建立好零件模型后，分析鋪料機(jī)構(gòu)的組成模塊，分別先對各組成模塊進(jìn)行虛擬裝配.根據(jù)設(shè)計，該鋪料機(jī)構(gòu)分為水平裝置、升降裝置、料斗裝置以及其他周邊設(shè)施，按照如上分類，先建立各個模塊的裝配文件，最后按照整體順序插入安裝.所建立鋪料機(jī)構(gòu)各分支模塊如圖4所示.

圖4 鋪料機(jī)構(gòu)各模塊分解圖

建立好各大模塊后，將其按照順序整體裝配，因后續(xù)要涉及到仿真操作，因此整機(jī)裝配過程中需設(shè)定各個零件的裝配關(guān)系.以裝配圖4中的(c)與(d)模塊為例展開描述.首先分析二者之間的運動關(guān)系，根據(jù)要求，模塊(d)需要沿著模塊(c)在x方向運動，為螺母絲杠連接裝配.先導(dǎo)入模塊(c)完成其裝配，之后導(dǎo)入模塊(d)，導(dǎo)入設(shè)置操作中可以看到如圖5所示的幾種約束關(guān)系.然后開始選擇各約束，第一個為“圓柱”約束關(guān)系，即螺母可以沿著絲杠做直線運動，選擇好約束關(guān)系之后，設(shè)置各參照；第二個為“槽”約束關(guān)系，即螺母上的點沿著螺紋旋轉(zhuǎn)運動，同上設(shè)置各參數(shù)，槽連接時所選擇的參照分別為絲杠的內(nèi)螺紋以及螺母外螺紋上的點.完成上述兩步操作之后，絲杠螺母連接已成功定義，也即料斗裝置可以繞著絲杠運動了，但料斗的位置還沒有約束，加入驅(qū)動后，料斗整體便會繞著絲杠回轉(zhuǎn)，因此此時還需再額外定義一個約束，可選擇“常規(guī)”約束關(guān)系，設(shè)定料斗的導(dǎo)軌槽與模塊(c)或者(a)的導(dǎo)軌之間的面為參照，這樣就約束了料斗的方向，到此，模塊(d)便完成了裝配[5，6].所選擇的約束如圖5所示.料斗裝置的裝配結(jié)果如圖6所示.

圖5 料斗裝置裝配參數(shù)設(shè)置 圖6 料斗裝置裝配結(jié)果

3 仿真設(shè)計

在將零件裝配完之后，就要進(jìn)行仿真過程的設(shè)計，主要包括以下步驟[7]：

(1)機(jī)構(gòu)運動參數(shù)的設(shè)置.鋪料機(jī)構(gòu)裝配完并確定下來后,進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊,通過“插入→ 伺服電動機(jī)”創(chuàng)建驅(qū)動器,定義輸入載荷.通過“分析→機(jī)構(gòu)分析→分析定義”設(shè)置仿真運動參數(shù),從而完成鋪料機(jī)構(gòu)運動模型的參數(shù)設(shè)置.為了使模型能真實反映實際機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律,必須精確地描述驅(qū)動件的運動規(guī)律.

(2)運動仿真過程.運動模型的參數(shù)設(shè)置后, 即可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運動仿真.通過運行“機(jī)構(gòu)分析”,即可將仿真結(jié)果以動畫形式在屏幕上顯示.如果執(zhí)行“軌跡曲線”命令,還可得到機(jī)構(gòu)運動軌跡的仿真結(jié)果.

(3)干涉檢查.干涉檢查的目的是分析機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運動干涉及“死點”位置.利用Pro/E自動檢查各部件在運動過程中的干涉問題,不僅準(zhǔn)確,而且效率高, 使得干涉問題在設(shè)計過程中就能得到有效解決.通過干涉檢查,對發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)干涉的部位,可以通過修改對應(yīng)零部件特征的方法,逐一予以解決.

(4)結(jié)果分析.運動學(xué)分析的目的是通過考察各零部件的相對運動狀態(tài),檢驗機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉并考察和評價系統(tǒng)的速度和加速度特征,其主要研究內(nèi)容是機(jī)構(gòu)的位置、速度和加速度分析.仿真分析有助于分析運動時產(chǎn)生的結(jié)果,并能提供相應(yīng)的改進(jìn)信息.

按照以上仿真步驟分別設(shè)定參數(shù)，該機(jī)構(gòu)需完成漿料攪拌、料斗水平往復(fù)運動、鋪料臺垂直往復(fù)運動等3大運動，按照要求需要3個獨立電機(jī)來達(dá)到運動要求，依次定義各個電機(jī)的參數(shù)(如圖7(2)、7(3)所示)，最后得到如圖7(1)所示的電動機(jī)列表.設(shè)定完電機(jī)之后，即可開始運動分析定義操作，如圖7(4)所示.因為是多個電機(jī)的配合運動，這里需要設(shè)定各電機(jī)的運動以及終止時間[8,9].

圖7 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

按照運動順序，第一步，料斗裝置開始沿絲杠運動在鋪料臺上鋪石蠟漿料，鋪設(shè)完畢后料斗復(fù)位；第二步，等待石蠟漿料冷卻，當(dāng)石蠟?zāi)谭系窨桃髸r，雕刻機(jī)裝置按照分層的圖形開始準(zhǔn)備雕刻石蠟成型，雕刻結(jié)束后雕刻機(jī)復(fù)位；第三步，料斗裝置沿絲杠運動在先前的石蠟層上鋪設(shè)陶瓷漿料，從而使得漿料填補(bǔ)到在石蠟上雕刻的槽，鋪料結(jié)束后料斗復(fù)位，停止鋪料；第四步，電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動鋪料臺沿著z方向向下移動預(yù)設(shè)高度，運動到位后再由鋪料裝置配合雕刻裝置完成下一層的雕刻，如此反復(fù)直至分層加工結(jié)束.根據(jù)如上的運動過程，以完成一層的雕刻加工為例，3個電機(jī)的運動時間順序為控制攪拌軸運動的電機(jī)自始至終都要開啟，然后，控制料斗鋪料運動的水平電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成鋪料工序，隨后，控制鋪料臺運動的電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動鋪料臺降低一定高度.

已知參數(shù)：所選電機(jī)型號為57BYG096型步進(jìn)電機(jī)，空載啟動轉(zhuǎn)速n=360 r/min；水平絲杠的螺紋長度為L1=340 mm，螺距為S1=4 mm，垂直絲杠的螺紋長度為L2=80 mm，螺距為S2=2 mm.

(1)由電機(jī)的轉(zhuǎn)速可知轉(zhuǎn)一圈所需時間

T1=1/n=1/360 min=1/6 s

(1)

則料斗一個往復(fù)的時間為

T2=2×L/4×T1=2×340/4×1/6≈28 s

(2)

由此可以得出如圖7(4)所示的Serve Motor 1的設(shè)定時間為0～28 s，Serve Motor 2的設(shè)定時間為開始到終止.

(2)設(shè)定某工件加工的分層厚度為L2=2 mm，也即當(dāng)上一次的分層圖形雕刻完畢之后，鋪料臺要向下移動2 mm.

T3=L2/S2×T1=2/2×1/6≈1/6 s

(3)

根據(jù)計算結(jié)果，則Serve Motor 3的設(shè)定時間為28～28.167 s. 時間設(shè)定完畢之后，就可以進(jìn)行仿真了，通過仿真動畫可以了解到機(jī)構(gòu)運動的整個過程，真實地反映了該成型運動，為分析其運動提供參考.

4 結(jié)束語

由于此新型陶瓷快速成型機(jī)正處在研制設(shè)計階段，通過應(yīng)用Pro/E進(jìn)行虛擬裝配和運動仿真，可以更直觀地對其進(jìn)行干涉檢測以及進(jìn)行各部件之間的間隙調(diào)整.與通過樣機(jī)實驗反饋相比，可以大大縮短設(shè)備的設(shè)計研發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為設(shè)計提供了一個有效的開發(fā)途徑.

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