余遠(yuǎn)文，鄧益民

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211;2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江寧波 315211)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們的物質(zhì)水平的不斷提高，汽車(chē)的人均保有量越來(lái)越大，隨之帶來(lái)的汽車(chē)安全問(wèn)題也越來(lái)越突出。汽車(chē)安全可分為主動(dòng)安全、被動(dòng)安全和事故發(fā)生后的安全性［1］。其中主動(dòng)安全是減少交通事故的直接保障，而汽車(chē)視野安全是主動(dòng)安全中最重要的一部分，包括直接視野和間接視野。直接視野是指駕駛員透過(guò)擋風(fēng)玻璃、車(chē)門(mén)玻璃和后窗玻璃，所能看到范圍;間接視野是指駕駛員通過(guò)內(nèi)外后視鏡觀測(cè)到的車(chē)輛后方區(qū)域。直接視野一般沒(méi)有什么變化，相反間接視野會(huì)受到很多因素的影響，如汽車(chē)行駛狀態(tài)的不同、駕駛員的身高差異、座位位置調(diào)整不一樣等，因此獲得一個(gè)可靠、舒適的間接視野對(duì)于行車(chē)安全十分必要。汽車(chē)后視鏡驅(qū)動(dòng)器是駕駛員調(diào)整自己間接視野的重要部件，它通過(guò)控制后視鏡鏡面來(lái)改變間接視野。目前市場(chǎng)上的后視鏡驅(qū)動(dòng)器可分為手動(dòng)和電動(dòng)，筆者將以某公司生產(chǎn)的一款電動(dòng)后視鏡驅(qū)動(dòng)器為例通過(guò)UG進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真［2－3］。

1 UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊介紹

UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的CAD/CAE/CAM產(chǎn)品研發(fā)解決方案［4］，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、航天等工業(yè)領(lǐng)域。UG中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊屬于CAE方向的一部分，通過(guò)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以追蹤構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)得到構(gòu)件的速度、加速度和力等參數(shù)。運(yùn)動(dòng)分析模塊的分析結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料，它主要有四個(gè)基本步驟。

(1)設(shè)置連桿。連桿是機(jī)構(gòu)中的剛體，機(jī)構(gòu)中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)零件均應(yīng)定義連桿。

(2)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副。一個(gè)獨(dú)立的空間連桿具有6個(gè)自由度，連桿與連桿之間需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)副來(lái)相互約束和傳遞能量。

(3)建立運(yùn)動(dòng)算法。一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真是否可靠，除了運(yùn)動(dòng)副要與實(shí)際情況一致外，還需要確保驅(qū)動(dòng)力的方式、大小、時(shí)間等因素跟真實(shí)環(huán)境相符，還要根據(jù)需要設(shè)置重力的方向，阻力等參數(shù)。

(4)求解和結(jié)果顯示。求解是UG內(nèi)部程序運(yùn)行的過(guò)程，用動(dòng)畫(huà)來(lái)追蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，用圖表和電子表格來(lái)表達(dá)機(jī)構(gòu)的速度、加速度和力等參數(shù)的變化規(guī)律。

2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)分析

在后視鏡系統(tǒng)中，要求鏡面可以上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，換句話說(shuō)，電動(dòng)后視鏡驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)自由度，需要兩個(gè)動(dòng)力源，如圖1所示是某公司生產(chǎn)的一款電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。

該驅(qū)動(dòng)器的主要運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

圖1 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

圖2 驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

這里需要說(shuō)明的是，驅(qū)動(dòng)器工作過(guò)程中總是一個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)另一個(gè)電機(jī)停止，另外浮動(dòng)板上還有很多約束:浮動(dòng)板與底座球面副連接;浮動(dòng)板與浮動(dòng)桿兩端旋轉(zhuǎn)副連接，而浮動(dòng)桿與底座旋轉(zhuǎn)副連接;浮動(dòng)板與齒條球面副連接。

3 驅(qū)動(dòng)器UG建模和運(yùn)動(dòng)仿真

為了減少建模的復(fù)雜性和后續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真的方便，對(duì)上述的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)化，除去電機(jī)和行星輪，在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真中，直接把驅(qū)動(dòng)加到齒輪上，同時(shí)把對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)影響的特征除去。通過(guò)UG建模，最終得到如圖3所示的驅(qū)動(dòng)器三維圖。

因?yàn)樵撃Ｐ褪窃赨G建模模塊中直接構(gòu)建，所以不必進(jìn)行零件的裝配，直接進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊。

圖3 驅(qū)動(dòng)器三維圖

(1)設(shè)置連桿。按表1所示，設(shè)置對(duì)應(yīng)的連桿。

表1 連桿設(shè)置對(duì)照表

(2)設(shè)置運(yùn)動(dòng)副。按表2所示，設(shè)置各連桿之間的運(yùn)動(dòng)副。

表2 運(yùn)動(dòng)副設(shè)置對(duì)照表

(3)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)算法 將L001與L002的旋轉(zhuǎn)副J002的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型設(shè)置為恒定，大小為10(°)/s，同時(shí)將L001與L006的旋轉(zhuǎn)副J005的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型設(shè)置為恒定，大小為0。在解算方案中設(shè)定類(lèi)型為常規(guī)驅(qū)動(dòng)，分析類(lèi)型為運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)，時(shí)間為3 s，步數(shù)為100步，重力加速度為9 810.00 mm/s2。

(4)求解和結(jié)果顯示 通過(guò)以上設(shè)置后，執(zhí)行求解命令，隨后通過(guò)動(dòng)畫(huà)來(lái)觀察驅(qū)動(dòng)器模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，圖4所示是驅(qū)動(dòng)器模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某個(gè)時(shí)間點(diǎn)下所處的狀態(tài)。

通過(guò)圖表和電子表格顯示驅(qū)動(dòng)器某部分的位移、速度、加速度和力隨時(shí)間的變化規(guī)律，圖5～8是驅(qū)動(dòng)器的J002(旋轉(zhuǎn)副)4個(gè)參數(shù)的變化圖。

圖4 某個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的驅(qū)動(dòng)器所處的狀態(tài)

圖5 J002的相對(duì)角位移

圖6 J002的角速度

圖7 J002的角加速度

圖8 J002的力矩

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，能夠檢查工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中是否存在干涉，可以判斷結(jié)構(gòu)的薄弱之處，用來(lái)指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料等。所構(gòu)建的三維模型是具體設(shè)計(jì)模型的簡(jiǎn)化，還有很多參數(shù)未予確定，在具體工程設(shè)計(jì)中，還需要完善驅(qū)動(dòng)器的三維模型，同時(shí)獲得并設(shè)置與實(shí)際相符的相關(guān)參數(shù)。

［1］ 趙 云，唐如亞，陳華杰.后視鏡布置與視野安全性分析［J］.機(jī)電技術(shù)，2012(1):90－93.

［2］ 宋曉華，汪建平.基于UG的平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005(1):107－109.

［3］ 馮勝?gòu)?qiáng)，胡繩蓀，申俊琦.基于UG的弧焊機(jī)器人模型裝配與運(yùn)動(dòng)仿真［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6(42):518－522.

［4］ 張晉西，張甲瑞，郭學(xué)琴.UG NX/Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真基礎(chǔ)及實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.