□ 沈小華 □ 楊宗儒 □ 付樂樂 □ 張志富
武漢理工大學 智能制造與控制研究所 武漢 430063
機械創(chuàng)新設計實驗是工科學院機械類專業(yè)學生課程教學計劃中的重要環(huán)節(jié),對于提高學生的工程實踐能力、綜合設計與分析能力和創(chuàng)新能力有著重要作用。傳統(tǒng)的機械類教學實驗較為固定,缺少設計性實驗及研究性實驗,這種傳統(tǒng)實驗內(nèi)容固定、功能單一,且以驗證性實驗為主,無法適應高等學校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。鑒于以上不足[1],筆者自主設計出一種新型機械創(chuàng)新實驗考核平臺,集實驗與考核于一體,設計的間歇組合裝置用于多種實驗題板的組合變換,并對其進行了相關(guān)仿真分析。
本文論述的間歇組合裝置位于筆者設計的新型機械創(chuàng)新實驗考核平臺內(nèi)部,該裝置主要由槽輪-齒輪傳動機構(gòu)、支座、左框架、右框架等組成。其中實驗題板固定在左、右框架面上,框架由中空鋼管、鋼板焊接連接,槽輪-齒輪傳動機構(gòu)的中心軸穿過左、右框架并通過深溝球軸承約束在支座上,整機虛擬樣機如圖1所示。
▲圖1 間歇組合裝置虛擬樣機
槽輪-齒輪傳動機構(gòu)主要由槽輪銷、槽輪、從動齒輪、主動齒輪及中心軸等組成[2],如圖2所示。從動齒輪與右框架固連而與中心軸不連接,則從動齒輪不隨中心軸一起轉(zhuǎn)動。電機帶動中心軸轉(zhuǎn)動,槽輪銷帶動槽輪作周期性轉(zhuǎn)動,使主動齒輪帶動從動齒輪作間歇性轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)左框架轉(zhuǎn)動4圈時,右框架轉(zhuǎn)動1圈的效果,達到實驗題板隨機組合的目的。
為了實現(xiàn)實驗題板隨機組合的功能,考慮到左、右框架轉(zhuǎn)動的精確性與自鎖性,采用槽輪機構(gòu)來實現(xiàn)這一功能。選取4槽的槽輪與傳動比為1∶1的齒輪機構(gòu)相結(jié)合的方式來完成裝置間歇組合的功能。槽輪的相關(guān)參數(shù)見表 1[3]。
根據(jù)功能需要,確定中心軸的尺寸,依據(jù)其重力的大小可以確定中心軸的受載情況。中心軸受力與相關(guān)尺寸如圖3所示。
▲圖2 槽輪-齒輪傳動機構(gòu)
▲圖3 中心軸受力圖
表1 槽輪相關(guān)參數(shù)
由平衡條件得:
根據(jù)式(1)可以分別求出支反力FA=231.2 N,F(xiàn)B=228.8 N,由第三強度理論可得合成應力:
式中:W為抗彎彈性模量;M為彎矩;T為轉(zhuǎn)矩。
代入C點與E點的相關(guān)參數(shù)進行計算,得到C點及E點處的合成應力:
取許用應力 [σ-1]b=55 MPa, 計算得到:C點軸徑dC≥15.9 mm,E點軸徑 dE≥18.2 mm,實際設計時,取:dC=24 mm,dE=30 mm。
間歇組合裝置轉(zhuǎn)動的精確度是實驗平臺能可靠工作的前提,因此對間歇組合裝置驅(qū)動電機的控制尤為重要。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻,選擇了光電傳感器作為信號采集源,為了實現(xiàn)槽輪每次旋轉(zhuǎn)90°,在對應的槽輪機構(gòu)上均勻分布地貼上感應片。在間歇組合裝置旋轉(zhuǎn)時,當旋轉(zhuǎn)到預定位置,光線經(jīng)感應片反射,傳感器感覺到光強的變化并轉(zhuǎn)化為電信號,并將模擬信號的變化經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的變化,處理器分析處理后,控制電動機停止轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)固定角度的精確旋轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。
▲圖4 控制系統(tǒng)控制流程圖
▲圖5 框架裝配圖
間歇組合裝置的左、右框架加工均先采用激光切割,材料為45號鋼,在兩個鋼板中心孔位置用鋼管焊接來連接,保證機架旋轉(zhuǎn)同步性。在鋼板4個頂端先用方鋼采用螺紋連接,然后焊接,保證兩塊鋼板的平行度。加工工藝為:劃線→切割坯料→激光切割→劃線、對心→焊接→鏜孔、鉆孔→倒角→去毛刺→裝配[4]??蚣苎b配如圖5所示。
槽輪銷由撥盤、月牙弧品臺和撥盤銷組成,其中撥盤和月牙弧凸臺通過螺紋來連接,撥盤中心孔與月牙弧凸臺采用過渡配合,保證同心度,撥盤銷表面淬火,并與撥盤過渡配合,材料均為45號鋼。加工工藝為:車銷坯料→銑銷平面→線切割月牙弧和螺紋間隙孔→劃線→鉆孔→倒角去毛刺→裝配。槽輪銷裝配如圖6所示。
▲圖6 槽輪銷裝配圖
中心軸主要由車削和銑削加工而成,在中心軸中間位置車一段外螺紋,并在裝配框架的時候在中心軸中間位置旋合上一個圓螺母并用止動墊圈固定,防止左、右框架沿軸線方向移動,同時保證了左、右框架不接觸,也保證了間歇組合裝置轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性。
左、右框架間歇式相對轉(zhuǎn)動是實現(xiàn)該實驗平臺實驗題板隨機組合的前提,間歇組合裝置利用槽輪-齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)左、右框架間歇式相對轉(zhuǎn)動,可以保證轉(zhuǎn)動過程中的平穩(wěn)性,采用ADAMS軟件對間歇組合裝置進行仿真驗證。
▲圖7 左框架角速度變化曲線
▲圖8 右框架角速度變化曲線
▲圖9 從動齒輪力矩變化圖
▲圖1 0 從動齒輪力矩FFT-3D圖
在SolidWorks軟件中建立該裝置3D模型,然后通過軟件接口導入ADAMS中,在ADAMS中定義部件和運動副后進行仿真,得到左框架角速度變化曲線如圖7所示,右框架角速度變化曲線如圖8所示。
從仿真結(jié)果可以看出,在前14 s時間內(nèi),左框架一直在轉(zhuǎn)動而右框架并未運動。在接近30 s時右框架角速度又逐漸趨近于0,而左框架角速度接近初始值,驗證了裝置具有間歇組合的功能。通過以上分析,得到的仿真結(jié)果與理論設計基本相符,驗證了左、右框架間歇式相對轉(zhuǎn)動的特性,可以滿足實際工作要求。
對槽輪-齒輪傳動機構(gòu)進行動力學仿真,模擬傳動過程中從動齒輪的力矩變化和振動情況。從動齒輪力矩變化如圖9所示,對其進行快速傅里葉變換(FFT),得到從動齒輪力矩 FFT-3D 圖[5],如圖 10所示。
圖9和圖10分別從時域和頻域上反映了從動齒輪的嚙合特性,從仿真結(jié)果可以看出,在0~5 Hz之間,從動齒輪振動較大,在5 Hz之后,傳動相對平穩(wěn),在實際運動時可通過降低轉(zhuǎn)速避開0~5 Hz的頻段,實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。另外,在前14 s時間內(nèi),從動齒輪力矩未發(fā)生變化,也驗證了該裝置間歇組合的功能。
針對開發(fā)的新型機械創(chuàng)新實驗考核平臺中實驗題板組合變換的運動要求,設計了一種由單個電動機提供動力實現(xiàn)間歇運動的間歇組合裝置。對整體機構(gòu)進行三維建模,確定了關(guān)鍵零件的加工工藝,對槽輪-齒輪傳動機構(gòu)進行了動力學仿真并進行快速傅里葉變換,確保裝置工作的穩(wěn)定性,驗證機構(gòu)設計的合理性,能夠完成運動要求。
[1] 裴立德,張大玉,陳家垅,等.綜合型實教學改革的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2001,18(6):4-6.
[2] 鄭文緯,吳克堅.機械原理(第 7 版)[M].北京:高等教育出版社,2000.
[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,1993.
[4] 彭文生,黃花梁,王均榮,等.機械設計[M].武漢:華中理工大學出版社,2000.
[5] 郭術(shù)義,楊杰.基于ADAMS的齒輪傳動系統(tǒng)可靠性研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2007,34(6):50-51.