圓柱度儀立柱系統(tǒng)設計及分析

馮穎，王雨，高東強，張希峰，楊磊，王偉

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

Design and Analysis of the Cylindrical Instrument Column System

FENG Ying，WANG Yu，GAO Dongqiang，ZHANG Xifeng，YANG Lei，WANG Wei

(Mechanical and Electrical Engineering College，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

摘要：設計了圓柱度儀立柱系統(tǒng)的基本結構，包括帶有傳感器的橫向裝置和提供上下方向運動的豎直運動裝置，用Pro/E建立其簡化模型，導入ADAMS中進行仿真分析，獲得了橫向裝置X，Y，Z方向的速度和加速度。結果證明了設計的正確與合理。

關鍵詞：Pro/E；ADAMS；仿真分析；速度和加速度

中圖分類號：TG83

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0078-03

收稿日期：2014-12-22

基金項目：陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(201410708915)

作者簡介：馮穎(1994-)，女，山西呂梁人，研究方向為機械結構設計。

Abstract：Design the basic structure of the column system of cylindrical instrument，include horizontal device with sensors and vertical movement device.Using Pro/E establish its simplified model，the model is imported into ADAMS for simulation analysis，to obtain the velocity and acceleration of horizontal movement device of X，Y，Z direction. The results show that the design is correct and reasonable.

Key words：Pro/E；ADAMS；simulation analysis；velocity and acceleration

0引言

圓度與圓柱度誤差是衡量回轉體零件表面形狀精確度的重要因素，也是保證零件互換性的重要條件，而且影響到回轉體零件使用過程中的摩擦、磨損狀況及運轉的平穩(wěn)性[1-3]。所以，以低成本實現(xiàn)圓度和圓柱度的高精度檢測是現(xiàn)今國內機械制造行業(yè)中急需解決的問題，圓度和圓柱度精密測量儀的研制和開發(fā)意義重大。

圓柱度測量儀具有精密回轉軸系和平行于回轉軸軸線的精密直線導軌，可測量較高精度和高精度零件的圓柱度誤差，直線導軌用于傳感器和測量頭的間斷或連續(xù)的作平行于儀器工作臺回轉軸線的直線位移。因此，在圓柱度儀的設計研發(fā)中，立柱系統(tǒng)成為其中的重點。

1機械結構設計

1.1組成及工作原理

根據(jù)測量技術原理，將圓柱度測量儀分為3部分：精密立柱導軌、精密轉臺和控制系統(tǒng)。精密立柱系統(tǒng)主要包括豎直運動裝置、橫向運動裝置，分別實現(xiàn)傳感器測頭豎直方向往返、左右往返運動；精密轉臺實現(xiàn)工作臺的勻速旋轉運動；控制系統(tǒng)實現(xiàn)各系統(tǒng)裝置的自動控制和各順序運動，以提高測量效率。其組成如圖1所示。

圖1　圓柱度儀組成

1.2立柱系統(tǒng)機械結構設計

根據(jù)圓柱度測量技術原理，將圓柱度測量儀精密立柱系統(tǒng)分為豎直運動系統(tǒng)和橫向運動系統(tǒng)，分別實現(xiàn)傳感器測頭的豎直方向往返運動以及測頭的左右往返運動。

按照上面所述精密立柱系統(tǒng)的要求，圓柱度儀立柱系統(tǒng)需要有2個方向的運動，可將立柱系統(tǒng)分為橫向運動裝置、豎直運動裝置。整體結構設計如圖2所示。

橫向裝置主要通過電機帶動減速器運動，帶動傳動裝置實現(xiàn)橫向導軌左右運動，實現(xiàn)傳感器測頭的左右運動。

豎直運動結構通過電機帶動減速器運動，減速器將運動傳遞給帶輪，帶輪通過同步帶帶動導軌滑套、橫向裝置及配重上下往復運動，實現(xiàn)傳感器測頭上下往復運動。

圖2　整體模型

1.2.1　橫向運動裝置的設計

由于被測物體直徑大小的不同，所以傳感器測頭要實現(xiàn)橫向的左右往返運動，同時保證運行平穩(wěn)和合適的速度。橫向裝置機構上下運動的穩(wěn)定性和精確性決定了測量結果的精確度，運動部件的質量影響運動的平穩(wěn)和精度，設計結構時要使質量盡量小。

橫向裝置三維模型和裝配關系如圖3所示。

圖3　橫向裝置

采用中空形式的橫向導軌，可以減小質量，同時縮減空間。采用精密滾珠絲杠傳動，把絲杠的旋轉運動轉換成橫向導軌的左右直線運動。絲杠被安裝在橫向導軌的中空空間內。減小了橫向裝置的總重量，減小了上下運動時運動部件質量對速度穩(wěn)定性和精確性的影響，同時傳動系統(tǒng)簡便緊湊，傳動系統(tǒng)的剛度高。

1.2.2　豎直運動裝置的設計

線性模組又叫直線模組、直線滑臺等，為直線導軌、滾珠絲桿直線傳動等機構的自動化升級單元。實現(xiàn)負載的直線以及曲線運動，負載的自動化更靈活、定位更精準。

同步帶直線模組具有定位精度高、磨損小、組裝容易并具互換性等優(yōu)點，所以采用同步帶線性模組作為運動傳動裝置。將其簡化為導軌、支座、連接裝置、同步帶和滑座等，簡化后結構如圖4所示。

采用直線模組來實現(xiàn)橫向裝置的上下往復運動，同步帶連接導軌滑套和配重，使其實現(xiàn)上下往復運動。主動帶輪及電機設計在下端靠近固定端的位置，使得振源靠近固定端，使電機等機構產(chǎn)生的振動對立柱導軌及橫向裝置運動的影響減小。

圖4　豎直運動裝置模型

2基于ADAMS的仿真分析

以橫向結構的豎直方向的運動為例，運用ADAMS軟件進行動力學分析。

a.建立模型。ADAMS建模功能較簡單，所以運用Pro/E建立立柱系統(tǒng)實體模型。建模時對仿真結果影響不大的孔、底座等進行簡化。

b.模型導入。Pro/E建立的模型不能直接導入到ADAMS，將文件保存為x_t格式文件，導入到ADAMS中即可以直接讀出。

c.添加約束。在底板與大地間、立柱導軌與上下板間分別添加固定約束，2個帶輪及傳動齒輪分別添加旋轉約束，傳動齒輪間添加齒輪副，導軌與滑套接觸處添加接觸。

d.同步帶處理。在仿真中同步帶的處理方法常用的有2種：用有限元方法生成模態(tài)中性文件，將其處理為柔性體；將同步帶處理為許多個小帶塊拼接而成，帶塊越多仿真越精確，帶塊間用轉動副或襯套副進行連接。本次仿真中用第2種方法對同步帶進行處理，并在每個帶塊與帶輪間添加接觸副。

e.添加驅動。與電機相連主動齒的旋轉副添加驅動。

f.仿真設置與提取對象。分別測量橫向裝置(PART45)，在高速時，速度等于0.02 m/s，按照結構設計換算到電機轉速為25 r/min；中速時，速度等于0.01 m/s，即電機轉速12.5 r/min；低速時，速度等于0.005 m/s，即電機轉速6.3 r/min，提取PART45在驅動速度時的速度和加速度。

在轉速為25 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在 X，Y方向的速度為零，Z向速度為0.02 m/s。

在轉速為12.5 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在X，Y方向的速度為零，在Z向的速度為0.01 m/s。

在轉速為6.3 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在X，Y方向的速度為零，在Z向的速度為0.005 m/s。

3結束語

設計了立柱系統(tǒng)的基本結構，用Pro/E軟件建立簡化模型，并運用ADAMS進行動力學分析，獲得了速度和加速度，仿真結果表明設計是合理的、正確的。

充分發(fā)揮了Pro/E和ADAMS軟件在建模和動力學仿真分析方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)了復雜機構的建模和動力學仿真，很大程度上縮短了設計、研發(fā)的流程和時間，為進一步的設計和改進研發(fā)提供了參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]何凱．圓度和圓柱度測量虛擬儀器的開發(fā)．西安：陜西科技大學，2011．

[2]蔣壽偉，呂林森，邢國斌，等.新編形狀和位置公差標注讀解.北京：中國標準出版社，2000.

[3]馬德鋒，朱孔敏，邱明.基于LabVIEW的圓柱度誤差測量軟件設計.軸承，2007(11)：43-47.

[4]馬金鋒．陶瓷零件快速成型機及控制系統(tǒng)的設計與研究．西安：陜西科技大學，2014．

[5]何廷亮，馬金鋒，孫傳林，等.新型陶瓷零件快速成型機設計.輕工機械，2013，31(4)：8-10.

[6]葛正浩，張凱凱，梁金生，等．基于虛擬樣機技術同步帶傳動的動態(tài)性能研究．機械傳動，2011，35(3)：64-66．