潘振，邱望標(biāo)，逯博文，李宜汀，李哲

(貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550000)

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基于COSMOSMotion軸承套圈方向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

潘振，邱望標(biāo)，逯博文，李宜汀，李哲

(貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550000)

摘要：主要是設(shè)計(jì)隧道式交變磁場(chǎng)去應(yīng)力裝置中的軸承套圈的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件通過拉伸、切除、陣列、掃描等特征方法[1]對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，然后運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真插件COSMOSMotion對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到軸承套圈的速度和加速度曲線，對(duì)比仿真結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案。通過三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真提高了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的形象性和直觀性[2]。

關(guān)鍵詞：SolidWorksCOSMOSMotion仿真三維建模

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0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，三維設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛[3]。SolidWorks是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有強(qiáng)大的三維建模能力，是運(yùn)動(dòng)仿真、應(yīng)力分析的工具，使用方便操作簡(jiǎn)單[4]。COSMOSMotion是一個(gè)與SolidWorks無縫集成運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，通過添加運(yùn)動(dòng)、約束、力、碰撞等，機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力仿真模擬，用動(dòng)畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的軌跡、速度、加速度、作用力、反作用力等運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)[5]。本文針對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，運(yùn)用COSMOSMotion對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后對(duì)比仿真結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案。

1軸承套圈方向轉(zhuǎn)換裝置三維建模

已知隧道式交變磁場(chǎng)去應(yīng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承套圈首先水平穿過線圈，磁場(chǎng)線從軸承套圈徑向穿過，經(jīng)過徑向磁場(chǎng)處理幾分鐘后，軸承套圈再豎立著穿過線圈，此時(shí)磁場(chǎng)線從軸承套圈的軸向穿過，等待軸向磁場(chǎng)的去應(yīng)力處理。這就要求有一個(gè)轉(zhuǎn)向裝置能把軸承套圈從水平的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成豎立的狀態(tài)。軸承套圈參數(shù)：外徑36 mm、內(nèi)徑30 mm、寬度8 mm，材料為45鋼冷拔。

根據(jù)已知條件設(shè)計(jì)合理的方案，利用SolidWorks拉伸、切除、陣列、掃描等特征方法三維建模如圖1所示，轉(zhuǎn)向裝置由3個(gè)零件裝配而成，軸承套圈由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)頂部水平進(jìn)入，在里面的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條空間曲線，從左邊底部窄縫里出來以后是豎立的位置狀態(tài)。

圖1　轉(zhuǎn)向裝置三維零件圖及裝配圖

2軸承套圈方向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)干涉檢查

三維建模完成以后，還要進(jìn)行干涉檢查，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，能否按照預(yù)定的方式正確裝配起來而不發(fā)生裝配不進(jìn)去的情況[6]。利用SolidWorks進(jìn)行干涉檢查，過程如下：

1)新建裝配圖。啟動(dòng)SolidWorks后，新建裝配圖。點(diǎn)擊“插入零部件”的選項(xiàng)，選中將要裝配的零部件。在開始裝配之前先在零件1上作兩條3D曲線(圖1中(a))，3D曲線2在零件1的曲面上，并且距離零件1右邊內(nèi)邊界的距離是18 mm，3D曲線1在3D曲線2的正上方，距離它4 mm。在軸承套圈上作2個(gè)空間點(diǎn)(圖2)，中心點(diǎn)1在軸承套圈的正中心，點(diǎn)2是軸承套圈底面圓的中心點(diǎn)。作2條3D曲線和2個(gè)空間點(diǎn)的目的是為了在后續(xù)的軸承套圈與轉(zhuǎn)向裝置的路徑配合中建立好運(yùn)動(dòng)路徑和零部件頂點(diǎn)[7]，以對(duì)軸承套圈的運(yùn)動(dòng)路徑和位置狀態(tài)進(jìn)行約束；

2)點(diǎn)擊“配合”選項(xiàng)，然后按照設(shè)計(jì)要求對(duì)零部件用重合、相切、同心圓等約束條件進(jìn)行配合；

3)配合完畢以后，在“工具”菜單中選擇干涉檢查，發(fā)生干涉的位置將會(huì)以紅色顯示，干涉檢查結(jié)果如圖3所示。

圖2　軸承套圈上的空間點(diǎn)　　　圖3　干涉檢查

圖3中干涉檢查的結(jié)果顯示無干涉，且三維模型中沒有出現(xiàn)紅色警告的部分，說明設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)滿足裝配要求，可以正確裝配。

3運(yùn)動(dòng)仿真

利用SolidWorks中COSMOSMotion插件對(duì)上文建立的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，過程如下：

1)添加新算例在SolidWorks的“工具”菜單中載入COSMOSMotion插件[8]，點(diǎn)擊“添加新算例”；

2)選擇材料在需要定義材料的零件上單擊右鍵，在右鍵下拉菜單中選擇“編輯材料”，零件1、零件2和零件3選擇PPS塑料，軸承套圈選擇45鋼冷拔；

3)添加引力在運(yùn)動(dòng)算例菜單中點(diǎn)擊“引力”選項(xiàng)，定義豎直向下引力，加速度9 806.65 mm/s2；

4)添加摩擦力 在運(yùn)動(dòng)算例的菜單中點(diǎn)擊“接觸”選項(xiàng)，選擇接觸的面組，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇的材料和接觸面自動(dòng)計(jì)算出每時(shí)每刻的摩擦力；

5)運(yùn)行模擬、顯示結(jié)果 點(diǎn)擊“計(jì)算”，軟件會(huì)自動(dòng)分析計(jì)算結(jié)果。軸承套圈運(yùn)動(dòng)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的速度(圖4)，加速度(圖5)，從仿真動(dòng)畫中可以看到軸承套圈可以按照預(yù)定的軌跡流暢的滑落下來，并且沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖4　Z軸方向速度圖5　Z軸方向加速度

4仿真結(jié)果分析

通過選定零件材料，添加引力，添加摩擦力，極度貼近實(shí)際的仿真計(jì)算，從得出的仿真動(dòng)畫中可以看出軸承套圈在重力和摩擦力的合力作用下沿著轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中3D曲線1和3D曲線2流暢的下滑，沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象，并且這兩條3D曲線也起到限定軸承套圈位置狀態(tài)的作用。

從圖4和圖5中可看出，軸承套圈運(yùn)動(dòng)出轉(zhuǎn)向裝置的速度為1 223 mm/s，加速度為3 200 mm/s2，軸承套圈從進(jìn)入轉(zhuǎn)向裝置到運(yùn)動(dòng)出轉(zhuǎn)向裝置大約需要0.6 s的時(shí)間，大概在0.15 s的位置軸承套圈開始由XY平面的運(yùn)動(dòng)變成YZ平面的運(yùn)動(dòng)，由于慣性的作用，圖中Z軸速度和Z軸加速度曲線都有一個(gè)突然的上升，滿足實(shí)際情況。

設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)仿真結(jié)果修改轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的曲面形狀參數(shù)，從而改變軸承套圈運(yùn)動(dòng)軌跡和受力，則軸承套圈運(yùn)動(dòng)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的速度和加速度也會(huì)隨之變化，最后得到滿足生產(chǎn)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)即滿足要求。

綜上所述，本文首先在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理分析的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模和虛擬裝配，虛擬裝配結(jié)果顯示設(shè)計(jì)中各個(gè)零件的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的、正確的。然后對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查，結(jié)果顯示無干涉且無錯(cuò)誤警告，則表明轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零部件設(shè)計(jì)合理，不存在零部件裝配不進(jìn)去的情況。接著利用COSMOSMotion插件對(duì)裝配好的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真出軸承套圈在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的仿真動(dòng)畫以及軸承套圈運(yùn)動(dòng)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)Z軸方向的速度和加速度曲線。從最后的仿真動(dòng)畫和Z軸方向速度和加速度曲線看出，軸承套圈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。至此，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及仿真基本完成。

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Direction conversion mechanism design and simulation of bearing ring based on COSMOSMotion

PAN Zhen，QIU Wangbiao，LU Bowen，LI Yiting，LI Zhe

Abstract:This paper is about the design of the direction conversion mechanism of tunnel-based destressing device for alternating magnetic field. Using the SolidWorks 3D design software, we build the 3D model of the mechanism through such methods as stretching, excising, arraying, and scanning, then we simulate the 3D model based on the motion simulation plug-in COSMOSMotion to work out the speed and acceleration curve of the bearing ring so as to modify the design scheme according to the simulation results. Through 3D modeling and motion simulation, the vividness and visualization of the mechanism design are improved.

Keywords:SolidWorks; COSMOSMotion; simulation;3D modeling

收稿日期：2015-08-29 2015-08-04

通訊作者：趙立宏，男，教授。

作者簡(jiǎn)介：阮銳(1990-)，男，江西省宜春市人，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)與設(shè)計(jì)。 潘振(1989-)，男，湖北黃岡人，貴州大學(xué)機(jī)械電子工程碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電控制方面的理論研究。

基金項(xiàng)目：湖南省重大專項(xiàng)(2012FJ1007)資助。

中圖分類號(hào)：TH122;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)01-0043-03