朱燦一，康劉陽(yáng)，徐飛寧

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

Pro/E在正弦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析中的應(yīng)用

朱燦一，康劉陽(yáng)，徐飛寧

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西西安710064）

本文分析了正弦機(jī)構(gòu)的工作原理，建立正弦機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)模型，研究了該正弦機(jī)構(gòu)在Pro/E軟件環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)仿真分析。實(shí)現(xiàn)快速完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了初步分析檢驗(yàn)，節(jié)約了利用實(shí)際產(chǎn)品做實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間、人力和財(cái)力。通過實(shí)例驗(yàn)證了參數(shù)化設(shè)計(jì)的正弦機(jī)構(gòu)在虛擬裝配之后的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

Pro/E；正弦機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真

Pro/E的機(jī)構(gòu)模塊中包含運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)分析，對(duì)某種機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，必須定義與之相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，并且要有“動(dòng)力源”伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬。通過對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真可以得出一系列結(jié)論，比如對(duì)機(jī)構(gòu)的速度、加速度、位置、角速度等運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量，也可以以圖形的形式來表達(dá)這些測(cè)量，這樣就可以更直觀的加以分析［1］。

本文基于Pro/E平臺(tái)下，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置的時(shí)，對(duì)于模型的重力和其他外在作用力可以不予以考慮，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析可以測(cè)量速度、加速度、位置的變化，對(duì)于各個(gè)元件之間是否有干涉、自由度發(fā)生沖突等都可以進(jìn)行檢查。從運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果中可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)，這樣更能展示機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的開發(fā)過程。工業(yè)中許多機(jī)器都有應(yīng)用該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳遞或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如磨齒機(jī)、研磨機(jī)柴油機(jī)、開式壓力機(jī)、十字滑塊往復(fù)式壓縮機(jī)等［2］。

1　裝配

正弦機(jī)構(gòu)屬于連桿機(jī)構(gòu)類型。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副后就成為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。而正弦機(jī)構(gòu)又是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化而來的。其演化過程如圖1所示。圖1（a）中用圓弧槽的形式代替曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以得到兩個(gè)含有移動(dòng)副的滑塊四桿機(jī)構(gòu)，如圖1（b）。如果把圓弧槽的半徑無(wú)限放大即可演化為正弦機(jī)構(gòu)，如圖1（c）。由該機(jī)構(gòu)的基本型式可以確定它是一種單自由度雙移動(dòng)副平面連桿機(jī)構(gòu)［3］。

圖1　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化成正弦機(jī)構(gòu)

首先對(duì)正弦機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行建模，然后對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行裝配，此時(shí)需要明確零件之間需要滿足的裝配關(guān)系，依據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能來定義各個(gè)零件的自由度。

對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析，需要以“連接”的方式來裝配零件模型。機(jī)構(gòu)中的零部件需要以機(jī)械約束的方式裝配進(jìn)來，此時(shí)該零件相對(duì)于其他零部件應(yīng)該具有某種特定的自由度。在將零部件進(jìn)行裝配前，應(yīng)知道該元件與裝置中其他元件的約束關(guān)系、相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和該元件的自由度。裝配結(jié)果圖如圖2.

圖2　裝配結(jié)果圖

2　運(yùn)動(dòng)仿真

2.1建齒輪機(jī)構(gòu)

進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊創(chuàng)建齒輪機(jī)構(gòu)如圖3，該機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)元件進(jìn)行定義，需要注意的是兩個(gè)元件上并不一定需要真實(shí)的齒形。它的運(yùn)動(dòng)仿真與普通連接的定義方法不同，有各自的特殊參數(shù)設(shè)置。齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比是通過兩個(gè)分度圓的直徑來決定的。

圖3　創(chuàng)建齒輪機(jī)構(gòu)

2.23D接觸

利用3D接觸可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中兩元件之間的接觸不穿透以及碰撞的模擬，3D接觸還可以進(jìn)行壓力角、接觸面積和滑動(dòng)速度等參數(shù)的分析研究。在擋環(huán)與主體之間建立3D接觸如圖4.

圖4　創(chuàng)建3D接觸

2.3定義電動(dòng)機(jī)

在Pro/E仿真中，電動(dòng)機(jī)有伺服電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行電動(dòng)機(jī)和力/扭矩等，其中伺服電動(dòng)機(jī)最常用。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊（Mechanism）進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)的設(shè)置，如圖5所示。此時(shí)需要指定伺服電動(dòng)機(jī)的函數(shù)，也就是要對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定義，這樣就可以得到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)于該機(jī)構(gòu)而言，齒輪2為主動(dòng)齒輪，因此定義齒輪2的運(yùn)動(dòng)軸為動(dòng)力源，伺服電動(dòng)機(jī)安裝在齒輪2上［4］。

圖5　定義伺服電動(dòng)機(jī)

運(yùn)動(dòng)分析可以分析機(jī)構(gòu)中的位移、速度、加速度、距離等。它可以充分的模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的情況下，對(duì)于機(jī)構(gòu)的連接方式和伺服電動(dòng)機(jī)的選擇沒有要求。而且運(yùn)動(dòng)分析時(shí)可以不考慮機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和受力情況，所以，任何載荷和質(zhì)量以及模型中的彈簧、阻尼等對(duì)于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析都不會(huì)產(chǎn)生影響。從而，在設(shè)置時(shí)可以不予以考慮。運(yùn)動(dòng)分析的設(shè)置如圖6所示。

圖6　運(yùn)動(dòng)分析的設(shè)置

3　運(yùn)動(dòng)分析

打開測(cè)量窗口，進(jìn)行測(cè)量定義如圖7所示。選擇測(cè)量類型為“位置”，選取滑塊的邊末端為測(cè)量參考點(diǎn)，從而得出動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。測(cè)量結(jié)果得到一條正弦曲線，分析曲線可知，在伺服電動(dòng)機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期內(nèi)，滑塊作變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，正弦曲線的波峰和波谷時(shí)刻就是滑塊的換向時(shí)刻。圖8所示。

圖7　測(cè)量定義

圖8　測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)正弦機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可知，該機(jī)構(gòu)是一種直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這是一種很常見的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。它可以把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，這在實(shí)際生活中應(yīng)用非常廣泛。通過對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真以及對(duì)輸出運(yùn)動(dòng)軌跡和曲線的分析，可以更加直觀的反映出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)律，從而為后續(xù)的研究和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考。

［1］周培顯.基于PROE曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析［J］.新技術(shù)新工藝，2012，29002:26-28.

［2］邢亮，沈豫鄂.PROE運(yùn)動(dòng)仿真中單向勻速電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的方式及分析［J］.艦船電子工程，2009，29；2909: 193-197.

［3］關(guān)文芳.正弦機(jī)構(gòu)鍵合圖建模與仿真研究［D］.中南大學(xué)，2012.

［4］張榮英，崔向群，丁廣文.淺談Pro/E在機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)仿真中的設(shè)置［J］.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30；10605: 74-77.

Key works： Pro/E；sine agencies；motion simulation

Pro/E App lied in Sine Agencies Motion Simulation Analysis

ZHU Can-yi，KANG Liu-yang，XU Fei-ning
（Chang'an University，Xi'an shangxi 710064，China）

This paper analysises the working principle of sine agencies，builds the sine agencies model，researches the motion simulation of the sinusoidal mechanism in Pro/E software environment.To make the rapid completion of the organization design，whilemaking a preliminary analysis test of the results，saving the time，human and financial resources in using the actual products to text.Examples show the motion simulation of parametric-designing sine agencies after the virtual assembly.

TP391

A

1672-545X（2016）05-0260-03

2016-02-22

朱燦一（1990-），男，山東菏澤人，碩士，研究方向：液壓傳動(dòng)與控制。