姜川 董岑華 劉凡

摘要：運(yùn)用SolidWorks的建模技術(shù)，完成了電動(dòng)儲(chǔ)錢罐的虛擬設(shè)計(jì)，并利用SolidWorks motion插件對(duì)電動(dòng)儲(chǔ)錢罐的盒蓋開(kāi)關(guān)及硬幣鉤取進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，完成所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的干涉檢查和運(yùn)動(dòng)分析，為簡(jiǎn)單機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析提供了解決問(wèn)題的思路。實(shí)踐證明，這種方法可有效提高效率，具有良好應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)儲(chǔ)錢罐；SolidWorks；虛擬設(shè)計(jì)；曲柄搖桿；運(yùn)動(dòng)仿真

儲(chǔ)錢罐是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的生活用品，而電動(dòng)儲(chǔ)錢罐利用擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬幣的抓取和存儲(chǔ)，增加了技術(shù)性、趣味性、智能性。本文采用三維虛擬設(shè)計(jì)，同時(shí)以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，借助CAE技術(shù)及相關(guān)軟件，進(jìn)行產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真、虛擬樣機(jī)裝配等。在樣機(jī)試制前可以通過(guò)仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，有效提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1方案設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

SolidWorks提供了自上而下和自下而上兩種設(shè)計(jì)方法。本文采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，它具有符合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程、全局性強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)。儲(chǔ)錢罐由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將硬幣放于盒體指定位置時(shí)，觸發(fā)壓力傳感器接通電路，機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作：盒蓋開(kāi)啟，鉤子伸出將硬幣鉤入盒中，盒蓋關(guān)閉。運(yùn)行一個(gè)周期后電路自動(dòng)斷開(kāi)。再次放置硬幣，重復(fù)上述過(guò)程。

因此，存錢罐的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要完成兩個(gè)動(dòng)作：一是鉤取硬幣，二是打開(kāi)和關(guān)閉盒蓋，本設(shè)計(jì)前者選用曲柄搖桿完成，后者則由凸輪機(jī)構(gòu)完成。根據(jù)盒體的尺寸和伸出長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)合理的曲柄搖桿曲線。用8字形曲線可完成鉤取的動(dòng)作。開(kāi)關(guān)盒蓋采用凸輪機(jī)構(gòu)，根據(jù)曲柄搖桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪，包括凸輪種類、行程、基圓半徑等。觀察凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，保證兩個(gè)機(jī)構(gòu)在時(shí)間上同步運(yùn)動(dòng)。在兩個(gè)機(jī)構(gòu)間利用齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。最后校核相關(guān)參數(shù)，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1.2設(shè)計(jì)條件和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

儲(chǔ)錢罐由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為10RPM，一個(gè)工作周期為6s。

盒體尺寸：長(zhǎng)120mm寬90mm高80mm。

盒蓋抬起約30mm，保證鉤子的正常伸出。鉤子伸出水平長(zhǎng)度要大于25mm，保證能夠?qū)⒂矌陪^入盒子。

第五套人民幣：1元硬幣直徑25mm；5角硬幣直徑20.5mm；1角硬幣直徑19mm。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

8字形曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄安置在盒內(nèi)，伸出的連桿末端做8字運(yùn)動(dòng)，有一段近水平的直線運(yùn)動(dòng)，可以完成對(duì)硬幣的鉤取，而且在完成抓取任務(wù)后能夠收回盒內(nèi)，能較好地實(shí)現(xiàn)該功能。各桿的長(zhǎng)度、安裝位置以及連桿曲線都需要反復(fù)調(diào)試。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

按預(yù)定8字形軌跡，上升時(shí)連桿末端伸出盒子，再做近水平運(yùn)動(dòng)，然后下降收回盒中。用試驗(yàn)法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，利用SolidWorks中的Motion分析跟蹤連桿伸出末端位置曲線，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改各桿的長(zhǎng)度及安裝位置。最終確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)。

曲柄長(zhǎng)16mm，搖桿和連桿均長(zhǎng)30mm，連桿伸出部分與連桿垂直。搖桿回轉(zhuǎn)中心距盒體前壁45mm，距盒底20mm，搖桿回轉(zhuǎn)中心距盒體前壁40mm，距盒底55mm。

2.2擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)

擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)桿的擺動(dòng)來(lái)升高一定高度，而不是豎直運(yùn)動(dòng)，這更符合頂蓋的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且擺動(dòng)推桿對(duì)壓力角的要求較小。由于擺動(dòng)推桿不直接與頂蓋固連，所以需要增加一個(gè)與頂蓋相連的連桿，來(lái)實(shí)現(xiàn)用擺動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)盒蓋運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

根據(jù)曲柄連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可設(shè)計(jì)凸輪的相關(guān)尺寸。凸輪基圓半徑為10mm。凸輪軸心距盒底40mm，距盒體前壁45mm。凸輪運(yùn)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)分別安裝相向的兩側(cè)面，兩機(jī)構(gòu)的輸入軸平行，且運(yùn)動(dòng)周期相同，因此選用傳動(dòng)比為1：1的直齒輪實(shí)現(xiàn)兩機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳遞，具體數(shù)值的選擇應(yīng)根據(jù)兩個(gè)機(jī)構(gòu)軸線距離而定。

其余的零件設(shè)計(jì)采用直接建模和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)兩種方式，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

3部件和總體裝配

3.1三維建模

儲(chǔ)錢罐模型的建立是仿真和分析的前提。根據(jù)結(jié)構(gòu)層次以及零部件的約束、自由度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將儲(chǔ)錢罐分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪擺桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、盒體及盒蓋4大部分。利用SolidWorks 2016進(jìn)行各部分零件的三維建模。

3.2虛擬裝配

首先根據(jù)零件間約束及運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立好各個(gè)部分的裝配體，再將4部分裝配成虛擬樣機(jī)。三維模型如圖4所示。

干涉檢查的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)裝配體中靜態(tài)零部件之間的干涉。干涉的存在影響了零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，是建模中常見(jiàn)錯(cuò)誤之一。本產(chǎn)品檢查后未發(fā)現(xiàn)干涉。

4運(yùn)動(dòng)仿真及分析

虛擬設(shè)計(jì)完成之后，可以利用電動(dòng)儲(chǔ)錢罐的三維實(shí)體模型和SolidWorks Motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

通過(guò)8字曲線我們了解了伸出連桿的運(yùn)動(dòng)路徑，接著需要對(duì)它進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，主要是其在豎直方向和水平方向的線位移。根據(jù)曲柄搖桿的水平方向線位移我們能判斷伸出長(zhǎng)度是否合適。根據(jù)曲柄搖桿的豎直方向線位移規(guī)律我們才能設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)。由于此機(jī)構(gòu)6秒為一周期，運(yùn)動(dòng)較為緩慢，所以對(duì)于速度和加速度沒(méi)有太多要求，在此不予討論。

利用SolidWorks中的Motion分析來(lái)計(jì)算伸出部分端點(diǎn)在豎直方向和水平方向上的位移。結(jié)果如圖5、圖6。

連桿端點(diǎn)在水平方向能夠伸出盒子28mm，能夠做到將直徑最大的1元硬幣鉤進(jìn)盒中，滿足設(shè)計(jì)要求。豎直方向上可以看到在6秒的工作周期中，經(jīng)過(guò)2秒鐘的時(shí)間上升到最高點(diǎn)，高度為20mm，然后下降，在3.5秒左右進(jìn)行近水平運(yùn)動(dòng)，在4.8秒左右下降，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

利用Motion分析來(lái)計(jì)算盒蓋端點(diǎn)在豎直方向上的位移。結(jié)果見(jiàn)圖7。盒蓋在2秒時(shí)上升至最高點(diǎn)30mm，4.2s時(shí)開(kāi)始下降，再經(jīng)過(guò)約1.5秒后回到開(kāi)始位置?？梢?jiàn)在豎直方向的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，曲柄搖桿不會(huì)與盒蓋發(fā)生干涉。與預(yù)期設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。 以上運(yùn)動(dòng)均以盒體中硬幣板的端點(diǎn)為原點(diǎn)。5結(jié)論 本文對(duì)電動(dòng)儲(chǔ)錢罐進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用SolidWorks等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)裝配的合理性，通過(guò)分析連桿端點(diǎn)和盒蓋端點(diǎn)的位移曲線，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的兼容性，為簡(jiǎn)單機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析提供了解決問(wèn)題的思路。實(shí)踐證明，本文采用的設(shè)計(jì)方法有效可行且設(shè)計(jì)周期短，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更為便捷有趣，在機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

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