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        自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

        2022-01-25 04:15:40馬正鵬潘秀石屠晶晶
        技術(shù)與市場(chǎng) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:齒條連桿齒輪

        馬正鵬,文 萍,潘秀石,劉 勇,屠晶晶

        (蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215009)

        0 引言

        在進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了能驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性和可行性,通常都需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。在采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助工程分析中不可缺少的環(huán)節(jié),成為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的必經(jīng)過(guò)程[1]。UG/Motion模塊提供了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析的功能。

        所謂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)就是借助三維綜合性軟件建立起來(lái)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型,用戶通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)定義連桿、添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器、彈簧、阻尼器及添加作用力等,使機(jī)構(gòu)的數(shù)字模型能跟現(xiàn)實(shí)中的機(jī)構(gòu)一樣運(yùn)動(dòng)起來(lái),以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。此外,通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的解算就可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、運(yùn)動(dòng)干涉及受力等情況進(jìn)行分析,以達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的[2]。本文以高端CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX為設(shè)計(jì)平臺(tái),分析自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)方法,該設(shè)計(jì)方法思路清晰,方法簡(jiǎn)單。

        1 自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的工作原理

        本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)物料的定量分裝功能(見(jiàn)圖1)。不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)齒輪、花鍵軸及上物料盤(pán)間隙轉(zhuǎn)動(dòng),上物料盤(pán)上有2個(gè)物料桶,下物料盤(pán)的物料桶套在上物料盤(pán)的物料桶上,下物料盤(pán)可以隨著上物料盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)齒輪可以帶動(dòng)齒條叉架在機(jī)架中上下移動(dòng),齒條叉架通過(guò)支叉可以帶動(dòng)下物料盤(pán)在花鍵軸上移動(dòng),以調(diào)節(jié)兩物料盤(pán)上物料桶所圍成容積的大小。下物料盤(pán)上物料桶的下端裝有物料蓋,物料蓋可以擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)物料桶的開(kāi)關(guān)。需要分裝的物料從物料進(jìn)口進(jìn)入,物料盤(pán)旋轉(zhuǎn)180°后,再?gòu)奈锪铣隹谛冻?。物料蓋的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由齒條叉架上的空間凸輪控制。

        2 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方案

        運(yùn)動(dòng)分析方案是創(chuàng)建進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵,運(yùn)動(dòng)分析方案的創(chuàng)建分為3個(gè)步驟:創(chuàng)建連桿,創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副,定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在UG NX中設(shè)計(jì)好機(jī)構(gòu)的三維模型后,啟動(dòng)UG NX/Motion(運(yùn)動(dòng)仿真)模塊,新建動(dòng)力學(xué)仿真,分析類型選擇為“動(dòng)力學(xué)”,取消“基于組件的仿真”選項(xiàng)。

        2.1 連桿的創(chuàng)建

        在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中,連桿代表了機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)件,所有的運(yùn)動(dòng)件都必須創(chuàng)建為連桿。每個(gè)連桿的創(chuàng)建包括定義連桿對(duì)象、質(zhì)量屬性、慣性矩、初始運(yùn)動(dòng)等。本例中共定義8個(gè)連桿,分別為L(zhǎng)001、L002、L003、L004、L005、L006、L007、L008,其中,L001定義為機(jī)架,為固定件。L002為不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)齒輪。L003為不完全齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)齒輪,一體運(yùn)動(dòng)還包括花鍵軸、上物料盤(pán)、端蓋、螺釘及齒輪內(nèi)平鍵等。L004為調(diào)節(jié)齒輪。L005為帶有凸輪的齒條叉架零件。L006為下物料盤(pán)。L007、L008為物料蓋。如圖2所示。

        1—機(jī)架;2—不完全齒輪機(jī)構(gòu);3—花鍵軸;4—物料蓋;5—下物料盤(pán);6—上物料盤(pán);7—齒條叉架;8—調(diào)節(jié)齒輪齒條機(jī)構(gòu)。

        圖2 定義機(jī)構(gòu)連桿Figure 2 Definition of mechanism link

        2.2 運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

        運(yùn)動(dòng)副是將機(jī)構(gòu)中連桿連接在一起,從而使連桿一起運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副具有允許所需運(yùn)動(dòng)和限制不要運(yùn)動(dòng)的雙重作用[3]。本例機(jī)構(gòu)中共定義了11個(gè)運(yùn)動(dòng)副和3個(gè)接觸連接,其中J001是與地固定運(yùn)動(dòng)副。J002、J003、J004分別為L(zhǎng)002、L003、L004與L001之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副;J005為L(zhǎng)005與L001之間的移動(dòng)副;J006為L(zhǎng)006與L003之間的移動(dòng)副,設(shè)置嚙合桿;J007是齒輪齒條副,分別選擇移動(dòng)副J005和轉(zhuǎn)動(dòng)副J004,設(shè)置比率(銷(xiāo)半徑)為32(見(jiàn)圖3);J008為L(zhǎng)006與L005之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副,設(shè)置嚙合桿;J009和J010分別為L(zhǎng)008、L007與L006之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副,設(shè)置嚙合桿;J011為L(zhǎng)003與L006之間的移動(dòng)副;G001為L(zhǎng)002與L003之間的3D接觸連接;G002、G003分別為L(zhǎng)007、L008與L005之間的3D接觸連接。

        圖3 定義齒輪齒條副Figure 3 Definition of gear and rack pair

        圖4 解算方案Figure 4 Calculation scheme

        2.3 定義運(yùn)動(dòng)副

        運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是賦予運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的參數(shù),其中常用的是常規(guī)驅(qū)動(dòng)。常規(guī)驅(qū)動(dòng)是基于時(shí)間的一種運(yùn)動(dòng)形式,即機(jī)構(gòu)在指定的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,共有5種類型。

        1)無(wú):沒(méi)有外加驅(qū)動(dòng)。

        2)恒定:設(shè)置運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)或移動(dòng))為恒定狀態(tài)。

        3)簡(jiǎn)諧:產(chǎn)生一個(gè)光滑的周期性正弦運(yùn)動(dòng)。

        4)函數(shù):使用XY函數(shù)編輯器定義的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)方程。

        5)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副以特定的步長(zhǎng) (旋轉(zhuǎn)或線性位移 )和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)[4]。初步規(guī)劃仿真時(shí)間為50 s,由于機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中有調(diào)整運(yùn)動(dòng),所以在不完全齒輪機(jī)構(gòu)中主動(dòng)齒輪L002驅(qū)動(dòng)采用函數(shù)方式驅(qū)動(dòng),具體函數(shù)為:(STEP(x,0,0,0.001,1)+STEP(x,20,0,20.000 1,-1))×36+(STEP(x,30,0,30.001,1)+STEP(x,49.999 9,0,50,-1))×36,表示為:連桿L002,在0~20 s轉(zhuǎn)速為36°/s,20~30 s轉(zhuǎn)速為0°/s,30~50 s轉(zhuǎn)速為36°/s。調(diào)節(jié)齒輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為:(STEP(x,22.5,0,22.500 1,1)+STEP(x,27.5,0,22.500 1,-1))×3,表示為:22.5~27.5 s調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速為3°/s。

        2.4 運(yùn)動(dòng)仿真

        UG運(yùn)動(dòng)仿真的核心是ADAMS解算。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)需要輸入時(shí)間和步數(shù)2個(gè)參數(shù),設(shè)置機(jī)構(gòu)解算方案中時(shí)間為50 s,步數(shù)為2 500步(見(jiàn)圖4)。解算完成后,就可以用動(dòng)畫(huà)的形式表現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案過(guò)程,仿真過(guò)程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖5所示。

        圖5 自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)圖Figure 5 Motion diagram of automatic material quantitative packaging mechanism

        2.5 生成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫(huà)

        為了便于展示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況可以將運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程生成運(yùn)動(dòng)視頻,操作如下:在完成解算計(jì)算后觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)誤后點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)控制工具欄按鈕中的“導(dǎo)出至電影”功能按鈕,設(shè)置視頻存儲(chǔ)位置,確定完成視頻的生成。

        3 結(jié)語(yǔ)

        在UG軟件完成機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)后,應(yīng)用軟件的運(yùn)行仿真模塊通過(guò)創(chuàng)建連桿,建立連桿之間的運(yùn)動(dòng)副和連接副的關(guān)系,再通過(guò)函數(shù)的方式分段驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪和調(diào)節(jié)齒輪的分段間隙運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)正常工作和調(diào)整物料分裝量動(dòng)作的分時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真的動(dòng)畫(huà)結(jié)果表明,該自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了所需要的運(yùn)動(dòng),達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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