超磁致伸縮制動(dòng)器的虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

馬宏偉,余 震,楊艷芳

(1武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063;2武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430081)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械、汽車制造等廣泛的領(lǐng)域[1].本文以超磁致伸縮制動(dòng)器為研究對(duì)象,應(yīng)用Solidworks三維建模軟件完成對(duì)超磁致伸縮制動(dòng)的虛擬樣機(jī)零件和整機(jī)的建模和裝配,為進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ).

1 超磁致伸縮致動(dòng)器的二維裝配模型

超磁致伸縮制動(dòng)器主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及連接裝置組成(圖1)[2-3].

圖1 超磁致伸縮制動(dòng)器裝配圖

2 超磁致伸縮制動(dòng)器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 零部件參數(shù)化建模

確定超磁致伸縮致動(dòng)器的整體設(shè)計(jì)方案后,應(yīng)用Solidworks三維建模軟件對(duì)其零部件進(jìn)行建模,并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì).在超磁致微驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器虛擬設(shè)計(jì)中參數(shù)化建模的零件有:超磁致伸縮材料(GMM)棒、內(nèi)套筒、預(yù)壓彈簧、線圈骨架、冷卻水管、殼體、輸出軸、彈性薄板等.

GMM棒是超磁致伸縮致動(dòng)器中最主要的原件,為超磁致伸縮致動(dòng)器提供動(dòng)力.運(yùn)用Solidworks三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模(圖2),可對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化.

圖2 GMM棒

預(yù)壓彈簧用來在初始時(shí)刻對(duì)GMM棒施加一定的壓力,調(diào)節(jié)預(yù)壓力可以使GMM棒在磁場(chǎng)的作用下獲得最大的輸出位移.在建預(yù)壓彈簧的模型時(shí),首先選擇一個(gè)基準(zhǔn)面繪制一個(gè)圓,其直徑是彈簧的截面直徑;再以該圓為輪廓做螺旋掃描,螺旋間距和總高根據(jù)實(shí)際需要來定,指定螺旋掃描為等間距掃描,即可完成預(yù)壓彈簧的三維建模(圖3).

輸出軸用來把GMM棒的長(zhǎng)度變化傳遞給車刀,實(shí)現(xiàn)車刀的微進(jìn)給.輸出軸(圖4)上設(shè)有鍵槽,以保證在輸出位移時(shí)輸出軸不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而影響輸出精度.

圖4 輸出軸

2.2 超磁致伸縮制動(dòng)器的虛擬裝配

虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程,在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4].在虛擬裝配中,裝配關(guān)系是零件之間相對(duì)位置和配合關(guān)系,反映了零件之間的相互約束及相對(duì)運(yùn)動(dòng).Solidworks中的配合分為標(biāo)準(zhǔn)配合和高級(jí)配合,其中應(yīng)用最廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)配合(如平行、重合、垂直等);當(dāng)需要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬時(shí)就用到高級(jí)配合,此時(shí)需要加一些動(dòng)力輔助裝置(如線性馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、線形彈簧和引力).在虛擬樣機(jī)的裝配中,要考慮零件的裝配順序以及裝配的約束關(guān)系等,首先要確定各個(gè)部件裝配的先后順序,再確定需要哪幾個(gè)配合關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)零件的完全配合.

在超磁致伸縮致動(dòng)器虛擬裝配中,首先裝配其輸出裝置,再裝配其檢測(cè)裝置,最后裝配其動(dòng)力裝置.裝配時(shí)選中殼體為裝配基體,首先通過同軸心和端面距離的設(shè)定完成調(diào)節(jié)螺母與殼體的配合;其次通過同軸心和端面距離的設(shè)定完成調(diào)節(jié)螺母和輸出軸的配合;最后通過同軸心完成預(yù)壓彈簧和輸出軸的配合,這樣就完成了整個(gè)輸出裝置的裝配.在對(duì)檢測(cè)裝置和動(dòng)力裝置裝配的過程中主要也是采用同軸心和面與面之間的配合.超磁致伸縮致動(dòng)器完整裝配見圖5.

圖5 超磁致伸縮致動(dòng)器裝配圖全剖視圖

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用Solidworks對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì),可以更加準(zhǔn)確地確定其設(shè)計(jì)尺寸,加快設(shè)計(jì)進(jìn)度,同時(shí)可以保存成Parasolid(＊.x t)格式并導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析,加快設(shè)計(jì)研究進(jìn)度,為以后的研究打下良好的基礎(chǔ).

[1]陳定方,羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]YU Zhen,YUAN Sha,ZHENG Hui,et al.Design of Super-precision Micro-feed Tool CarrierBased on GMM.ICMET 2009[C].China:BeiJing,2009,8(11):19-24.

[3]劉 坤,余 震,鄭 慧,等.利用特征建模技術(shù)的微細(xì)機(jī)械加工虛擬系統(tǒng)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(4):61-63.

[4]Zhengyan Zhang,Dingfang Chen,Min Feng.Dynamics Model and Dynamic Simulation of Overhead Crane Load Swing Systems Based on the ADAMS[A]//The 9th International Conference on Computer-aided Industrial Design&Conceptual Design:484-487.