基于Pro/e的起升機(jī)構(gòu)三維建模和運(yùn)動仿真

趙軻，蔡業(yè)彬，黃崇林，陳健添

（廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名 525000）

0 引言

為鐵運(yùn)公司設(shè)計(jì)從倉庫到車的裝卸作業(yè)裝備，需要用到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為起升機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只能在圖紙上進(jìn)行靜態(tài)的修改，數(shù)學(xué)運(yùn)算等進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，或者應(yīng)用物理模型進(jìn)行仿真。這是一種以靜態(tài)分析、近似計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、人工勞動為特征的設(shè)計(jì)，需要耗費(fèi)人力、物力，卻又效果不佳的方法［1］。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的三維設(shè)計(jì)軟件出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)或產(chǎn)品的三維建模、運(yùn)動仿真，并且具有和與其它功能強(qiáng)大的分析軟件的交互接口，在分析過程中發(fā)現(xiàn)問題只需進(jìn)行參數(shù)修改即可，這樣可以替代很多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的手段，減少產(chǎn)品和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)品質(zhì)。本文通過對裝卸裝置的起升機(jī)構(gòu)在pro/e軟件中進(jìn)行三維建模、裝配和運(yùn)動仿真［2－6］，設(shè)計(jì)出合理的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，應(yīng)用在裝卸裝置中，能夠滿足其使用要求。

1 起升結(jié)構(gòu)與工作原理

裝卸裝置整體機(jī)構(gòu)大概可以分為三部分:鏈傳動部分、滑輪組部分以及起升與移動部分，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。傳動鏈上的鏈板放置重物，電動機(jī)帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，可將重物上下傳送;滑輪組部分通過電動機(jī)帶動，拉緊繩子，改變兩支架角度，將框架右端升高到所需的高度;整體機(jī)構(gòu)用四個(gè)輪子支撐，后輪上兩個(gè)支架與后輪連接為鉸接，支架1與框架為鉸接，支架2與框架之間為滑動連接，兩支架間夾角可變化。通過動力牽引該裝卸裝置的四輪運(yùn)動即可移動到所需位置。本文重點(diǎn)分析起升機(jī)構(gòu)特點(diǎn)。

圖1 起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模型建立

根據(jù)起升機(jī)構(gòu)各零件的連接和運(yùn)動特點(diǎn)，分析其特征組成，建立起升高部分各零件的三維模型，為了方便使用連接仿真時(shí)必須用到的基礎(chǔ)元件和某些軸線，所以不用其裝配時(shí)的實(shí)際零件三維模型，而是簡化其具體結(jié)構(gòu)，建立只是體現(xiàn)各零件之間的連接和運(yùn)動關(guān)系的三維模型，然后進(jìn)行連接和運(yùn)動仿真，其機(jī)構(gòu)原理為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的裝配

首先裝配基礎(chǔ)元件，因重物裝至鏈板上以后，后輪位置基本不變，故以后輪固定于地面且前輪做滑動運(yùn)動，所以建立的基礎(chǔ)元件模型包括地面、地面上的固定塊（后輪）和前輪做滑動運(yùn)動時(shí)的軸線（圖2中的桿）如圖2所示。進(jìn)入裝配界面，用放置下拉菜單中的坐標(biāo)系將基礎(chǔ)元件固定，基礎(chǔ)元件就連接完成。

圖2 基礎(chǔ)元件模型

其次裝配曲柄、搖桿和滑塊，如圖3所示。因?yàn)榍拜喸诘孛嬉苿?，簡化為滑塊1;桿1為曲柄，框架為搖桿。用滑動桿（SLIDER）約束將滑塊1連接于基礎(chǔ)元件中的桿上，用銷釘（PIN）約束將桿1與基礎(chǔ)元件中的固定塊3上的銷孔連接，框架與桿1和滑塊1的連接都用銷釘約束，簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就可連接完成。

2.2 桿2的裝配

機(jī)構(gòu)升高需要通過兩桿的之間的夾角變化，所以，需要裝入桿2進(jìn)行運(yùn)動仿真，桿2裝入時(shí)一端與基礎(chǔ)元件中的固定塊和桿1都是銷釘連接;另外一端要沿著框架滑動，故設(shè)置滑塊2與框架之間有相對移動關(guān)系?；瑝K2與桿2是銷釘連接，與框架的連接本應(yīng)是滑動桿連接（SLIDER），但是因?yàn)榕c桿2已經(jīng)是銷釘連接，限制了其沿某個(gè)面滑動的自由度，所以，滑塊2與框架的連接應(yīng)該是圓柱連接（CYLINDER），不能再用滑動桿連接滑塊（SLIDER）約束，這樣才能正確定義連接，否則自由度過多限制，出現(xiàn)冗余約束，會導(dǎo)致連接失敗。在定義連接時(shí)，因?yàn)榭蚣芪恢霉潭?，滑塊同時(shí)連接桿2和框架，所以容易出現(xiàn)連接正確而組件安裝失敗的提示，那么很可能就是桿2放在不能安裝的位置，此時(shí)，點(diǎn)擊桿2“編輯定義”，在“移動”面板選擇“旋轉(zhuǎn)”，拖動桿2會自動旋轉(zhuǎn)到正確的安裝位置。連接好的機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 連接好的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型

3 運(yùn)動仿真

所有連接約束完成后，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模式，檢查裝配的連接情況，連接成功即可開始進(jìn)行運(yùn)動仿真。

3.1 添加伺服電動機(jī)

從圖1的起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，該機(jī)構(gòu)的動力由電動機(jī)提供，通過滑輪組上的繩子拉動桿1和桿2角度變化，將機(jī)構(gòu)一端升高。而在pro/e軟件里面是沒有繩子這一元件的，所以綜合分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)，將機(jī)構(gòu)仿真的運(yùn)動軸設(shè)置在桿1與基礎(chǔ)元件連接的銷釘軸上，即將桿1作為主動件，其它元件為從動件進(jìn)行仿真。

3.2 運(yùn)動學(xué)仿真及結(jié)果分析

在運(yùn)動學(xué)仿真中，可以得到幾何圖元和連接的位置、速度以及加速度，還可以得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動的軌跡曲線等。

1）位置分析

通過“分析”下拉列表中的測量，建立從框架頂端到基礎(chǔ)平面的距離定義，利用拖動圖標(biāo)拖動桿1旋轉(zhuǎn)，得到距離值為1000 mm和3500 mm時(shí)，桿2和框架的接觸點(diǎn)位置，這樣就可以確定桿2運(yùn)動的兩個(gè)極限位置，設(shè)置極限擋塊，保證裝卸機(jī)構(gòu)可以裝卸的高度范圍在3.5 m左右。

2）運(yùn)動學(xué)分析

設(shè)置運(yùn)行條件，定義伺服電機(jī)severmotor1的驅(qū)動速度為1deg/sec，新建一個(gè)分析，分析類型為運(yùn)動學(xué)，估計(jì)桿1與桿2之間的夾角為100°左右，所以運(yùn)行時(shí)間60 s，幀頻設(shè)為100Hz，開始運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果為analysis definition，可分析運(yùn)動時(shí)框架頂端的點(diǎn)距離基礎(chǔ)元件的位置，速度及加速度，如圖4所示。從速度和加速度曲線圖可以看出，起升機(jī)構(gòu)的升高基本是勻速運(yùn)動，不會有大的速度波動，起升機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)上升。

圖4 運(yùn)動學(xué)仿真分析曲線

3）靜態(tài)分析

定義“力/扭矩”作為機(jī)構(gòu)的外部負(fù)荷，考慮油桶質(zhì)量，作用在框架上的作用力大概為7 500 N，給機(jī)構(gòu)加外負(fù)載7 500 N，定義為點(diǎn)力;另外因滑輪組繞繩子作用在桿1和桿2上，且作用力大小相等，方向相反，故在滑輪位置定義兩個(gè)“點(diǎn)對點(diǎn)力”，給初始值3 500 N;伺服電機(jī)1仍然用之前運(yùn)動學(xué)分析時(shí)定義的，摩擦力和重力忽略不計(jì)，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，進(jìn)行靜態(tài)分析，查看測量結(jié)果，運(yùn)行完成，如果在機(jī)構(gòu)運(yùn)動范圍內(nèi)達(dá)到平衡（加速度為0），則說明作用在滑輪上的力在這個(gè)值左右能夠滿足使用要求，否則，可以重新設(shè)置作用在滑輪上的力，直到滿足要求。經(jīng)分析比較，定義作用在滑輪上的力為3 500 N時(shí)迭代次數(shù)少，且最大加速度最小。如圖5。

圖5 靜態(tài)分析曲線

4 結(jié)論

利用pro/e可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真，可以直觀清楚的看到某些復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，而且可以方便的進(jìn)行參數(shù)修改，滿足機(jī)構(gòu)各方面的運(yùn)動和使用要求。本例中通過結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動仿真，驗(yàn)證了該起升機(jī)構(gòu)的可行性，并估算了作用在滑輪組上的作用力，為機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核和電動機(jī)的選擇提供了參考。因上述機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，本文基于pro/e的三維建模和運(yùn)動仿真方法對于各種機(jī)械產(chǎn)品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的研究意義。

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