基于虛擬樣機的洗頭機構建模及仿真

胡志剛，李海駐，郭賀敏，趙傳鋒，李林鋒

(河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003)

隨著老齡化的發(fā)展，社會對衛(wèi)生護理的需求極為迫切.對于老人或殘疾人的護理，不論在家庭還是在養(yǎng)老機構護理人員的護理工作都很繁重.為減輕護理人員的工作量，提高老年人的生活質量，設計一種可以代替人工洗頭的洗頭機構成為一種必需.

隨著計算機輔助設計制造技術的飛速發(fā)展，計算機仿真已經(jīng)廣泛應用在各個領域，對加速產(chǎn)品的設計研發(fā)，降低研發(fā)的成本有很大幫助.因此本文利用虛擬樣機的優(yōu)勢，采用COSMOS Motion軟件作為仿真平臺，并結合ADAMS軟件對凸輪輪廓線實現(xiàn)了參數(shù)化設計.對洗頭機構進行運動學和動力學分析，研究其運動規(guī)律，以更好地指導現(xiàn)實產(chǎn)品的設計研發(fā).

1 模型的建立

1.1 機構的組成及功能的實現(xiàn)

洗頭機構由帽殼、電機、凸輪、導桿、彈簧、彈簧板、搓澡頭、連接桿等組成.在帽殼上設置了四個導向孔，用于安裝導向桿，控制導桿的運動方向.本機構共設置了四個獨立的洗澡單元，并分別由四個電機進行獨立驅動.洗頭電機運行后帶動凸輪運動，利用凸輪的特性，促使導桿沿著導向孔有規(guī)律地直線往復運動.在導桿上套有彈簧，利用壓縮時積累的能量實現(xiàn)導桿向上運動，從而達到導桿的往復運動.導桿前部安裝有連接板，連接板上有四個搓頭板，搓頭板之間由彈簧連接，搓頭板底部安裝有搓澡頭.當搓澡頭與人體頭部接觸后，由于導桿的往復運動，迫使搓頭板之間的彈簧不斷地收張，從而帶動四個搓澡頭模仿人手洗發(fā)的動作.四個彈簧板下方的16個搓澡頭的搓澡范圍可覆蓋整個頭部，整個洗頭過程即可實現(xiàn).通過連接桿可以將機構安裝在需要洗頭的場所，其結構如圖1所示.

1.2 凸輪的建模

圖1 洗頭機構結構圖Fig.1 Structure of hair-washingmechanism

凸輪是具有曲線輪廓或凹槽的構件，其曲線特性的優(yōu)良與否直接影響凸輪機構的精度、效率和壽命.通過參數(shù)化技術精確地計算出凸輪廓線上各點的坐標值［1］，并利用計算機輔助設計(CAD)建模軟件實現(xiàn)凸輪的精確建模，為下一步的仿真及凸輪的加工奠定良好的基礎.本文利用ADAMS軟件生成凸輪曲線的三維坐標，并在SoildWorks進行模型的構建，過程如圖2所示.

圖2 凸輪參數(shù)化設計流程圖Fig.2 Design flow chart of CAM parameterized

1.2.1 凸輪數(shù)學模型的建立

凸輪機構的凸輪基圓半徑r0=15 mm，從動件行程h=5 mm，推程運動角 δ0=150°，遠休止角δs=30°，回程運動角 δ0'=150°，近休止角 δs'=30°.從動件推程、回程分別采用余弦加速度和正弦加速度運動規(guī)律.

(1)從動件推程運動方程

推程段采用余弦加速度運動規(guī)律，故將已知條件δ0=150°=5π/6和h=5 mm代入余弦加速度運動規(guī)律的推程段方程式中，得到

式中:s為從動件位移，v為從動件速度，ω為凸輪角速度，δ為凸輪轉角.

(2)從動件遠休程運動方程

在遠休程δs段，即5π/6＜δ≤π時，s=h，v=0.

(3)從動件回程運動方程

因回程段采用正弦加速度運動規(guī)律，將已知條件δ0'=150°=5π/6和h=5 mm代入正弦加速度運動規(guī)律的回程段方程式中，得到

(4)從動件近休程運動方程

在近休程 δs'段，即11π/6 ＜δ≤2π 時，s=0，v=0.

1.2.2 坐標創(chuàng)建

采用升程表在ADAMS軟件中創(chuàng)建凸輪輪廓曲線坐標.為給下面利用升程表創(chuàng)建凸輪軌跡帶來方便，在原點(0，0，0)處創(chuàng)建一個球形觀察點記為球1，半徑選擇5 mm(這里只要求球形觀察點的運動軌跡就行，為了觀察清楚，將球形觀察點用一定半徑大小的球體來表示).根據(jù)凸輪基圓半徑r0=15 mm，在點(0，15，0)處創(chuàng)建第二個球體記為球 2，半徑選擇5 mm.在球1和機架(即大地)之間創(chuàng)建旋轉副，并給旋轉副添加360(°)·s－1的旋轉驅動.在球2和球3之間創(chuàng)建移動副，方向選擇為Y軸正方向.利用Function Builder為移動副添加移動驅動，添加的驅動函數(shù)為

創(chuàng)建的模型如圖3所示.

圖3 凸輪輪廓線的ADAMS模型圖Fig.3 ADAMSmodel figure of CAM contour

設置仿真參數(shù)，將仿真停止時間設置為1 s，為了使由軌跡生成的凸輪輪廓曲線光滑，而且縮短計算機生成曲線的計算時間，綜合這兩方面要求，這里將輸出結果的總步數(shù)設置為100(首尾坐標相同，生成的坐標數(shù)為101).運行仿真，可以觀察到球2的運動軌跡，完成凸輪軌跡線的繪制.生成的坐標如圖4所示，并將生成的坐標保存為文件“tulun.txt”.

圖4 凸輪曲線坐標圖Fig.4 M athematicalmodel of CAM curve coordinate

1.2.3 凸輪幾何模型的構建

在SoildWorks里面進行凸輪模型的構建，新建一個零件，通過［插入］/［曲線］/［通過XYZ點的曲線］命令將文件“tulun.txt”打開，坐標數(shù)據(jù)顯示出來，凸輪的輪廓曲線即以樣條曲線方式導入到SoildWorks中.在前視基準面上新建草圖，并利用兩次等距實體命令將曲線轉換成草圖曲線，得到凸輪實際廓線，在原點處繪制凸輪軸孔，拉伸草圖生成凸輪的三維模型，生成的模型見圖5.

圖5 凸輪幾何模型圖Fig.5 CAM geometric model

1.3 形成裝配體

其他零件的構建在這里不做描述，零件創(chuàng)建完畢后，即可進行裝配，利用SolidWorks作為建模平臺建立虛擬樣機模型.為達到更貼近實際的仿真效果，模擬整個洗頭的過程，將人體頭部假設成半球體，得到人機一體化洗頭機模型.人體頭部模型與帽殼配合為同心，搓澡頭與頭部模型為相切配合，模型如圖6所示.

圖6 人機一體化洗頭機構模型Fig.6 Man-machine integration of hair-washing mechanism model

2 運動學仿真

采用COSMOS Motion軟件作為洗頭機構仿真研究的平臺.COSMOS Motion軟件是SoildWorks的CAE應用插件，是廣大用戶實現(xiàn)數(shù)字化功能樣機的優(yōu)秀工具，與SoildWorks無縫集成，無需傳輸、轉換裝配體文件［2］.它可以進行完整的運動學和動力學仿真，支持包括轉動副、移動副、圓柱副、球面副、萬向節(jié)、螺紋副、平面副和固定約束在內(nèi)的多種約束并支持共點、共線、共面、平動、平行軸、垂直等虛約束，而且可分別按位移、速度或加速度定義各種運動，從而建立各種復雜的實際系統(tǒng)的精確運動仿真模型.總之，COSMOS Motion軟件功能強大，求解可靠，仿真結果與實際情況吻合，完全能夠滿足用戶對運動仿真的各種需求.

2.1 運動學分析的目的

(1)檢驗整個模型的正確性，分析機構的設計是否合理，運動是否流暢，是否存在干涉.

(2)研究構件的運動規(guī)律，因為運動規(guī)律對機構的力學特性、平穩(wěn)性和可靠性具有決定作用［3］.

2.2 運動學仿真過程

(1)設置固定件和運動件.除頭殼為靜止零部件外其余均為運動件.

(2)添加約束.由于在進行裝配過程中，裝配約束將自動轉化為仿真模型的約束［4］，基本無需手動添加，除非要實現(xiàn)某種特殊運動時才手動添加，這也是COSMOS Motion軟件分析模塊的一種優(yōu)勢.在這里僅需在導桿與導向孔添加圓柱副的約束.各零件之間的約束關系如圖7所示.

(3)添加驅動.驅動的添加選擇在凸輪和帽殼之間的旋轉副.設置運動類型為速度控制，且速度恒定為 360(°)·s－1.

(4)運行仿真，分析結果.

圖7 約束關系圖Fig.7 Constraint relation graph

從圖8可以看出，當凸輪角速度為360(°)·s－1時，在時間t=0～0.4 s，導桿質心從最低位置上升到最高位置，上升行程h為7－2=5 mm;在t=0.4～0.5 s，導桿質心在最高位置不動;在t=0.5 ～0.9 s，導桿質心從最高位置下降到最低位置，下降行程為7 －2=5 mm;在t=0.9 ～l.0 s，導桿質心在最低位置不動，故導桿位移曲線符合設計要求.

圖8 導桿位移曲線Fig.8 Disp lacement curve of guiding rod

從圖9可以看出，當凸輪角速度為360(°)·s－1時，在t=0 ～0.4 s，導桿做余弦加速度運動并伴有波動;在t=0.4～0.5 s，導桿速度在零附近存在波動;在t=0.5～0.9 s，導桿速度做正弦加速度運動并伴有波動;在t=0.9～l.0 s，導桿速度在零附近波動.存在波動的原因是仿真時凸輪和導桿之間采用的是碰撞的方式，即在碰撞力作用下主動件帶動從動件運動，主、從動件在碰撞中都會發(fā)生不同程度的變形，使得實際的運動值與理論值之間存在差距即出現(xiàn)了一堆的波動，故導桿速度曲線符合設計要求.

通過運動學分析，可以驗證模型的正確性且運動無干涉存在，保證運動的流暢進行.凸輪參數(shù)化設計保證了運動傳遞的準確性，即驗證了凸輪輪廓線的設計符合要求.導桿位移曲線和速度曲線連續(xù)緩和，沒有出現(xiàn)突變的狀況，表明運動平穩(wěn)，沖擊較小，適用于洗頭機構的使用.

圖9 導桿速度曲線Fig.9 Speed curve of guiding rod

3 動力學仿真

3.1 動力學仿真的目的

(1)分析凸輪定轉速條件下，搓澡頭對人體頭部作用力的大小及變化規(guī)律.

(2)分析電機輸出力矩的變化規(guī)律，為電機的選型提供依據(jù).

3.2 仿真過程

(1)設定模型材料.由于在動力學仿真過程中需要測量驅動電機的力矩，因此在機構模型的選材上按質量標準選擇，除搓澡頭和人體頭部模型采用橡膠外，其他材料均選為普通碳鋼.

(2)系統(tǒng)中摩擦力設定.系統(tǒng)中摩擦力在所添加約束的屬性中給定，其中導桿與帽殼的摩擦系數(shù)設為0.1，電機與帽殼間的摩擦系數(shù)設為0.11，其余均為0.12.

(3)彈簧的添加.分別在導桿與導向孔及搓頭板之間添加線性彈簧.在COSMOS Motion軟件中，彈簧不采用建立實際三維模型的模式，而采用直接添加彈簧的方法來實現(xiàn)［5］.在添加彈簧的窗口中，可以設定彈簧的參數(shù).

(4)搓澡頭與頭模型3D碰撞的建立.為更貼切實際，需添加3D碰撞接觸狀態(tài)的仿真，仿真過程中假設頭模型是固定的.添加界面如圖10所示.

設置參數(shù)如下:剛度為50 000，指數(shù)為1.2，最大阻尼為100，懲罰深度為0.2，靜態(tài)摩擦系數(shù)為0.3，動態(tài)摩擦系數(shù)為 0.25.

(5)添加驅動.設置電機與帽殼之間旋轉副的運動類型為速度控制，且速度恒定為900(°)·s－1，此速度為洗頭過程中的極限速度.

(6)運行仿真，分析結果.設置仿真時間為0.4 s.

圖10 3D碰撞添加界面Fig.10 Interface of adding 3D collision

通過圖11看出，洗頭過程中人體頭部受力曲線出現(xiàn)波動并不光滑，甚至有突變產(chǎn)生，這可能是3D碰撞的結果與實際的洗頭過程存在差異，需修改3D碰撞的參數(shù)與彈簧的參數(shù)進行優(yōu)化，以達到完全符合實際情況的仿真結果.

圖11 頭部受力曲線Fig.11 Stress curve of the head

從圖12可知，在以極限速度運行的情況下，電機輸出力矩的最大值為42 N·mm，故在選擇電機時最大輸出力矩必須大于42 N·mm.

圖12 電機輸出力矩曲線Fig.12 Torque curve ofmotor output

4 結論

通過在ADAMS軟件平臺上建立凸輪的運動模型，形成凸輪的運動軌跡，從而得到凸輪的三維坐標，并將坐標導入SolidWorks軟件進行凸輪的幾何建模來實現(xiàn)凸輪的參數(shù)化設計是一種可行的方法，有利于理論研究，又具有工程實用價值.通過對洗頭機構模型的仿真，可以得到各個構件位移、速度、力矩等曲線，分析其運動規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)模型存在的問題，為下一步確定優(yōu)化目標提供幫助，對縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設計質量具有指導意義［6］，并為電機的選型提供了理論依據(jù).

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