趙仙花 張毅
(1.德州學(xué)院汽車工程系,山東德州 253023;2.中輕集團(tuán)長沙長泰機(jī)械股份有限公司,湖南長沙 410116)
基于Pro/ENGINEER的凸輪機(jī)構(gòu)的動態(tài)分析設(shè)計
趙仙花1張毅2
(1.德州學(xué)院汽車工程系,山東德州 253023;2.中輕集團(tuán)長沙長泰機(jī)械股份有限公司,湖南長沙 410116)
文章主要是利用Pro/E軟件對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和三維建模,在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了運(yùn)動仿真分析和動態(tài)分析,為設(shè)計人員所設(shè)計的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)一步方便而快速的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。這對提高凸輪機(jī)構(gòu)的性能、設(shè)計質(zhì)量和效率具有實際價值和長遠(yuǎn)意義。
凸輪機(jī)構(gòu);參數(shù)化設(shè)計;運(yùn)動仿真;動態(tài)分析
凸輪機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、響應(yīng)快速,但又能實現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動的一種機(jī)構(gòu),廣泛應(yīng)用于各種自動機(jī)械、儀器和操縱控制裝置[1]。而且由于其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點使得凸輪機(jī)構(gòu)不可能被數(shù)控、電控等裝置完全替代。因此,凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計、運(yùn)動分析及其動力學(xué)問題的分析研究也愈來愈重要。利用Pro/E不僅可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的三維實體造型,直觀地再現(xiàn)出產(chǎn)品的外觀,并可以利用Mechanism和Mechanica模塊進(jìn)行運(yùn)動仿真和動態(tài)分析,來驗證機(jī)構(gòu)的合理性、可行性,通過分析再利用Pro/E的二次開發(fā)工具模塊Program就能夠很方便地實現(xiàn)凸輪的參數(shù)化設(shè)計,對凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行修正,生成新的凸輪機(jī)構(gòu)。這樣,可以減少了繁瑣的重復(fù)勞動,從而大大提高了設(shè)計效率和精度。
1.1 凸輪的可變參數(shù)
凸輪的可變參數(shù)包括基圓半徑、行程、推程角、遠(yuǎn)休角、回程角、近休角、滾子半徑、偏距、孔徑、凸輪厚度等。
1.2 基本設(shè)計思路
(1)根據(jù)從動件運(yùn)動規(guī)律及結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計,獲得以極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)表示的凸輪理論廓線方程,以及上述各參數(shù)。滾子半徑為0,對應(yīng)尖頂從動件,而偏距為0,對應(yīng)對心從動件。因此,實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計,可涵蓋較多類型的凸輪機(jī)構(gòu)。
(2)在Pro/E【程序】編輯器中,設(shè)定上述各參數(shù),并在退出后輸入各參數(shù)值。
(3)利用Pro/E的【方程】功能,分別繪制凸輪理論廓線,其表達(dá)式中帶入前面設(shè)定的各變量名。
(4)繪制一條由分段理論廓線組成的封閉曲線,即完整的凸輪理論廓線。
(5)生成凸輪實體。在生成過程中要隱藏分段曲線,即利用封閉曲線,并加入滾子半徑參數(shù)。
(6)加入?yún)⒆兞?,實現(xiàn)參數(shù)化。
1.3 設(shè)計步驟
(1)創(chuàng)建新的零件文件
文件→新建→輸入零件名稱→確定
(2)參數(shù)輸入
工具→程序→編輯設(shè)計→打開記事本,在INPUT和END INPUT之間輸入?yún)?shù)如下,存盤并退出。
INPUT
jybj NUMBER;基圓半徑
h NUMBER;行程
tcj NUMBER;推程角
yxj NUMBER;遠(yuǎn)休角
hcj NUMBER;回程角
jxj NUMBER;近休角
gzbj NUMBER;滾子半徑
kj NUMBER;孔徑
pj NUMBER;偏距
hd NUMBER;厚度
END INPUT
→在信息窗口選“是”,以便輸入?yún)?shù)值→輸入→選取全部→完成選取
根據(jù)信息窗口提示,各參數(shù)賦初值如下:jybj=60;h=60;tcj=110;yxj=100;hcj=100;jxj=50;gzbj=10;kj=30;pj=0;hd=35
(3)分段繪制理論廓線
根據(jù)上述原理,以設(shè)計正弦加速度運(yùn)動規(guī)律的凸輪為例,利用方程曲線功能,分段繪制凸輪理論廓線如下。
推程段:
插入基準(zhǔn)曲線→從方程→完成→選擇系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系→選擇坐標(biāo)系類型為圓柱坐標(biāo)系→進(jìn)入方程編輯器。輸入曲線方程表達(dá)式如下,保存,退出編輯器。
theta1=tcj*t
r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)
r1=r0+h*(t-sin(360*t)/2/pi)
theta=theta1+atan(pj/r0)
r=sqrt(pj*pj+r1*r1)
z=0
其它三段曲線的繪制方法同上,對應(yīng)的曲線方程分別為:
遠(yuǎn)休段:
theta1=tcj+yxj*t
r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)
r1=r0+h
theta=theta1+atan(pj/r0)
r=sqrt(pj*pj+r1*r1)
z=0
回程角:
theta1=tcj+yxj+hcj*t
r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)
r1=r0+h*(1-t+sin(360*t)/2/pi)
theta=theta1+atan(pj/r0)
r=sqrt(pj*pj+r1*r1)
z=0
近休角:
theta1=tcj+yxj+hcj+jxj*t
r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)
r1=r0
theta=theta1+atan(pj/r0)
r=sqrt(pj*pj+r1*r1)
z=0
(4)分段廓線連成整體
(5)生成凸輪實體
為了避免在后面的曲線點選過程中出現(xiàn)干擾,隱藏分段繪制的4段曲線,使畫面上僅存封閉曲線。在左側(cè)模型特征樹中點選相應(yīng)的曲線,右鍵→隱藏即可。
現(xiàn)有理論廓線為對應(yīng)尖頂推桿或滾子推桿對應(yīng)滾子中心的凸輪廓線,在滾子推桿情況下,凸輪實際廓線應(yīng)考慮滾子半徑??衫玫染嗥镁€功能完成如下:
圖1 凸輪三維模型
(6)特征參數(shù)化
在上述建模過程中,凸輪廓線由于是以方程曲線方式建立的,因而已經(jīng)實現(xiàn)參數(shù)化了。但滾子半徑、凸輪厚度以及孔徑尚未實現(xiàn)參數(shù)化,需使其成為變量,與先前在程序中設(shè)定的gzbj、hd和kj等參數(shù)相聯(lián)系。具體方法如下:
滾子半徑與厚度參數(shù)化:點擊凸輪實體→模型特征樹對應(yīng)項呈高亮顯示→右鍵點擊該項→編輯→途中將顯示偏置距離10以及凸輪厚度35→工具→關(guān)系→上述尺寸值將變?yōu)閰?shù)符號,并彈出關(guān)系對話框,對應(yīng)參數(shù)符號d1、d0輸入:d1=pj、d0=hd→確定。
孔徑參數(shù)化:點擊軸孔→模型特征樹對應(yīng)項呈高亮顯示→右鍵點擊該項→編輯→工具→關(guān)系→上述尺寸值將變?yōu)閰?shù)符號,并彈出關(guān)系對話框,對應(yīng)參數(shù)符號d2輸入:d2=kj→確定。
(7)凸輪變參
改變各參數(shù)值,可獲得不同的凸輪廓線、凸輪厚度及孔徑。具體做法:點擊圖標(biāo):→→輸入→在彈出的對話框內(nèi),點選需要變參的項目→完成選取→在彈出的信息窗口內(nèi),輸入相應(yīng)參數(shù)值→點擊圖標(biāo)。
對應(yīng)不同參數(shù)組的凸輪模型如圖2所示。其中g(shù)zbj=0和pj=0對應(yīng)對心尖頂推桿。
圖2 參數(shù)化的凸輪模型
通過Pro/E軟件的裝配模塊Assembly,將先前建立的凸輪機(jī)構(gòu)中的各零件:機(jī)架、凸輪、滾子、軸銷以及推桿進(jìn)行裝配,完成凸輪機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建。新建一個asm文件,點添加組件,逐一添加組件并定義互相接觸的零件間的連接類型,使它們具有相應(yīng)的運(yùn)動自由度。在Pro/E系統(tǒng)的裝配模式中,以系統(tǒng)缺省位置固定機(jī)架零件作為基礎(chǔ),使用銷釘連接方式分別連接凸輪與機(jī)架、滾子與推桿;并用滑動桿連接方式連接推桿與機(jī)架。裝配圖如圖3所示。并檢查組件間是否會發(fā)生運(yùn)動干涉。
圖3 凸輪機(jī)構(gòu)的裝配圖
圖4 位移、速度、加速度分析圖
圖5 軸轉(zhuǎn)矩
圖6 凸輪與從動件滾子法向力、凸輪最大壓力角
利用Pro/E軟件的強(qiáng)大三維實體建模功能和二次開發(fā)工具模塊Program可以很方便地實現(xiàn)凸輪的參數(shù)化設(shè)計,直觀地再現(xiàn)出產(chǎn)品的外觀,而且設(shè)計精度好、效率高。并可以Pro/E中的Mechanism和Mechanica兩個模塊進(jìn)行運(yùn)動仿真和動態(tài)分析,對凸輪機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度、凸輪壓力角、軸的受力、扭矩、凸輪與推桿之間的作用力等量進(jìn)行測量分析,分析機(jī)構(gòu)性能,以此來檢驗機(jī)構(gòu)的合理性、可行性,并為設(shè)計人員提供修改依據(jù),協(xié)助設(shè)計人員更好地、更快地完成產(chǎn)品的設(shè)計工作,使產(chǎn)品能更好地滿足工程和性能要求。而且由于凸輪機(jī)構(gòu)實行了參數(shù)化設(shè)計,所以,修改時非常方便,設(shè)計人員只要對已有的凸輪機(jī)構(gòu)模型的參數(shù)進(jìn)行變更就可以生成新的凸輪機(jī)構(gòu)。對于減少產(chǎn)品的試驗環(huán)節(jié)、提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量以及設(shè)計效率、降低成本有著非常重要的意義。
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(責(zé)任編輯 陳永康)
TH112.2
A
1008-7257(2015)02-0105-03
2014-07-14
趙仙花(1977-),女,山西忻州人,德州學(xué)院講師,碩士,研究方向:機(jī)械設(shè)計及制動化。