基于COSMOSMotion軸承套圈方向轉換機構設計及仿真

潘振，邱望標，逯博文，李宜汀，李哲

(貴州大學，貴州貴陽550000)

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基于COSMOSMotion軸承套圈方向轉換機構設計及仿真

潘振，邱望標，逯博文，李宜汀，李哲

(貴州大學，貴州貴陽550000)

摘要：主要是設計隧道式交變磁場去應力裝置中的軸承套圈的轉向機構,利用SolidWorks三維設計軟件通過拉伸、切除、陣列、掃描等特征方法[1]對該機構進行三維建模，然后運用運動仿真插件COSMOSMotion對三維模型進行運動仿真，得到軸承套圈的速度和加速度曲線，對比仿真結果修改設計方案。通過三維建模和運動仿真提高了機構設計的形象性和直觀性[2]。

關鍵詞：SolidWorksCOSMOSMotion仿真三維建模

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0引言

隨著計算機技術的進步與發(fā)展，三維設計軟件在機械設計中的應用越來越廣泛[3]。SolidWorks是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有強大的三維建模能力，是運動仿真、應力分析的工具，使用方便操作簡單[4]。COSMOSMotion是一個與SolidWorks無縫集成運動仿真系統(tǒng)，通過添加運動、約束、力、碰撞等，機械進行運動和動力仿真模擬，用動畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的軌跡、速度、加速度、作用力、反作用力等運動和動力參數(shù)[5]。本文針對轉向機構的設計方案利用SolidWorks進行三維建模，運用COSMOSMotion對三維模型進行運動仿真分析，然后對比仿真結果修改設計方案。

1軸承套圈方向轉換裝置三維建模

已知隧道式交變磁場去應力裝置運轉時，軸承套圈首先水平穿過線圈，磁場線從軸承套圈徑向穿過，經(jīng)過徑向磁場處理幾分鐘后，軸承套圈再豎立著穿過線圈，此時磁場線從軸承套圈的軸向穿過，等待軸向磁場的去應力處理。這就要求有一個轉向裝置能把軸承套圈從水平的狀態(tài)轉換成豎立的狀態(tài)。軸承套圈參數(shù)：外徑36 mm、內(nèi)徑30 mm、寬度8 mm，材料為45鋼冷拔。

根據(jù)已知條件設計合理的方案，利用SolidWorks拉伸、切除、陣列、掃描等特征方法三維建模如圖1所示，轉向裝置由3個零件裝配而成，軸承套圈由轉向機構頂部水平進入，在里面的運動軌跡是一條空間曲線，從左邊底部窄縫里出來以后是豎立的位置狀態(tài)。

圖1　轉向裝置三維零件圖及裝配圖

2軸承套圈方向轉換機構干涉檢查

三維建模完成以后，還要進行干涉檢查，來驗證設計是否合理，能否按照預定的方式正確裝配起來而不發(fā)生裝配不進去的情況[6]。利用SolidWorks進行干涉檢查，過程如下：

1)新建裝配圖。啟動SolidWorks后，新建裝配圖。點擊“插入零部件”的選項，選中將要裝配的零部件。在開始裝配之前先在零件1上作兩條3D曲線(圖1中(a))，3D曲線2在零件1的曲面上，并且距離零件1右邊內(nèi)邊界的距離是18 mm，3D曲線1在3D曲線2的正上方，距離它4 mm。在軸承套圈上作2個空間點(圖2)，中心點1在軸承套圈的正中心，點2是軸承套圈底面圓的中心點。作2條3D曲線和2個空間點的目的是為了在后續(xù)的軸承套圈與轉向裝置的路徑配合中建立好運動路徑和零部件頂點[7]，以對軸承套圈的運動路徑和位置狀態(tài)進行約束；

2)點擊“配合”選項，然后按照設計要求對零部件用重合、相切、同心圓等約束條件進行配合；

3)配合完畢以后，在“工具”菜單中選擇干涉檢查，發(fā)生干涉的位置將會以紅色顯示，干涉檢查結果如圖3所示。

圖2　軸承套圈上的空間點　　　圖3　干涉檢查

圖3中干涉檢查的結果顯示無干涉，且三維模型中沒有出現(xiàn)紅色警告的部分，說明設計的轉向機構滿足裝配要求，可以正確裝配。

3運動仿真

利用SolidWorks中COSMOSMotion插件對上文建立的三維模型進行運動仿真分析，過程如下：

1)添加新算例在SolidWorks的“工具”菜單中載入COSMOSMotion插件[8]，點擊“添加新算例”；

2)選擇材料在需要定義材料的零件上單擊右鍵，在右鍵下拉菜單中選擇“編輯材料”，零件1、零件2和零件3選擇PPS塑料，軸承套圈選擇45鋼冷拔；

3)添加引力在運動算例菜單中點擊“引力”選項，定義豎直向下引力，加速度9 806.65 mm/s2；

4)添加摩擦力 在運動算例的菜單中點擊“接觸”選項，選擇接觸的面組，系統(tǒng)會根據(jù)選擇的材料和接觸面自動計算出每時每刻的摩擦力；

5)運行模擬、顯示結果 點擊“計算”，軟件會自動分析計算結果。軸承套圈運動出轉向機構的速度(圖4)，加速度(圖5)，從仿真動畫中可以看到軸承套圈可以按照預定的軌跡流暢的滑落下來，并且沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖4　Z軸方向速度圖5　Z軸方向加速度

4仿真結果分析

通過選定零件材料，添加引力，添加摩擦力，極度貼近實際的仿真計算，從得出的仿真動畫中可以看出軸承套圈在重力和摩擦力的合力作用下沿著轉向機構中3D曲線1和3D曲線2流暢的下滑，沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象，并且這兩條3D曲線也起到限定軸承套圈位置狀態(tài)的作用。

從圖4和圖5中可看出，軸承套圈運動出轉向裝置的速度為1 223 mm/s，加速度為3 200 mm/s2，軸承套圈從進入轉向裝置到運動出轉向裝置大約需要0.6 s的時間，大概在0.15 s的位置軸承套圈開始由XY平面的運動變成YZ平面的運動，由于慣性的作用，圖中Z軸速度和Z軸加速度曲線都有一個突然的上升，滿足實際情況。

設計人員可以根據(jù)仿真結果修改轉向機構的曲面形狀參數(shù)，從而改變軸承套圈運動軌跡和受力，則軸承套圈運動出轉向機構的速度和加速度也會隨之變化，最后得到滿足生產(chǎn)實際的運動參數(shù)的設計即滿足要求。

綜上所述，本文首先在轉向機構的結構和工作原理分析的基礎上，利用SolidWorks進行三維建模和虛擬裝配，虛擬裝配結果顯示設計中各個零件的主要參數(shù)和結構設計是合理的、正確的。然后對裝配體進行干涉檢查，結果顯示無干涉且無錯誤警告，則表明轉向機構各零部件設計合理，不存在零部件裝配不進去的情況。接著利用COSMOSMotion插件對裝配好的機構進行運動仿真，仿真出軸承套圈在轉向機構中運動的仿真動畫以及軸承套圈運動出轉向機構時Z軸方向的速度和加速度曲線。從最后的仿真動畫和Z軸方向速度和加速度曲線看出，軸承套圈的運動參數(shù)滿足實際生產(chǎn)要求。至此，該轉向機構的設計及仿真基本完成。

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Direction conversion mechanism design and simulation of bearing ring based on COSMOSMotion

PAN Zhen，QIU Wangbiao，LU Bowen，LI Yiting，LI Zhe

Abstract:This paper is about the design of the direction conversion mechanism of tunnel-based destressing device for alternating magnetic field. Using the SolidWorks 3D design software, we build the 3D model of the mechanism through such methods as stretching, excising, arraying, and scanning, then we simulate the 3D model based on the motion simulation plug-in COSMOSMotion to work out the speed and acceleration curve of the bearing ring so as to modify the design scheme according to the simulation results. Through 3D modeling and motion simulation, the vividness and visualization of the mechanism design are improved.

Keywords:SolidWorks; COSMOSMotion; simulation;3D modeling

收稿日期：2015-08-29 2015-08-04

通訊作者：趙立宏，男，教授。

作者簡介：阮銳(1990-)，男，江西省宜春市人，碩士研究生，研究方向：機電一體化系統(tǒng)與設計。 潘振(1989-)，男，湖北黃岡人，貴州大學機械電子工程碩士研究生，主要從事機械設計及機電控制方面的理論研究。

基金項目：湖南省重大專項(2012FJ1007)資助。

中圖分類號：TH122;TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0043-03