基于UG的經(jīng)編機共軛凸輪機構(gòu)運動仿真研究

魏法明 年四甜

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫 214153）

一、引言

仿真就是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求過程和規(guī)律。計算機仿真的目標(biāo)是科學(xué)計算的可視化，即把由數(shù)值計算或?qū)嶒灚@得的大量數(shù)據(jù)按照其自身的物理背景進行有機地結(jié)合，用圖像的方式來展示數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的內(nèi)容及其相互關(guān)系，便于把握過程的整體演進，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律，縮短研究周期。由于計算機仿真技術(shù)可以替代費時、費力、費錢的真實實驗，它已成為各種系統(tǒng)分析強有力工具。

UG 5.0軟件中的運動仿真模塊功能比較強大，而且UG軟件可以自己造型，然后直接進入仿真模塊中，省去了不同軟件間的導(dǎo)入導(dǎo)出步驟，避免了零件特征的丟失。本文利用UG 5.0軟件的運動仿真模塊對經(jīng)編機共軛凸輪機構(gòu)進行運動學(xué)方面的分析，以此來分析整個設(shè)計過程的合理性，以及所得到凸輪機構(gòu)的精確性。主要包括凸輪機構(gòu)輸出端的位移、速度、加速度方面的分析，并且檢測機構(gòu)的裝配過程。

二、UG運動分析介紹

1、UG運動分析概述

UG是一個交互式的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)，其提供了產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計與制造。其中CAE功能則實現(xiàn)了三維實體模型的優(yōu)化設(shè)計，包括對機構(gòu)的運動仿真與有限元的分析，可以進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件在機構(gòu)運動中的軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動分析的結(jié)果可以指導(dǎo)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。

2、UG運動學(xué)分析步驟

（1）運動分析前期準備

首先要創(chuàng)建產(chǎn)品的CAD模型，模型文件可以是裝配文件，也可以是單一的實體模型；其次在UG主程序中啟動UG/motion并進行運動分析模塊預(yù)設(shè)置。運動分析模塊預(yù)設(shè)置功能可控制顯示參數(shù)、分析文件及后處理參數(shù)。這些參數(shù)控制運動分析方案元素的顯示方式、求解時解算器用到的質(zhì)量、重力常數(shù)以及一些其它的后處理功能。

（2）創(chuàng)建運動分析方案

UG中認為機械系統(tǒng)是一組連接在一起運動的連桿集合?？捎上旅嫒疆a(chǎn)生一個運動分析方案：

①創(chuàng)建連桿

連桿是UG運動仿真模塊中最基礎(chǔ)的部分，需要創(chuàng)建的連桿是指機構(gòu)中所有的運動零件，因為所有的運動零件必須和連桿相連，所以至少有一個連桿不能有位移。對于機架部分可以不創(chuàng)建連桿，如果創(chuàng)建其為連桿則必須為固定連桿。

②創(chuàng)建運動副

運動副就是將機構(gòu)中的連桿連接在一起，使連桿一起運動，并約束連桿在規(guī)定的范圍內(nèi)運動。根據(jù)連桿之間實際的相對運動創(chuàng)建相應(yīng)的運動副，例如旋轉(zhuǎn)副、滑動副、平面副、球面副等。

③定義運動驅(qū)動。運動驅(qū)動是附在運動副上控制運動的參數(shù)，共有五種類型：

a.無驅(qū)動：只受重力作用，沒有外加的運動驅(qū)動；

b.運動函數(shù)：用數(shù)學(xué)函數(shù)描述復(fù)雜的運動驅(qū)動；

c.恒定驅(qū)動：以恒定的速度（角速度）、加速度（角加速度）運動；

d.簡諧運動驅(qū)動：產(chǎn)生一個光滑的向前或向后的正弦運動；

e.關(guān)節(jié)運動驅(qū)動：以特定的步長（旋轉(zhuǎn)或線性位移）和特定的步數(shù)運動。

（3）機械系統(tǒng)運動分析

不同的運動驅(qū)動產(chǎn)生不同的運動。當(dāng)運動驅(qū)動定義為關(guān)節(jié)運動驅(qū)動時，機械系統(tǒng)以特定的步長和步數(shù)運動，用戶可以對其進行關(guān)節(jié)運動分析。當(dāng)運動驅(qū)動為運動函數(shù)、恒定驅(qū)動或簡諧運動時，則可以對機械系統(tǒng)進行運動仿真。

（4）仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析

當(dāng)機械系統(tǒng)作關(guān)節(jié)運動或運動仿真分析時，UG內(nèi)部生成一組輸出數(shù)據(jù)，利用電子表格和圖表功能可以將這些數(shù)據(jù)以表格或圖形的格式表示。

三、經(jīng)編機共軛凸輪機構(gòu)仿真模型的建立

1、共軛凸輪機構(gòu)主模型的建模及裝配

經(jīng)編機共軛凸輪機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形式是比較簡單的，零件的個數(shù)少，所以其仿真模型的建立是比較容易的。經(jīng)編機針床傳動簡圖如圖1所示[1]。

圖1 經(jīng)編機針床傳動機構(gòu)簡圖

針床5作有停歇的往復(fù)移動，它的運動由共軛凸輪通過連桿控制來實現(xiàn)，這是一種由共扼凸輪機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)而成的組合機構(gòu)。針床的運動規(guī)律如圖2所示。當(dāng)共軛凸輪轉(zhuǎn)角在OA區(qū)間時，針床自最低位置按確定的運動規(guī)律上升至最高位置；在AB區(qū)間時，針床休止不動；到BC區(qū)間時，針床自最高位置再按確定的運動規(guī)律返回至最低位置，從而完成一個運動循環(huán)。

圖2 針床運動規(guī)律

有 關(guān) 參 數(shù) 如 下 ：L1=185mm，L2=195mm，L3=256mm，L13=56mm，L4=250mm,L5=175mm，Ax=185mm，Ay=130mm，R01=130mm，R02=75mm，兩滾子半徑r=20mm，凸輪角速度ω=20r/s。

針床運動規(guī)律：凸輪轉(zhuǎn)角00～1200，鉤針按正弦加速度運動上升25mm

凸輪轉(zhuǎn)角1200～2400，休止不動

凸輪轉(zhuǎn)角2400～3600，鉤針按正弦加速度運動下降25mm

已知從動件運動規(guī)律和有關(guān)參數(shù)，通過參數(shù)化設(shè)計可得到凸輪的輪廓點云，利用UG將點云擬合成凸輪輪廓曲線，最終利用UG建模與裝配模塊得到機構(gòu)主模型，如圖3所示。

2、運動副約束及驅(qū)動的建立

模型建好之后，進入運動仿真模塊，便可對各部件及其關(guān)節(jié)處施加約束[2]。首先定義連桿，對此模型需要把圖3中的所有實體都定義為連桿，即凸輪（L001）、滾子（L002 和 L003）、擺桿（L004）、連桿（L005）、滑塊（L006）、機架（L007）共創(chuàng)建 7 個連桿。其次定義各連桿之間的運動副，有6個轉(zhuǎn)動運動副和1個移動運動副，分別為J002：凸輪相對于機座旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)副）；J003和J004：滾子相對于擺桿旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)副）；J005：擺桿相對于機座旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)副）；J006：連桿與擺桿之間旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)副）；J007：滑塊與連桿之間旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)副）；J008：滑塊相對于機座滑動（滑動副）。凸輪和搖桿的第二連桿都為大地，即相對于大地旋轉(zhuǎn)，它們的轉(zhuǎn)軸即為各自的中心。滾子與凸輪之間的接觸選擇3D接觸。最后定義運動驅(qū)動，根據(jù)仿真的實際需要創(chuàng)建J002的同時定義運動驅(qū)動為恒定驅(qū)動，角速度為300/s勻速旋轉(zhuǎn)。這樣一個簡化的凸輪機構(gòu)的仿真模型便設(shè)置完成，其最終的模型如圖4所示，包括連桿、運動副、以及驅(qū)動的位置。

圖3 共軛凸輪機構(gòu)的主模型

四、運動學(xué)仿真分析以及后處理

共軛凸輪機構(gòu)運動學(xué)的仿真分析，主要是求解凸輪機構(gòu)的輸入與輸出桿件之間的位置、速度與加速度之間的關(guān)系。并且通過運動仿真的分析來分析檢驗各桿件之間是否會發(fā)生干涉，考察和評價整個機構(gòu)的速度和加速度特性，檢查整個裝置的設(shè)計以及裝配是否滿足實際的要求。

共軛凸輪機構(gòu)的仿真運動過程是選擇凸輪實體作為驅(qū)動機構(gòu)，滑塊作為輸出，以此來觀察輸出的位移、速度、加速度曲線是否與預(yù)先設(shè)置的凸輪曲線相符合，在這里對滾子與凸輪之間的關(guān)系，設(shè)置為高副接觸。選擇已加約束與驅(qū)動后的仿真模型（如圖4所示），定義解算參數(shù)：解算方案類型為常規(guī)，凸輪旋轉(zhuǎn)一周需12秒，所以設(shè)定仿真時間為12s，步數(shù)選擇180（如圖5所示），即凸輪轉(zhuǎn)過一圈，滑塊完成一個往復(fù)運動。

圖4 加約束與驅(qū)動后的仿真模型

圖5 運動仿真分析選項

圖6 輸出端的位移曲線圖

圖7 輸出端的位移曲線數(shù)據(jù)點

圖8 輸出端的速度曲線圖

圖9 輸出端的速度曲線數(shù)據(jù)點

圖10 輸出端的加速度曲線圖圖

圖11 輸出端的加速度曲線數(shù)據(jù)點

經(jīng)過ADAMS解算器的解算，可得出輸出端的位移、速度、加速度的時間曲線[3]，如圖6、8、10所示，同時可得到相應(yīng)的文本數(shù)據(jù)，如圖7、9、11所示。圖6、8、10中以仿真運動的時間作為橫坐標(biāo)，可以把所得到的各曲線與擺線正弦曲線進行比較，分析其精確度。由圖可以看出所得到的位移曲線、速度曲線規(guī)律還是比較清晰的，但加速度曲線規(guī)律則不是很理想，某些點存在粗大誤差，應(yīng)予以剔除。如果使用環(huán)境對加速度曲線的規(guī)律要求不是太高的話，該凸輪模型符合使用要求，但需要嚴格控制加速度的輸出時，則需要重新生成凸輪的實體模型，所以在由點云到實體的這一過程還有待進一步的研究與加深，需要更完整的動力學(xué)運動學(xué)理論來實現(xiàn)這一過程，減少在仿真過程中凸輪機構(gòu)的振動情況。

五、結(jié)束語

本文以凸輪實體作為驅(qū)動機構(gòu)，滑塊作為輸出端，以此來觀察輸出端的位移、速度、加速度曲線是否與預(yù)先設(shè)置的凸輪曲線相符合；在運功仿真過程中觀察凸輪實體與滾子之間的接觸情況。通過對多種結(jié)果輸出形式的分析，檢測了凸輪機構(gòu)設(shè)計的合理性以及準確性，設(shè)計人員可以得知所設(shè)計的經(jīng)編機共軛凸輪機構(gòu)的優(yōu)劣。

[1]顧連森.設(shè)計經(jīng)編機中共軛凸輪廓線的解析法.無錫輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1990，9（3）58～69.

[2]宋曉華，方坤禮.基于UG的凸輪機構(gòu)設(shè)計和運動仿真[J].機械研究與應(yīng)用，2005，18（1）：102～104.

[3]劉善林，胡鵬浩，張勇.基于UG的凸輪機構(gòu)運動仿真研究[J].計算機應(yīng)用技術(shù)，2007，34（12）：44～46.