基于PRO/E的陶瓷零件快速成型機(jī)的仿真設(shè)計(jì)

張 菲, 高東強(qiáng)

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)分析和仿真已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也成為機(jī)械設(shè)計(jì)的必經(jīng)過(guò)程.進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，以此來(lái)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性.對(duì)于尚處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品可裝配性的好壞,最經(jīng)濟(jì)直觀的是在計(jì)算機(jī)上仿真產(chǎn)品的實(shí)際裝配和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行生動(dòng)直觀的產(chǎn)品預(yù)裝配、干涉檢測(cè)以及產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性的驗(yàn)證，以檢查各零部件與裝配有關(guān)的問(wèn)題而不需要設(shè)計(jì)者做出物理樣機(jī).三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer 2001是美國(guó)PTC(美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司)推出的一款CAD/CAM/CA一體化軟件.

圖1 Pro/E仿真流程圖

Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)態(tài)分析功能集成在“機(jī)構(gòu)”模塊中，包括Mechanism Design(機(jī)械設(shè)計(jì))和Mechanism Dynamics(機(jī)械動(dòng)態(tài))兩個(gè)方面的分析功能[1].使用“機(jī)械設(shè)計(jì)”分析功能相當(dāng)于進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，包括創(chuàng)建某種機(jī)構(gòu)、定義特定運(yùn)動(dòng)副、創(chuàng)建能使其運(yùn)動(dòng)起來(lái)的伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬，還可以通過(guò)觀察與記錄分析測(cè)量諸如位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征，并可以通過(guò)圖形直觀地顯示這些測(cè)量量、創(chuàng)建軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，用物理方法描述運(yùn)動(dòng).

根據(jù)所設(shè)計(jì)陶瓷快速成型機(jī)的工作原理，作者利用Pro/E建模以及仿真其運(yùn)動(dòng)，使其完整的運(yùn)動(dòng)得以展示，有助于對(duì)其運(yùn)動(dòng)的直觀理解，并可在此基礎(chǔ)上分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

1 利用Pro/E進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)過(guò)程

利用Pro/E進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)過(guò)程主要可以分為兩個(gè)步驟：一是定義一個(gè)機(jī)構(gòu)，二是使其運(yùn)動(dòng).其過(guò)程如圖1所示[2].

2 三維實(shí)體模型的建立與虛擬裝配

裝入元件時(shí)有兩種方式：接頭連接與約束連接.向組件中增加元件時(shí)，會(huì)彈出“元件放置”窗口，此窗口有3個(gè)頁(yè)面：“放置”、“移動(dòng)”、“連接”.傳統(tǒng)的裝配元件方法是在“放置”頁(yè)面給元件加入各種固定約束，將元件的自由度減少到0，因元件的位置被完全固定，這樣裝配的元件不能用于運(yùn)動(dòng)分析(基體除外).另一種裝配元件的方法是在“連接”頁(yè)面給元件加入各種組合約束，如“銷釘”、“圓柱”、“剛體”、“球”、“6DOF”等等，使用這些組合約束裝配的元件，因自由度沒(méi)有完全消除(剛體、焊接、常規(guī)除外)，元件可以自由移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，這樣裝配的元件可用于運(yùn)動(dòng)分析.接頭連接所用的約束都是能實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)(含固定)的組合約束，包括：銷釘、圓柱、滑動(dòng)桿、軸承、平面、球、6DOF、常規(guī)、剛性、焊接，共10種.在具體實(shí)現(xiàn)鋪料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真之前，需要建立運(yùn)動(dòng)模型和設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境，包括建立連接、連接軸設(shè)置、運(yùn)動(dòng)副、伺服電機(jī)以及電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間序列.這里用到的連接主要是銷釘聯(lián)接(Pin)、圓柱連接(Cyl2inder)、齒輪連接(Gear).譬如，水平絲杠與機(jī)架、豎直絲杠與機(jī)架等采用銷釘連接.料斗裝置中由電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)使得攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此這里要用到齒輪運(yùn)動(dòng)副(GearPairs)，在設(shè)置齒輪運(yùn)動(dòng)副的時(shí)候要注意選擇齒輪相對(duì)固定體(Ground)設(shè)置的連接，否則很難實(shí)現(xiàn)齒輪的正確運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)主要設(shè)置為基于銷釘聯(lián)接的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，在設(shè)置好這些環(huán)境之后就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真[3，4].圖2為鋪料機(jī)構(gòu)的整機(jī)爆炸圖.

圖2 鋪料機(jī)構(gòu)爆炸圖

圖3 鋪料機(jī)各零件圖

陶瓷快速成型機(jī)鋪料機(jī)構(gòu)需滿足以下運(yùn)動(dòng)要求： (1)絲杠驅(qū)動(dòng)料斗裝置沿導(dǎo)軌的x向正反向移動(dòng)； (2)絲杠驅(qū)動(dòng)料斗裝置沿導(dǎo)軌的z向正反向移動(dòng)； (3)料斗裝置的攪拌機(jī)構(gòu)用來(lái)攪拌漿料.

因鋪料機(jī)構(gòu)的零件較多，且配合精確，建立模型時(shí)，應(yīng)兼顧零件尺寸及裝配尺寸，以免在后續(xù)裝配過(guò)程中造成干涉.建立好零件模型后，分析鋪料機(jī)構(gòu)的組成模塊，分別先對(duì)各組成模塊進(jìn)行虛擬裝配.根據(jù)設(shè)計(jì)，該鋪料機(jī)構(gòu)分為水平裝置、升降裝置、料斗裝置以及其他周邊設(shè)施，按照如上分類，先建立各個(gè)模塊的裝配文件，最后按照整體順序插入安裝.所建立鋪料機(jī)構(gòu)各分支模塊如圖4所示.

圖4 鋪料機(jī)構(gòu)各模塊分解圖

建立好各大模塊后，將其按照順序整體裝配，因后續(xù)要涉及到仿真操作，因此整機(jī)裝配過(guò)程中需設(shè)定各個(gè)零件的裝配關(guān)系.以裝配圖4中的(c)與(d)模塊為例展開(kāi)描述.首先分析二者之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，根據(jù)要求，模塊(d)需要沿著模塊(c)在x方向運(yùn)動(dòng)，為螺母絲杠連接裝配.先導(dǎo)入模塊(c)完成其裝配，之后導(dǎo)入模塊(d)，導(dǎo)入設(shè)置操作中可以看到如圖5所示的幾種約束關(guān)系.然后開(kāi)始選擇各約束，第一個(gè)為“圓柱”約束關(guān)系，即螺母可以沿著絲杠做直線運(yùn)動(dòng)，選擇好約束關(guān)系之后，設(shè)置各參照；第二個(gè)為“槽”約束關(guān)系，即螺母上的點(diǎn)沿著螺紋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同上設(shè)置各參數(shù)，槽連接時(shí)所選擇的參照分別為絲杠的內(nèi)螺紋以及螺母外螺紋上的點(diǎn).完成上述兩步操作之后，絲杠螺母連接已成功定義，也即料斗裝置可以繞著絲杠運(yùn)動(dòng)了，但料斗的位置還沒(méi)有約束，加入驅(qū)動(dòng)后，料斗整體便會(huì)繞著絲杠回轉(zhuǎn)，因此此時(shí)還需再額外定義一個(gè)約束，可選擇“常規(guī)”約束關(guān)系，設(shè)定料斗的導(dǎo)軌槽與模塊(c)或者(a)的導(dǎo)軌之間的面為參照，這樣就約束了料斗的方向，到此，模塊(d)便完成了裝配[5，6].所選擇的約束如圖5所示.料斗裝置的裝配結(jié)果如圖6所示.

圖5 料斗裝置裝配參數(shù)設(shè)置 圖6 料斗裝置裝配結(jié)果

3 仿真設(shè)計(jì)

在將零件裝配完之后，就要進(jìn)行仿真過(guò)程的設(shè)計(jì)，主要包括以下步驟[7]：

(1)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置.鋪料機(jī)構(gòu)裝配完并確定下來(lái)后,進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊,通過(guò)“插入→ 伺服電動(dòng)機(jī)”創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器,定義輸入載荷.通過(guò)“分析→機(jī)構(gòu)分析→分析定義”設(shè)置仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù),從而完成鋪料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)設(shè)置.為了使模型能真實(shí)反映實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,必須精確地描述驅(qū)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

(2)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程.運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)設(shè)置后, 即可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真.通過(guò)運(yùn)行“機(jī)構(gòu)分析”,即可將仿真結(jié)果以動(dòng)畫形式在屏幕上顯示.如果執(zhí)行“軌跡曲線”命令,還可得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真結(jié)果.

(3)干涉檢查.干涉檢查的目的是分析機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉及“死點(diǎn)”位置.利用Pro/E自動(dòng)檢查各部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉問(wèn)題,不僅準(zhǔn)確,而且效率高, 使得干涉問(wèn)題在設(shè)計(jì)過(guò)程中就能得到有效解決.通過(guò)干涉檢查,對(duì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)干涉的部位,可以通過(guò)修改對(duì)應(yīng)零部件特征的方法,逐一予以解決.

(4)結(jié)果分析.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的是通過(guò)考察各零部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉并考察和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的速度和加速度特征,其主要研究?jī)?nèi)容是機(jī)構(gòu)的位置、速度和加速度分析.仿真分析有助于分析運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果,并能提供相應(yīng)的改進(jìn)信息.

按照以上仿真步驟分別設(shè)定參數(shù)，該機(jī)構(gòu)需完成漿料攪拌、料斗水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)、鋪料臺(tái)垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)等3大運(yùn)動(dòng)，按照要求需要3個(gè)獨(dú)立電機(jī)來(lái)達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求，依次定義各個(gè)電機(jī)的參數(shù)(如圖7(2)、7(3)所示)，最后得到如圖7(1)所示的電動(dòng)機(jī)列表.設(shè)定完電機(jī)之后，即可開(kāi)始運(yùn)動(dòng)分析定義操作，如圖7(4)所示.因?yàn)槭嵌鄠€(gè)電機(jī)的配合運(yùn)動(dòng)，這里需要設(shè)定各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)以及終止時(shí)間[8,9].

圖7 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

按照運(yùn)動(dòng)順序，第一步，料斗裝置開(kāi)始沿絲杠運(yùn)動(dòng)在鋪料臺(tái)上鋪石蠟漿料，鋪設(shè)完畢后料斗復(fù)位；第二步，等待石蠟漿料冷卻，當(dāng)石蠟?zāi)谭系窨桃髸r(shí)，雕刻機(jī)裝置按照分層的圖形開(kāi)始準(zhǔn)備雕刻石蠟成型，雕刻結(jié)束后雕刻機(jī)復(fù)位；第三步，料斗裝置沿絲杠運(yùn)動(dòng)在先前的石蠟層上鋪設(shè)陶瓷漿料，從而使得漿料填補(bǔ)到在石蠟上雕刻的槽，鋪料結(jié)束后料斗復(fù)位，停止鋪料；第四步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)鋪料臺(tái)沿著z方向向下移動(dòng)預(yù)設(shè)高度，運(yùn)動(dòng)到位后再由鋪料裝置配合雕刻裝置完成下一層的雕刻，如此反復(fù)直至分層加工結(jié)束.根據(jù)如上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以完成一層的雕刻加工為例，3個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間順序?yàn)榭刂茢嚢栎S運(yùn)動(dòng)的電機(jī)自始至終都要開(kāi)啟，然后，控制料斗鋪料運(yùn)動(dòng)的水平電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成鋪料工序，隨后，控制鋪料臺(tái)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鋪料臺(tái)降低一定高度.

已知參數(shù)：所選電機(jī)型號(hào)為57BYG096型步進(jìn)電機(jī)，空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速n=360 r/min；水平絲杠的螺紋長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=340 mm，螺距為S1=4 mm，垂直絲杠的螺紋長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=80 mm，螺距為S2=2 mm.

(1)由電機(jī)的轉(zhuǎn)速可知轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間

T1=1/n=1/360 min=1/6 s

(1)

則料斗一個(gè)往復(fù)的時(shí)間為

T2=2×L/4×T1=2×340/4×1/6≈28 s

(2)

由此可以得出如圖7(4)所示的Serve Motor 1的設(shè)定時(shí)間為0～28 s，Serve Motor 2的設(shè)定時(shí)間為開(kāi)始到終止.

(2)設(shè)定某工件加工的分層厚度為L(zhǎng)2=2 mm，也即當(dāng)上一次的分層圖形雕刻完畢之后，鋪料臺(tái)要向下移動(dòng)2 mm.

T3=L2/S2×T1=2/2×1/6≈1/6 s

(3)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，則Serve Motor 3的設(shè)定時(shí)間為28～28.167 s. 時(shí)間設(shè)定完畢之后，就可以進(jìn)行仿真了，通過(guò)仿真動(dòng)畫可以了解到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，真實(shí)地反映了該成型運(yùn)動(dòng)，為分析其運(yùn)動(dòng)提供參考.

4 結(jié)束語(yǔ)

由于此新型陶瓷快速成型機(jī)正處在研制設(shè)計(jì)階段，通過(guò)應(yīng)用Pro/E進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，可以更直觀地對(duì)其進(jìn)行干涉檢測(cè)以及進(jìn)行各部件之間的間隙調(diào)整.與通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)反饋相比，可以大大縮短設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，為設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的開(kāi)發(fā)途徑.

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