一種翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的仿真實例

張曉寧，尚 書

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

目前在大尺寸觸控面板貼附工藝中豎向貼合方式因其可以有效提升良品率已廣泛為高世代液晶面板偏貼設(shè)備所取用，其中液晶玻璃的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一般為氣缸驅(qū)動，占地面積大，調(diào)試不方便。本文基于偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原理，提出一種由電機(jī)+絲桿驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)高負(fù)載情況下的平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，調(diào)試方便。該機(jī)構(gòu)通過Solidworks Motion 插件功能進(jìn)行仿真，可以有效求解電機(jī)運(yùn)行過程中的最高扭矩以及絲桿的受力，從而有助于電機(jī)的選型和絲桿壽命的校核。

1 機(jī)構(gòu)簡介及工作原理

圖1所示是一種偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)對機(jī)構(gòu)滑塊部位施加合力Fa時，機(jī)構(gòu)會繞固定鉸鏈處旋轉(zhuǎn)（圖中箭頭所示）。相應(yīng)地圖示2 是實際結(jié)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)通過同步帶驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)時絲母會驅(qū)動運(yùn)動副運(yùn)動實現(xiàn)玻璃傳輸機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。由于伺服電機(jī)的速度特性曲線，電機(jī)的實際輸出扭矩T 和絲桿推力Fa會隨著壓力角θ 一直在產(chǎn)生變化，如果用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)手段該兩項數(shù)值將很難求解，但如果利用solidworks motion 仿真功能求解這兩個數(shù)值就會相對容易得多。

圖1 機(jī)構(gòu)簡圖

2 Solidworks Motion 簡介

Solidworks Motion 是一個虛擬原型機(jī)仿真工具，借助在工業(yè)動態(tài)仿真分析軟件領(lǐng)域占主動地位達(dá)25年之久的ADAMS 的強(qiáng)力支持，它可以對復(fù)雜的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，可以得到機(jī)構(gòu)的速度、加速度、作用力等，并通過數(shù)據(jù)、圖表、動畫等表現(xiàn)出來可以反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，在物理樣機(jī)研制出來之前，就指出其中的錯誤，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供借鑒和參考。 本文就是利用Solidworks Motion 仿真功能對電機(jī)扭矩極值(Tmax)和絲桿推力極值(Famax)進(jìn)行求解從而合理的選擇電機(jī)和絲桿

3 需求定義

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)0～90°的翻轉(zhuǎn)角度；

（2）要求3 s 左右機(jī)構(gòu)由水平翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)驗初步選擇絲桿直徑25 mm，導(dǎo)程20 mm，從三維模型中可知滿足0～90°的翻轉(zhuǎn)角度需要絲桿行程約為510 mm 。

4 仿真環(huán)境設(shè)置：

4.1 開啟運(yùn)動仿真插件

在Solidworks2011 版本中motion 功能已經(jīng)集成在插件中，欲開啟Motion 功能請依次點擊“窗口-插件- 勾選Solidworks Motion”確定(見圖3所示）；點擊界面左下角“運(yùn)動算例”選擇第二步下拉框中“Motion 分析”。（見圖4所示）（注：此步驟非常重要，有無“Motion 分析”決定是否能夠進(jìn)行仿真的關(guān)鍵）。

圖3 Solidworks 插件選擇框

圖4 Solidworks Motion 分析框

4.2 仿真單位設(shè)置

按照圖示5 所示依次點擊“工具-選項-文檔屬性-單位一MMGS”

4.3 開始仿真

圖5 仿真單位設(shè)置

上文提到求解機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)時電機(jī)的最大扭矩(Tmax)以及絲桿的最大推力（Famax)，可以方便的幫助我們確定電機(jī)和絲桿的選擇是否合適。首先先給絲桿添加一個旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，根據(jù)伺服電機(jī)實際速度曲線（圖示6）來輸入電機(jī)數(shù)據(jù)。

按設(shè)計要求：t=3 s，加減速時間t0=0.5 s 絲桿導(dǎo)程Pb=20 mm（見圖示7）。

在Solidworks Motion 界面輸入電機(jī)速度曲線，完成旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)置（見圖示8）。

圖6 伺服電機(jī)速度曲線

圖7 電機(jī)實際速度曲線

在機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)過程中，機(jī)構(gòu)主要受到重力的影響，為了模擬實際情況，我們需要給機(jī)構(gòu)添加重力。在motion 界面點擊“引力輸入”圖標(biāo)（見圖示9），在引力輸入界面（見圖示10）對應(yīng)的重力加速度框內(nèi)輸入重力加速度數(shù)值，這樣就完成了對引力數(shù)值和方向的添加。

圖8 旋轉(zhuǎn)速度/ 時間曲線輸入框

圖9 motion 界面

圖10 引力輸入界面

輸入完成后點擊計算按鈕開始仿真, 仿真完畢后可以根據(jù)結(jié)果輸出電動機(jī)扭矩對時間的曲線以及絲桿推力對時間的曲線，此時可以方便看出Tmax=7.3 Nm(見圖11）；Famax=2200 N（見圖12）。

圖11 電機(jī)扭矩T 對時間的曲線

圖12 絲桿推力Fa 對時間的曲線

5 電機(jī)選擇以及絲桿校核

5.1 電機(jī)選擇

根據(jù)圖11選擇三菱HGSR152BJ 1.5kW 帶抱閘伺服電機(jī)，電機(jī)慣量為18.2×10-4kg·m2

負(fù)載慣量比確認(rèn)：負(fù)載慣量按照公式JL=；滾珠絲桿慣量為

其中m 為作用在導(dǎo)軌上的負(fù)載質(zhì)量約為50 kg；Pb為絲桿導(dǎo)程初選20 mm；ρ 為絲桿密度=7900 kg/m3Lb為絲桿長度約為762 mm；Db為絲桿直徑為25 mm

可以得出總負(fù)載慣量J=JI+JB=7.37×10-4kg·m2；負(fù)載慣量比=7.37/18.2=0.4 倍，遠(yuǎn)小于15 倍以內(nèi)。

5.2 絲母容許負(fù)荷和絲桿壽命校核

壽命校核

其中：Ca為絲母動額定負(fù)荷10 500 N；fw為負(fù)荷系數(shù)；Fm為絲桿軸向負(fù)荷暫取Famax。

按照絲桿每分鐘往復(fù)一次計算得出Lh==20556 h，由于絲桿受力Fa為變力，所以以上壽命是考慮絲桿的最低壽命，實際上遠(yuǎn)大于這個值。

6 結(jié)束語

應(yīng)用Solidworks Motion 仿真功能可以方便對各種機(jī)構(gòu)的動力學(xué)進(jìn)行仿真，從而選擇合理的外購件并且優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中選擇外購件還要與價格和貨期等因素相匹配，只有機(jī)構(gòu)、成本、質(zhì)量三者得到兼顧才能稱之為優(yōu)良的設(shè)計。

[1]陳超祥 胡其登.Solidworks Motion 運(yùn)動仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]來瞞虔.機(jī)械原理教學(xué)指南[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3]王穎張維強(qiáng).基于ADAMS 的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(32)：42-45.