基于UG的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析仿真

夏雨露

摘要：本文介紹了以UG軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)建立一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)模型，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，闡述了運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，展示凸輪機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)的結(jié)果用圖表直觀的反映出來(lái)， 從這些圖表中可以分析出凸輪設(shè)計(jì)的合理性，為凸輪機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一些參考。

Abstract： This paper introduces a model of cam mechanism based on UG software， analyzes its movement simulation， describes the realization process of motion simulation and shows the real motion of cam mechanism. The results of the motion are directly reflected in the chart. From these charts， we can analyze the rationality of cam design to provides some references for the improvement of cam mechanism.

關(guān)鍵詞：UG；凸輪機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真

Key words：UG；cam mechanism；movement simulation

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）09-0143-02

0 引言

UG（Unigraphics NX）是西門子公司的一款三維設(shè)計(jì)軟件，其運(yùn)動(dòng)仿真的功能也相當(dāng)強(qiáng)大，運(yùn)動(dòng)仿真模塊是UG重要組成部分，它可以直接應(yīng)用模型的裝配文件來(lái)建立不同條件下的運(yùn)動(dòng)仿真而不會(huì)干擾主模型的裝配。

凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和底座組成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。傳統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方法有圖解法、解析法，雖然直觀但作圖復(fù)雜，而且建立的數(shù)學(xué)關(guān)系式比較復(fù)雜；本文通過(guò)UG模塊建立凸輪機(jī)構(gòu)的裝配模型，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以直觀的看到凸輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)從分析的結(jié)果中可以看到其機(jī)構(gòu)存在的不足，以便設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 凸輪輪廓線的繪制

下面以偏心直動(dòng)尖點(diǎn)的凸輪機(jī)構(gòu)作為例子，分別介紹用作圖法、解析法和利用UG軟件進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真分析的方法，先定義凸輪各參數(shù)：凸輪基圓半徑r0=50mm；偏心距e=10mm；從動(dòng)件行程s=26mm。

1.1 作圖法繪制偏心直動(dòng)尖點(diǎn)凸輪輪廓線

以O(shè)點(diǎn)為圓心，以r0作為半徑，作凸輪的基圓，同樣以O(shè)為圓心，以e為半徑，作一個(gè)圓，根據(jù)位移圖分別在基圓上找到點(diǎn)1、2、3、……15，其中1到8為120°，8到9為60°，9到15為90°，分別過(guò)這些點(diǎn)作偏距圓的切 線，然后根據(jù)位移圖，分別找到點(diǎn)1'、2'、3'、……15'，用光滑的曲線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，就形成了凸輪的輪廓曲線，其中1'到8'為推程，8'到9'為遠(yuǎn)休程，9'到15'為回程，15'到0為近休程。如圖1所示。

1.2 解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓線

根據(jù)工作的需要，選定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定凸輪的基圓半徑，偏距，滾子半徑等，如圖2所示，然后用解析法來(lái)設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，在進(jìn)行凸輪輪廓線設(shè)計(jì)時(shí)，求出凸輪輪廓線的方程式：x=f（δ），y=f（δ），δ為凸輪轉(zhuǎn)角，滾子中心在初始位置B處，坐標(biāo)為：（e，s0）。由圖可知：s02=r02-e2則可得s0=（r02-e2）1/2，當(dāng)滾子中心到達(dá)B0點(diǎn)時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)δ，推桿產(chǎn)生位移s，理論上輪廓線上B0點(diǎn)的坐標(biāo)為：X=（s0+s）sinδ+e cosδ；

Y=（s0+s）cosδ-sinδ，此式即為凸輪輪廓線方程，其中s0為從動(dòng)桿尖點(diǎn)初始位置到凸輪中心O的位移。由圖可知：tgθ=-dx/dy=（dx/dδ）/（-dy/dδ）=sinθ/cosθ，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到凸輪輪廓B0`的坐標(biāo)為：

x`=x±rr cosθ，y`=y±rr sinθ。

2 用UG進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)分析

2.1 創(chuàng)建連桿及運(yùn)動(dòng)副

進(jìn)入U(xiǎn)G建模環(huán)境，繪制凸輪輪廓曲線，建立凸輪模型，然后建立從動(dòng)件和機(jī)架模型并且進(jìn)行裝配，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案。在UG運(yùn)動(dòng)仿真中，先將凸輪、從動(dòng)桿及框架定義成為連桿，才能在裝配模型中添加運(yùn)動(dòng)副。連桿定義完成后，為各個(gè)組件定義運(yùn)動(dòng)副，連桿和運(yùn)動(dòng)副必須是同時(shí)存在的，否則無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在本凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中，建立三個(gè)連桿，分別為L(zhǎng)001（機(jī)架），L002（頂尖從動(dòng)桿），L003（凸輪）；建立四個(gè)運(yùn)動(dòng)副，分別為機(jī)架固定副（J001），凸輪與機(jī)架之間的旋轉(zhuǎn)副（J002），頂尖從動(dòng)桿與機(jī)架之間的滑動(dòng)副（J003），頂尖在凸輪輪廓線上的點(diǎn)在線上副（J004），如圖3所示。

2.2 定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

在UG運(yùn)動(dòng)仿真中，為了使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，除了定義連桿及運(yùn)動(dòng)副，需要添加“驅(qū)動(dòng)”來(lái)使機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)通常添加在組件的運(yùn)動(dòng)副上，用驅(qū)動(dòng)可以讓機(jī)構(gòu)以某種規(guī)律進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)主要有以下幾種類型：①無(wú)驅(qū)動(dòng)；②恒定驅(qū)動(dòng)；③簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)；④運(yùn)動(dòng)函數(shù)；⑤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在此凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，將旋轉(zhuǎn)副J002設(shè)為驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)形式選擇恒定驅(qū)動(dòng)，并設(shè)定初速度參數(shù)為60，使凸輪以60°/s的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 創(chuàng)建解算方案

創(chuàng)建解算方案時(shí)就是要定義方案類型、步數(shù)、時(shí)間等參數(shù)。在一個(gè)機(jī)構(gòu)中，可以定義多種解算方案，不同的解算方案可以定義不同的分析條件。定義此凸輪機(jī)構(gòu)的解算方案為：常規(guī)驅(qū)動(dòng)，分析類型為：運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)，時(shí)間設(shè)為18秒，步數(shù)為300步，選擇“通過(guò)按確定進(jìn)行解算”復(fù)選框。確定后啟動(dòng)解算器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，運(yùn)動(dòng)分析完成后如果存在冗余的約束，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框進(jìn)行提示。

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真

解算方案計(jì)算完成后，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)分析工具條上的“動(dòng)畫按鈕”，當(dāng)點(diǎn)擊播放按鈕時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)就根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，如圖4所示，播放可以是一次播放，循環(huán)播放和往返播放三種模式。同時(shí)，點(diǎn)擊“導(dǎo)出至電影”按鈕，則可以將此仿真動(dòng)畫輸出為AVI電影格式。除了可以使用“動(dòng)畫”工具輸出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)視頻外，其分析結(jié)果還可以圖表的方式輸出。點(diǎn)擊“作圖”按鈕，在彈出的圖表對(duì)話框中選擇頂尖滑動(dòng)副J003為圖表對(duì)象，單擊添加按鈕將位移曲線加到定義曲線列表中，點(diǎn)擊確定按鈕，即可輸出時(shí)間-位移曲線，用同樣的方法，可以輸出時(shí)間-速度曲線、時(shí)間-加速度曲線、時(shí)間-力曲線，如圖5所示。

3 結(jié)論

利用 UG 作為三維設(shè)計(jì)軟件，在建模環(huán)境中建立凸輪機(jī)構(gòu)的模型，在仿真模塊中進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過(guò)模擬凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況及輸出的時(shí)間-位移曲線、時(shí)間-速度曲線、時(shí)間-加速度曲線、時(shí)間-力曲線等，可以分析出所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)的干涉情況及是否滿足當(dāng)前工作要求。相比傳統(tǒng)的作圖法及解析法來(lái)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)，使用三維軟件進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅可以直觀地觀察到機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還可以通過(guò)分析的結(jié)果來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)避免了用傳統(tǒng)的方法而進(jìn)行的大量而又復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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