基于運(yùn)動(dòng)仿真的標(biāo)記器和傳感器在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的研究

陳庚

摘要：介紹UG10.0運(yùn)動(dòng)仿真中標(biāo)記器和傳感器的特點(diǎn)，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，利用if函數(shù)模擬內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的加速運(yùn)動(dòng)和定速巡航運(yùn)動(dòng)，為現(xiàn)實(shí)復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)提供可靠運(yùn)動(dòng)形式的依據(jù)。

Abstract： This content introduces the characteristics of marker and sensor in UG 10.0 motion simulation. Combining with the combustion engine about the mechanism of movement of crank-connecting rod， uses if function to simulate the accelerated motion and constant speed cruise motion of crank-connecting rod in the combustion engine， in order to provide a reliable basis for complex motion of combustion engine in reality.

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)仿真;標(biāo)記器;傳感器; if函數(shù)

Key words： motion simulator;marker;sensor;if function

0 ?引言

近年來(lái)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)[1]在汽車、航天、模具等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以模擬復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，以減少樣機(jī)的數(shù)量，節(jié)約成本，減少周期，實(shí)現(xiàn)公司利益的最大的化。運(yùn)動(dòng)仿真中的傳感器[2]起到了至關(guān)重要的作用，如汽車與傳感器[3，4]，可以對(duì)汽車的行駛速度、行駛距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、防抱死裝置、電子變速控制裝置等;傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用，要使機(jī)器人和人的功能更為接近，通過對(duì)物體產(chǎn)生的壓覺、力覺、滑動(dòng)感覺和重力感覺，來(lái)從事更高級(jí)的工作。本文以內(nèi)燃機(jī)[5]為例，利用標(biāo)記器和傳感器，研究其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程。

1 ?標(biāo)記器和傳感器的特點(diǎn)

標(biāo)記器是我們定義在連桿上的一些坐標(biāo)系，用來(lái)標(biāo)記一些點(diǎn)的位置。具有的特點(diǎn)：①記錄下連桿上某個(gè)點(diǎn)的位移、速度或者加速度;②測(cè)量點(diǎn)的接觸力、彈簧的行程、襯套的屈曲以及其它的動(dòng)態(tài)因子;③監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的位置。

傳感器可以捕捉絕對(duì)或者相對(duì)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果數(shù)據(jù)（位移、速度、加速度或者力）。其特點(diǎn)：①可以在一個(gè)標(biāo)記器或者運(yùn)動(dòng)副上或者相對(duì)其它的移動(dòng)的或者固定的標(biāo)記器;②可以使用于一個(gè)函數(shù)中;③可以直接打印成圖表;④可以使用一個(gè)閉環(huán)信號(hào)圖表來(lái)控制電機(jī)的電壓。例如位移傳感器可以監(jiān)測(cè)兩個(gè)標(biāo)記器的線性距離，當(dāng)標(biāo)記器進(jìn)入指定距離后，傳感器被觸發(fā)，然后會(huì)發(fā)出一個(gè)新的電壓信號(hào)給電機(jī)。綜合標(biāo)記器和傳感器的特點(diǎn)來(lái)看，標(biāo)記器一般要配合傳感器使用。

2 ?if函數(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)仿真中的if函數(shù)：IF（Expression1： Expression2， Expression3， Expression4）

其含義：

If the value of Expression1<0，IF calculates and returns the value of Expression2.

If the value of Expression1=0，IF calculates and returns the value of Expression3.

If the value of Expression1>0，IF calculates and returns the value of Expression4.

If函數(shù)即為如果函數(shù)，Expression1是自變量，Expression2， Expression3， Expression4是結(jié)果值。如果自變量小于零，結(jié)果取2;如果自變量等于零，結(jié)果取3;如果自變量大于零，結(jié)果取4。

3 ?內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)[6，7]

內(nèi)燃機(jī)的原動(dòng)力是燃料，通過燃料的點(diǎn)燃，產(chǎn)生瞬間的爆發(fā)力，為曲柄連桿機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力[8]，由于運(yùn)動(dòng)缸里的活塞在燃料點(diǎn)燃時(shí)運(yùn)動(dòng)快，恢復(fù)時(shí)運(yùn)動(dòng)慢，需要用到if函數(shù)，因?yàn)閺?fù)雜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終輸出的運(yùn)動(dòng)如何，需要配合標(biāo)記器和傳感器來(lái)研究。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主視圖和正等測(cè)視圖如圖1-圖2。

通過活塞的運(yùn)動(dòng)輸出速度，并結(jié)合兩個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)，來(lái)觀察最終運(yùn)動(dòng)的形式。

4 ?實(shí)現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)

為了研究活塞的速度，需要用標(biāo)記器來(lái)標(biāo)記，在燃料與活塞的接觸面來(lái)標(biāo)記，產(chǎn)生xyz坐標(biāo)系，如圖3，并配合使用傳感器，輸出x方向的速度，如圖4。

給該位置一個(gè)矢量力，如圖5，采用if函數(shù)，如圖6。

If函數(shù)的自變量是標(biāo)記的傳感器在x方向的速度，從圖中可以看出，x的正方向向右（即向前），負(fù)方向向左（即向后）。由內(nèi)燃機(jī)的機(jī)理可知，當(dāng)活塞向x的正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠的是曲柄連桿的慣性力，屬于If the value of Expression1>0，IF calculates and returns the value of Expression4.這種情況，所以e3為0;當(dāng)活塞向x的負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠的是燃料的爆發(fā)力，屬于 If the value of Expression1<0，IF calculates and returns the value of Expression2.屬于這種情況，所以e2有力，給100N。結(jié)果如圖7。

此時(shí)if函數(shù)的意思是傳感器在x的負(fù)方向，加力;在x的正方向沒有力。通過Solution解算，看內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，可以看出，在剛開始時(shí)，力不夠，曲柄不能周轉(zhuǎn)，在if函數(shù)的作用下， x的負(fù)方向繼續(xù)加力，曲柄的可以實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)，且速度原來(lái)越快，小球的張角也是越來(lái)越大。為了監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)仿真的真實(shí)性，輸出圖表來(lái)觀察。如圖8。

從圖表中可以看出剛開始時(shí)，速度的變化不穩(wěn)定，后來(lái)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)。傳感器可以直接輸出圖標(biāo)，來(lái)觀察運(yùn)動(dòng)過程。

5 ?實(shí)現(xiàn)定速巡航運(yùn)動(dòng)

該裝置的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)定速巡航，速度達(dá)到一定時(shí)，保持不變，從小球的位置來(lái)看，即小球的張角達(dá)到了某一位置。此時(shí)便可以使用小球的高度位置進(jìn)行傳感標(biāo)記，當(dāng)小球的位置低于某一位置時(shí)，活塞端需要給力;當(dāng)小球位置等于某一位置時(shí)，活塞端不需要給力;當(dāng)小球位置大于某一位置時(shí)，活塞端也不需要給力。所以該位置需要給if的套現(xiàn)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

采用標(biāo)記器標(biāo)記此時(shí)的位置，并利用投影測(cè)量該位置距離轉(zhuǎn)軸中心的距離為250mm，用傳感器檢測(cè)該位置的位移。此時(shí)if函數(shù)的自變量是該位置與250mm的差值，當(dāng)自變量小于零時(shí)，活塞端需要給力，即活塞端傳感器if函數(shù);當(dāng)自變量等于零和大于零時(shí)，不要給任何力，即為0，如圖10?？梢詫?shí)現(xiàn)定速巡航的運(yùn)動(dòng)，如圖11。

為了更加清楚的表達(dá)活塞的運(yùn)動(dòng)形式，采用圖表直接輸出，可以看出速度剛開始不穩(wěn)定，慢慢加速，最后定速，實(shí)現(xiàn)了定速巡航的運(yùn)動(dòng)，如圖12。

6 ?總結(jié)

UG NX軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，為現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)提供了可靠的依據(jù)。而標(biāo)記器和傳感器的配合使用，更加逼真地模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。

①了解標(biāo)記器和傳感器的特點(diǎn)和使用方法;②認(rèn)識(shí)if函數(shù)并學(xué)習(xí)如何使用該函數(shù)，以及它的套現(xiàn)函數(shù);③利用標(biāo)記器和傳感器，并結(jié)合if函數(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)的加速運(yùn)動(dòng)和定速巡航運(yùn)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李銳.基于UG的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（5）：44-45，48.

[2]安培成.淺析傳感器技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件2018（01）：82-83.

[3]陳玉.傳感器技術(shù)在無(wú)人駕駛汽車中的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2017（21）：81-83.

[4]徐鵬越.傳感器在汽車測(cè)速中的應(yīng)用 [J].中國(guó)新通信， 2018，20（01）：221-222.

[5]于振華.基于UG軟件平臺(tái)的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2010，23（1）：10-11.

[6]張啟城.基于內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（19）：27-28.

[7]馬炳杰，張歡，王志剛.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（02）：32-35.

[8]侯鳳國(guó)，田楊.基于Workbench的某牛頭刨床運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，41（3）：77-78.