自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)

馬正鵬，文 萍，潘秀石，劉 勇，屠晶晶

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

在進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，為了能驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性和可行性，通常都需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。在采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與仿真已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助工程分析中不可缺少的環(huán)節(jié)，成為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的必經(jīng)過程[1]。UG/Motion模塊提供了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和分析的功能。

所謂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)就是借助三維綜合性軟件建立起來(lái)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，用戶通過對(duì)機(jī)構(gòu)定義連桿、添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器、彈簧、阻尼器及添加作用力等，使機(jī)構(gòu)的數(shù)字模型能跟現(xiàn)實(shí)中的機(jī)構(gòu)一樣運(yùn)動(dòng)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。此外，通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的解算就可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、運(yùn)動(dòng)干涉及受力等情況進(jìn)行分析，以達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的[2]。本文以高端CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX為設(shè)計(jì)平臺(tái)，分析自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法思路清晰，方法簡(jiǎn)單。

1 自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的工作原理

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)物料的定量分裝功能(見圖1)。不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)齒輪、花鍵軸及上物料盤間隙轉(zhuǎn)動(dòng)，上物料盤上有2個(gè)物料桶，下物料盤的物料桶套在上物料盤的物料桶上，下物料盤可以隨著上物料盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)齒輪可以帶動(dòng)齒條叉架在機(jī)架中上下移動(dòng)，齒條叉架通過支叉可以帶動(dòng)下物料盤在花鍵軸上移動(dòng)，以調(diào)節(jié)兩物料盤上物料桶所圍成容積的大小。下物料盤上物料桶的下端裝有物料蓋，物料蓋可以擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)物料桶的開關(guān)。需要分裝的物料從物料進(jìn)口進(jìn)入，物料盤旋轉(zhuǎn)180°后，再?gòu)奈锪铣隹谛冻觥Ｎ锪仙w的開關(guān)動(dòng)作由齒條叉架上的空間凸輪控制。

2 創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方案

運(yùn)動(dòng)分析方案是創(chuàng)建進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵，運(yùn)動(dòng)分析方案的創(chuàng)建分為3個(gè)步驟：創(chuàng)建連桿，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。在UG NX中設(shè)計(jì)好機(jī)構(gòu)的三維模型后，啟動(dòng)UG NX/Motion(運(yùn)動(dòng)仿真)模塊，新建動(dòng)力學(xué)仿真，分析類型選擇為“動(dòng)力學(xué)”，取消“基于組件的仿真”選項(xiàng)。

2.1 連桿的創(chuàng)建

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程中，連桿代表了機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)件，所有的運(yùn)動(dòng)件都必須創(chuàng)建為連桿。每個(gè)連桿的創(chuàng)建包括定義連桿對(duì)象、質(zhì)量屬性、慣性矩、初始運(yùn)動(dòng)等。本例中共定義8個(gè)連桿，分別為L(zhǎng)001、L002、L003、L004、L005、L006、L007、L008，其中，L001定義為機(jī)架，為固定件。L002為不完全齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)齒輪。L003為不完全齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)齒輪，一體運(yùn)動(dòng)還包括花鍵軸、上物料盤、端蓋、螺釘及齒輪內(nèi)平鍵等。L004為調(diào)節(jié)齒輪。L005為帶有凸輪的齒條叉架零件。L006為下物料盤。L007、L008為物料蓋。如圖2所示。

1—機(jī)架；2—不完全齒輪機(jī)構(gòu)；3—花鍵軸；4—物料蓋；5—下物料盤；6—上物料盤；7—齒條叉架；8—調(diào)節(jié)齒輪齒條機(jī)構(gòu)。

圖2 定義機(jī)構(gòu)連桿Figure 2 Definition of mechanism link

2.2 運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

運(yùn)動(dòng)副是將機(jī)構(gòu)中連桿連接在一起，從而使連桿一起運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副具有允許所需運(yùn)動(dòng)和限制不要運(yùn)動(dòng)的雙重作用[3]。本例機(jī)構(gòu)中共定義了11個(gè)運(yùn)動(dòng)副和3個(gè)接觸連接，其中J001是與地固定運(yùn)動(dòng)副。J002、J003、J004分別為L(zhǎng)002、L003、L004與L001之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副；J005為L(zhǎng)005與L001之間的移動(dòng)副；J006為L(zhǎng)006與L003之間的移動(dòng)副，設(shè)置嚙合桿；J007是齒輪齒條副，分別選擇移動(dòng)副J005和轉(zhuǎn)動(dòng)副J004，設(shè)置比率(銷半徑)為32(見圖3)；J008為L(zhǎng)006與L005之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，設(shè)置嚙合桿；J009和J010分別為L(zhǎng)008、L007與L006之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，設(shè)置嚙合桿；J011為L(zhǎng)003與L006之間的移動(dòng)副；G001為L(zhǎng)002與L003之間的3D接觸連接；G002、G003分別為L(zhǎng)007、L008與L005之間的3D接觸連接。

圖3 定義齒輪齒條副Figure 3 Definition of gear and rack pair

圖4 解算方案Figure 4 Calculation scheme

2.3 定義運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是賦予運(yùn)動(dòng)副上控制運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，其中常用的是常規(guī)驅(qū)動(dòng)。常規(guī)驅(qū)動(dòng)是基于時(shí)間的一種運(yùn)動(dòng)形式，即機(jī)構(gòu)在指定的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，共有5種類型。

1)無(wú)：沒有外加驅(qū)動(dòng)。

2)恒定：設(shè)置運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)或移動(dòng))為恒定狀態(tài)。

3)簡(jiǎn)諧：產(chǎn)生一個(gè)光滑的周期性正弦運(yùn)動(dòng)。

4)函數(shù)：使用XY函數(shù)編輯器定義的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)方程。

5)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置某一運(yùn)動(dòng)副以特定的步長(zhǎng) (旋轉(zhuǎn)或線性位移 )和特定的步數(shù)運(yùn)動(dòng)[4]。初步規(guī)劃仿真時(shí)間為50 s，由于機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)仿真過程中有調(diào)整運(yùn)動(dòng)，所以在不完全齒輪機(jī)構(gòu)中主動(dòng)齒輪L002驅(qū)動(dòng)采用函數(shù)方式驅(qū)動(dòng)，具體函數(shù)為：(STEP(x，0，0，0.001，1)+STEP(x，20，0，20.000 1，-1))×36+(STEP(x，30，0，30.001，1)+STEP(x，49.999 9，0，50，-1))×36，表示為：連桿L002，在0～20 s轉(zhuǎn)速為36°/s，20～30 s轉(zhuǎn)速為0°/s，30～50 s轉(zhuǎn)速為36°/s。調(diào)節(jié)齒輪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：(STEP(x，22.5，0，22.500 1，1)+STEP(x，27.5，0，22.500 1，-1))×3，表示為：22.5～27.5 s調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速為3°/s。

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真

UG運(yùn)動(dòng)仿真的核心是ADAMS解算。進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)需要輸入時(shí)間和步數(shù)2個(gè)參數(shù)，設(shè)置機(jī)構(gòu)解算方案中時(shí)間為50 s，步數(shù)為2 500步(見圖4)。解算完成后，就可以用動(dòng)畫的形式表現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案過程，仿真過程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)圖Figure 5 Motion diagram of automatic material quantitative packaging mechanism

2.5 生成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫

為了便于展示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況可以將運(yùn)動(dòng)仿真過程生成運(yùn)動(dòng)視頻，操作如下：在完成解算計(jì)算后觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程無(wú)誤后點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)控制工具欄按鈕中的“導(dǎo)出至電影”功能按鈕，設(shè)置視頻存儲(chǔ)位置，確定完成視頻的生成。

3 結(jié)語(yǔ)

在UG軟件完成機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)后，應(yīng)用軟件的運(yùn)行仿真模塊通過創(chuàng)建連桿，建立連桿之間的運(yùn)動(dòng)副和連接副的關(guān)系，再通過函數(shù)的方式分段驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪和調(diào)節(jié)齒輪的分段間隙運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)正常工作和調(diào)整物料分裝量動(dòng)作的分時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真的動(dòng)畫結(jié)果表明，該自動(dòng)物料定量分裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了所需要的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。