基于PRO/E的陶瓷零件快速成型機的仿真設計

2011-02-20 00:54:36高東強

陜西科技大學學報 2011年5期

關鍵詞：分析

張菲, 高東強

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 引言

機械產品的運動分析和仿真已經成為計算機輔助工程(CAE)中不可缺少的重要環節，同時也成為機械設計的必經過程.進行機械產品設計時，通常要進行機構的運動分析，以此來驗證機構設計的合理性和可行性.對于尚處于設計階段的產品來說，產品可裝配性的好壞,最經濟直觀的是在計算機上仿真產品的實際裝配和運動過程，進行生動直觀的產品預裝配、干涉檢測以及產品運動協調性的驗證，以檢查各零部件與裝配有關的問題而不需要設計者做出物理樣機.三維設計軟件Pro/Engineer 2001是美國PTC(美國參數技術公司)推出的一款CAD/CAM/CA一體化軟件.

圖1 Pro/E仿真流程圖

Pro/E的運動仿真與動態分析功能集成在“機構”模塊中，包括Mechanism Design(機械設計)和Mechanism Dynamics(機械動態)兩個方面的分析功能[1].使用“機械設計”分析功能相當于進行機械運動仿真，包括創建某種機構、定義特定運動副、創建能使其運動起來的伺服電動機，實現機構的運動模擬，還可以通過觀察與記錄分析測量諸如位置、速度、加速度等運動特征，并可以通過圖形直觀地顯示這些測量量、創建軌跡曲線和運動包絡，用物理方法描述運動.

根據所設計陶瓷快速成型機的工作原理，作者利用Pro/E建模以及仿真其運動，使其完整的運動得以展示，有助于對其運動的直觀理解，并可在此基礎上分析其運動規律，提出更好的優化設計方法.

1 利用Pro/E進行仿真的設計過程

利用Pro/E進行仿真的設計過程主要可以分為兩個步驟：一是定義一個機構，二是使其運動.其過程如圖1所示[2].

2 三維實體模型的建立與虛擬裝配

裝入元件時有兩種方式：接頭連接與約束連接.向組件中增加元件時，會彈出“元件放置”窗口，此窗口有3個頁面：“放置”、“移動”、“連接”.傳統的裝配元件方法是在“放置”頁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動分析(基體除外).另一種裝配元件的方法是在“連接”頁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，因自由度沒有完全消除(剛體、焊接、常規除外)，元件可以自由移動或旋轉，這樣裝配的元件可用于運動分析.接頭連接所用的約束都是能實現特定運動(含固定)的組合約束，包括：銷釘、圓柱、滑動桿、軸承、平面、球、6DOF、常規、剛性、焊接，共10種.在具體實現鋪料機構的運動仿真之前，需要建立運動模型和設置運動環境，包括建立連接、連接軸設置、運動副、伺服電機以及電機運行的時間序列.這里用到的連接主要是銷釘聯接(Pin)、圓柱連接(Cyl2inder)、齒輪連接(Gear).譬如，水平絲杠與機架、豎直絲杠與機架等采用銷釘連接.料斗裝置中由電機帶動齒輪傳動使得攪拌軸轉動，因此這里要用到齒輪運動副(GearPairs)，在設置齒輪運動副的時候要注意選擇齒輪相對固定體(Ground)設置的連接，否則很難實現齒輪的正確運動，伺服電機主要設置為基于銷釘聯接的勻速圓周運動，在設置好這些環境之后就可以實現機構的運動仿真[3，4].圖2為鋪料機構的整機爆炸圖.

圖2 鋪料機構爆炸圖

圖3 鋪料機各零件圖

陶瓷快速成型機鋪料機構需滿足以下運動要求： (1)絲杠驅動料斗裝置沿導軌的x向正反向移動； (2)絲杠驅動料斗裝置沿導軌的z向正反向移動； (3)料斗裝置的攪拌機構用來攪拌漿料.

因鋪料機構的零件較多，且配合精確，建立模型時，應兼顧零件尺寸及裝配尺寸，以免在后續裝配過程中造成干涉.建立好零件模型后，分析鋪料機構的組成模塊，分別先對各組成模塊進行虛擬裝配.根據設計，該鋪料機構分為水平裝置、升降裝置、料斗裝置以及其他周邊設施，按照如上分類，先建立各個模塊的裝配文件，最后按照整體順序插入安裝.所建立鋪料機構各分支模塊如圖4所示.

圖4 鋪料機構各模塊分解圖

建立好各大模塊后，將其按照順序整體裝配，因后續要涉及到仿真操作，因此整機裝配過程中需設定各個零件的裝配關系.以裝配圖4中的(c)與(d)模塊為例展開描述.首先分析二者之間的運動關系，根據要求，模塊(d)需要沿著模塊(c)在x方向運動，為螺母絲杠連接裝配.先導入模塊(c)完成其裝配，之后導入模塊(d)，導入設置操作中可以看到如圖5所示的幾種約束關系.然后開始選擇各約束，第一個為“圓柱”約束關系，即螺母可以沿著絲杠做直線運動，選擇好約束關系之后，設置各參照；第二個為“槽”約束關系，即螺母上的點沿著螺紋旋轉運動，同上設置各參數，槽連接時所選擇的參照分別為絲杠的內螺紋以及螺母外螺紋上的點.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動了，但料斗的位置還沒有約束，加入驅動后，料斗整體便會繞著絲杠回轉，因此此時還需再額外定義一個約束，可選擇“常規”約束關系，設定料斗的導軌槽與模塊(c)或者(a)的導軌之間的面為參照，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.料斗裝置的裝配結果如圖6所示.

圖5 料斗裝置裝配參數設置圖6 料斗裝置裝配結果

3 仿真設計

在將零件裝配完之后，就要進行仿真過程的設計，主要包括以下步驟[7]：

(1)機構運動參數的設置.鋪料機構裝配完并確定下來后,進入機構模塊,通過“插入→ 伺服電動機”創建驅動器,定義輸入載荷.通過“分析→機構分析→分析定義”設置仿真運動參數,從而完成鋪料機構運動模型的參數設置.為了使模型能真實反映實際機構的運動規律,必須精確地描述驅動件的運動規律.

(2)運動仿真過程.運動模型的參數設置后, 即可進行機構的運動仿真.通過運行“機構分析”,即可將仿真結果以動畫形式在屏幕上顯示.如果執行“軌跡曲線”命令,還可得到機構運動軌跡的仿真結果.

(3)干涉檢查.干涉檢查的目的是分析機構可能出現的運動干涉及“死點”位置.利用Pro/E自動檢查各部件在運動過程中的干涉問題,不僅準確,而且效率高, 使得干涉問題在設計過程中就能得到有效解決.通過干涉檢查,對發現出現干涉的部位,可以通過修改對應零部件特征的方法,逐一予以解決.

(4)結果分析.運動學分析的目的是通過考察各零部件的相對運動狀態,檢驗機構是否發生干涉并考察和評價系統的速度和加速度特征,其主要研究內容是機構的位置、速度和加速度分析.仿真分析有助于分析運動時產生的結果,并能提供相應的改進信息.

按照以上仿真步驟分別設定參數，該機構需完成漿料攪拌、料斗水平往復運動、鋪料臺垂直往復運動等3大運動，按照要求需要3個獨立電機來達到運動要求，依次定義各個電機的參數(如圖7(2)、7(3)所示)，最后得到如圖7(1)所示的電動機列表.設定完電機之后，即可開始運動分析定義操作，如圖7(4)所示.因為是多個電機的配合運動，這里需要設定各電機的運動以及終止時間[8,9].

圖7 電機參數設置

按照運動順序，第一步，料斗裝置開始沿絲杠運動在鋪料臺上鋪石蠟漿料，鋪設完畢后料斗復位；第二步，等待石蠟漿料冷卻，當石蠟凝固符合雕刻要求時，雕刻機裝置按照分層的圖形開始準備雕刻石蠟成型，雕刻結束后雕刻機復位；第三步，料斗裝置沿絲杠運動在先前的石蠟層上鋪設陶瓷漿料，從而使得漿料填補到在石蠟上雕刻的槽，鋪料結束后料斗復位，停止鋪料；第四步，電機驅動絲杠帶動鋪料臺沿著z方向向下移動預設高度，運動到位后再由鋪料裝置配合雕刻裝置完成下一層的雕刻，如此反復直至分層加工結束.根據如上的運動過程，以完成一層的雕刻加工為例，3個電機的運動時間順序為控制攪拌軸運動的電機自始至終都要開啟，然后，控制料斗鋪料運動的水平電機正反轉完成鋪料工序，隨后，控制鋪料臺運動的電機正轉驅動鋪料臺降低一定高度.

已知參數：所選電機型號為57BYG096型步進電機，空載啟動轉速n=360 r/min；水平絲杠的螺紋長度為L1=340 mm，螺距為S1=4 mm，垂直絲杠的螺紋長度為L2=80 mm，螺距為S2=2 mm.

(1)由電機的轉速可知轉一圈所需時間

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

(1)

則料斗一個往復的時間為

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的設定時間為0～28 s，Serve Motor 2的設定時間為開始到終止.

(2)設定某工件加工的分層厚度為L2=2 mm，也即當上一次的分層圖形雕刻完畢之后，鋪料臺要向下移動2 mm.

T3=L2/S2×T1=2/2×1/6≈1/6 s

(3)

根據計算結果，則Serve Motor 3的設定時間為28～28.167 s. 時間設定完畢之后，就可以進行仿真了，通過仿真動畫可以了解到機構運動的整個過程，真實地反映了該成型運動，為分析其運動提供參考.

4 結束語

由于此新型陶瓷快速成型機正處在研制設計階段，通過應用Pro/E進行虛擬裝配和運動仿真，可以更直觀地對其進行干涉檢測以及進行各部件之間的間隙調整.與通過樣機實驗反饋相比，可以大大縮短設備的設計研發周期，降低產品生產成本，為設計提供了一個有效的開發途徑.

參考文獻

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