曲柄凸輪壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的仿真分析

毛禮平+王曉寧+劉軍

摘 要：文章通過對現(xiàn)有的壓力機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計了曲柄凸輪機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，并利用Solidworks軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過該軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，得到機(jī)構(gòu)組成部分的運動數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)可以了解機(jī)構(gòu)組成部分的運動特性，并為優(yōu)化壓力機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計提供重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：曲柄機(jī)構(gòu)；壓力機(jī)；Solidworks；仿真分析

引言

壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)類型有很多種，根據(jù)壓力機(jī)的傳動方式、產(chǎn)生壓力的方法、結(jié)構(gòu)形式及使用性質(zhì)的不同，壓力機(jī)的分類也不同。目前常用的壓力機(jī)主要有：曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、多工位自動壓力機(jī)、沖壓液壓壓力機(jī)、沖模回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、高速壓力機(jī)、高速沖載壓力機(jī)和電磁壓力機(jī)。

曲柄壓力機(jī)是機(jī)械加工中常用的材料成形設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式多樣。普通的曲柄壓力機(jī)構(gòu)主要用于生產(chǎn)沖壓件，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)獲得滑塊的直線往復(fù)運動，利用沖模使 料成形從而獲得所需的產(chǎn)品。曲柄壓力機(jī)動作平穩(wěn)，工作可靠，可完成沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等工藝。廣泛運用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)、電子儀表工業(yè)等領(lǐng)域。文章所提及的曲柄凸輪壓力機(jī)是在普通曲柄壓力機(jī)的基礎(chǔ)上作了一定的演化，即增設(shè)了凸輪機(jī)構(gòu)。

曲柄凸輪機(jī)構(gòu)作為本型壓力機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，對其運動特性進(jìn)行分析是壓力機(jī)設(shè)計的重要內(nèi)容。文章采用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，利用Motion對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析，為壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 機(jī)構(gòu)建模

1.1 壓力機(jī)機(jī)構(gòu)分析

本型壓力機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)組成，其工作原理為：通過傳功系統(tǒng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為沖頭的直線往復(fù)運動。機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1所示，幾何參數(shù)如下：其中OA為曲柄，OA=5；AB為擺桿，AB=50；BC為滑桿，BC=60；CD為連桿，CD=（137.5～162.5）；DE為沖頭，DE=130；構(gòu)件1為主動齒輪r1=96、m=2、z1=48構(gòu)件6為從動齒輪r2=96、m=2、z2=48。其中沖頭的行程S=54。

1.2 三維建模

根據(jù)機(jī)構(gòu)運動簡圖，利用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，模型如圖2 所示。

1.3 施加約束

該仿真模型建立時，利用軟件裝配體模塊中的配合工具，使各構(gòu)件組合在一起。其中把固定板在圖中固定起來，其他構(gòu)件設(shè)為浮動。兩齒輪之間采用專有的齒輪約束，使二者聯(lián)系起來；齒輪和傳動軸以及傳動軸和固定板之間采用同心配合，齒輪與固定板之間采用重合約束；各連桿之間以及連桿與鉚釘之間通過同心命令來約束，且連桿與連桿之間采用重合命令來約束，使各構(gòu)件具有確定的相對運動；其中滑桿與沖頭分別與固定機(jī)座采用同心配合以達(dá)到相對運動的要求。

2 仿真分析

2.1 驅(qū)動

該機(jī)構(gòu)通過輸入扭矩來驅(qū)動其完成工作，在Soildworks中馬達(dá)為通過模擬各種馬達(dá)類型的效果而在裝配體中移動零部件的運動算例單元；該機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來完成仿真；為了模仿壓力機(jī)實際工作中的真實情況，本例中設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速N=100r/min。

2.2 運動分析

通過軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)的運動分析，分別繪出了滑塊的位移、速度、加速度曲線如圖3～圖5所示。由圖中可以看出滑塊的運動規(guī)律，當(dāng)滑塊位移達(dá)到最大時，滑塊的加速度達(dá)到反向最大，此時，滑塊的速度為零。

3 結(jié)論

通過Solidworks對本設(shè)計的曲柄凸輪壓力機(jī)進(jìn)行三維建模，利用該軟件的motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，可以快速獲得在特定尺寸下，機(jī)構(gòu)的運動特性，相比于機(jī)構(gòu)分析中常用的圖解法的不精確性和解析法的繁瑣性，利用Solidworks建模能更快、更精準(zhǔn)、更直觀的獲得機(jī)構(gòu)運動運動特性數(shù)據(jù)，并為該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]辛文彤，李志尊.SolidWorks 2012從入門到精通[M].北京：人們郵電出版社，2012.1.

[2]趙罘，龔堰玨，張云杰.SolidWorks從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]李光敏.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2012.2.

[4]郭維林，劉東星.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

作者簡介：毛禮平，男，大連科技學(xué)院。

王曉寧，男，大連科技學(xué)院。

劉軍（1969-），女，遼寧大連人大連科技學(xué)院，副教授，碩士生，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計及機(jī)械CAD。

摘 要：文章通過對現(xiàn)有的壓力機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計了曲柄凸輪機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，并利用Solidworks軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過該軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，得到機(jī)構(gòu)組成部分的運動數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)可以了解機(jī)構(gòu)組成部分的運動特性，并為優(yōu)化壓力機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計提供重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：曲柄機(jī)構(gòu)；壓力機(jī)；Solidworks；仿真分析

引言

壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)類型有很多種，根據(jù)壓力機(jī)的傳動方式、產(chǎn)生壓力的方法、結(jié)構(gòu)形式及使用性質(zhì)的不同，壓力機(jī)的分類也不同。目前常用的壓力機(jī)主要有：曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、多工位自動壓力機(jī)、沖壓液壓壓力機(jī)、沖模回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、高速壓力機(jī)、高速沖載壓力機(jī)和電磁壓力機(jī)。

曲柄壓力機(jī)是機(jī)械加工中常用的材料成形設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式多樣。普通的曲柄壓力機(jī)構(gòu)主要用于生產(chǎn)沖壓件，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)獲得滑塊的直線往復(fù)運動，利用沖模使 料成形從而獲得所需的產(chǎn)品。曲柄壓力機(jī)動作平穩(wěn)，工作可靠，可完成沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等工藝。廣泛運用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)、電子儀表工業(yè)等領(lǐng)域。文章所提及的曲柄凸輪壓力機(jī)是在普通曲柄壓力機(jī)的基礎(chǔ)上作了一定的演化，即增設(shè)了凸輪機(jī)構(gòu)。

曲柄凸輪機(jī)構(gòu)作為本型壓力機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，對其運動特性進(jìn)行分析是壓力機(jī)設(shè)計的重要內(nèi)容。文章采用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，利用Motion對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析，為壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 機(jī)構(gòu)建模

1.1 壓力機(jī)機(jī)構(gòu)分析

本型壓力機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)組成，其工作原理為：通過傳功系統(tǒng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為沖頭的直線往復(fù)運動。機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1所示，幾何參數(shù)如下：其中OA為曲柄，OA=5；AB為擺桿，AB=50；BC為滑桿，BC=60；CD為連桿，CD=（137.5～162.5）；DE為沖頭，DE=130；構(gòu)件1為主動齒輪r1=96、m=2、z1=48構(gòu)件6為從動齒輪r2=96、m=2、z2=48。其中沖頭的行程S=54。

1.2 三維建模

根據(jù)機(jī)構(gòu)運動簡圖，利用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，模型如圖2 所示。

1.3 施加約束

該仿真模型建立時，利用軟件裝配體模塊中的配合工具，使各構(gòu)件組合在一起。其中把固定板在圖中固定起來，其他構(gòu)件設(shè)為浮動。兩齒輪之間采用專有的齒輪約束，使二者聯(lián)系起來；齒輪和傳動軸以及傳動軸和固定板之間采用同心配合，齒輪與固定板之間采用重合約束；各連桿之間以及連桿與鉚釘之間通過同心命令來約束，且連桿與連桿之間采用重合命令來約束，使各構(gòu)件具有確定的相對運動；其中滑桿與沖頭分別與固定機(jī)座采用同心配合以達(dá)到相對運動的要求。

2 仿真分析

2.1 驅(qū)動

該機(jī)構(gòu)通過輸入扭矩來驅(qū)動其完成工作，在Soildworks中馬達(dá)為通過模擬各種馬達(dá)類型的效果而在裝配體中移動零部件的運動算例單元；該機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來完成仿真；為了模仿壓力機(jī)實際工作中的真實情況，本例中設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速N=100r/min。

2.2 運動分析

通過軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)的運動分析，分別繪出了滑塊的位移、速度、加速度曲線如圖3～圖5所示。由圖中可以看出滑塊的運動規(guī)律，當(dāng)滑塊位移達(dá)到最大時，滑塊的加速度達(dá)到反向最大，此時，滑塊的速度為零。

3 結(jié)論

通過Solidworks對本設(shè)計的曲柄凸輪壓力機(jī)進(jìn)行三維建模，利用該軟件的motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，可以快速獲得在特定尺寸下，機(jī)構(gòu)的運動特性，相比于機(jī)構(gòu)分析中常用的圖解法的不精確性和解析法的繁瑣性，利用Solidworks建模能更快、更精準(zhǔn)、更直觀的獲得機(jī)構(gòu)運動運動特性數(shù)據(jù)，并為該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]辛文彤，李志尊.SolidWorks 2012從入門到精通[M].北京：人們郵電出版社，2012.1.

[2]趙罘，龔堰玨，張云杰.SolidWorks從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]李光敏.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2012.2.

[4]郭維林，劉東星.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

作者簡介：毛禮平，男，大連科技學(xué)院。

王曉寧，男，大連科技學(xué)院。

劉軍（1969-），女，遼寧大連人大連科技學(xué)院，副教授，碩士生，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計及機(jī)械CAD。

摘 要：文章通過對現(xiàn)有的壓力機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計了曲柄凸輪機(jī)構(gòu)的壓力機(jī)，并利用Solidworks軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過該軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，得到機(jī)構(gòu)組成部分的運動數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)可以了解機(jī)構(gòu)組成部分的運動特性，并為優(yōu)化壓力機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計提供重要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：曲柄機(jī)構(gòu)；壓力機(jī)；Solidworks；仿真分析

引言

壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)類型有很多種，根據(jù)壓力機(jī)的傳動方式、產(chǎn)生壓力的方法、結(jié)構(gòu)形式及使用性質(zhì)的不同，壓力機(jī)的分類也不同。目前常用的壓力機(jī)主要有：曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、多工位自動壓力機(jī)、沖壓液壓壓力機(jī)、沖模回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、高速壓力機(jī)、高速沖載壓力機(jī)和電磁壓力機(jī)。

曲柄壓力機(jī)是機(jī)械加工中常用的材料成形設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式多樣。普通的曲柄壓力機(jī)構(gòu)主要用于生產(chǎn)沖壓件，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)獲得滑塊的直線往復(fù)運動，利用沖模使 料成形從而獲得所需的產(chǎn)品。曲柄壓力機(jī)動作平穩(wěn)，工作可靠，可完成沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等工藝。廣泛運用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)、電子儀表工業(yè)等領(lǐng)域。文章所提及的曲柄凸輪壓力機(jī)是在普通曲柄壓力機(jī)的基礎(chǔ)上作了一定的演化，即增設(shè)了凸輪機(jī)構(gòu)。

曲柄凸輪機(jī)構(gòu)作為本型壓力機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，對其運動特性進(jìn)行分析是壓力機(jī)設(shè)計的重要內(nèi)容。文章采用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，利用Motion對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析，為壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 機(jī)構(gòu)建模

1.1 壓力機(jī)機(jī)構(gòu)分析

本型壓力機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)組成，其工作原理為：通過傳功系統(tǒng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為沖頭的直線往復(fù)運動。機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖1所示，幾何參數(shù)如下：其中OA為曲柄，OA=5；AB為擺桿，AB=50；BC為滑桿，BC=60；CD為連桿，CD=（137.5～162.5）；DE為沖頭，DE=130；構(gòu)件1為主動齒輪r1=96、m=2、z1=48構(gòu)件6為從動齒輪r2=96、m=2、z2=48。其中沖頭的行程S=54。

1.2 三維建模

根據(jù)機(jī)構(gòu)運動簡圖，利用Solidworks對機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，模型如圖2 所示。

1.3 施加約束

該仿真模型建立時，利用軟件裝配體模塊中的配合工具，使各構(gòu)件組合在一起。其中把固定板在圖中固定起來，其他構(gòu)件設(shè)為浮動。兩齒輪之間采用專有的齒輪約束，使二者聯(lián)系起來；齒輪和傳動軸以及傳動軸和固定板之間采用同心配合，齒輪與固定板之間采用重合約束；各連桿之間以及連桿與鉚釘之間通過同心命令來約束，且連桿與連桿之間采用重合命令來約束，使各構(gòu)件具有確定的相對運動；其中滑桿與沖頭分別與固定機(jī)座采用同心配合以達(dá)到相對運動的要求。

2 仿真分析

2.1 驅(qū)動

該機(jī)構(gòu)通過輸入扭矩來驅(qū)動其完成工作，在Soildworks中馬達(dá)為通過模擬各種馬達(dá)類型的效果而在裝配體中移動零部件的運動算例單元；該機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來完成仿真；為了模仿壓力機(jī)實際工作中的真實情況，本例中設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速N=100r/min。

2.2 運動分析

通過軟件的Motion模塊對機(jī)構(gòu)的運動分析，分別繪出了滑塊的位移、速度、加速度曲線如圖3～圖5所示。由圖中可以看出滑塊的運動規(guī)律，當(dāng)滑塊位移達(dá)到最大時，滑塊的加速度達(dá)到反向最大，此時，滑塊的速度為零。

3 結(jié)論

通過Solidworks對本設(shè)計的曲柄凸輪壓力機(jī)進(jìn)行三維建模，利用該軟件的motion模塊對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動分析，可以快速獲得在特定尺寸下，機(jī)構(gòu)的運動特性，相比于機(jī)構(gòu)分析中常用的圖解法的不精確性和解析法的繁瑣性，利用Solidworks建模能更快、更精準(zhǔn)、更直觀的獲得機(jī)構(gòu)運動運動特性數(shù)據(jù)，并為該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]辛文彤，李志尊.SolidWorks 2012從入門到精通[M].北京：人們郵電出版社，2012.1.

[2]趙罘，龔堰玨，張云杰.SolidWorks從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]李光敏.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2012.2.

[4]郭維林，劉東星.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

作者簡介：毛禮平，男，大連科技學(xué)院。

王曉寧，男，大連科技學(xué)院。

劉軍（1969-），女，遼寧大連人大連科技學(xué)院，副教授，碩士生，研究方向：機(jī)械優(yōu)化設(shè)計及機(jī)械CAD。