一種間歇組合裝置的設(shè)計(jì)及仿真分析

□ 沈小華 □ 楊宗儒 □ 付樂(lè)樂(lè) □ 張志富

武漢理工大學(xué) 智能制造與控制研究所 武漢 430063

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是工科學(xué)院機(jī)械類專業(yè)學(xué)生課程教學(xué)計(jì)劃中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、綜合設(shè)計(jì)與分析能力和創(chuàng)新能力有著重要作用。傳統(tǒng)的機(jī)械類教學(xué)實(shí)驗(yàn)較為固定，缺少設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及研究性實(shí)驗(yàn)，這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定、功能單一，且以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，無(wú)法適應(yīng)高等學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。鑒于以上不足［1］，筆者自主設(shè)計(jì)出一種新型機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考核平臺(tái)，集實(shí)驗(yàn)與考核于一體，設(shè)計(jì)的間歇組合裝置用于多種實(shí)驗(yàn)題板的組合變換，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)仿真分析。

1 整體設(shè)計(jì)及工作原理

本文論述的間歇組合裝置位于筆者設(shè)計(jì)的新型機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考核平臺(tái)內(nèi)部，該裝置主要由槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支座、左框架、右框架等組成。其中實(shí)驗(yàn)題板固定在左、右框架面上，框架由中空鋼管、鋼板焊接連接，槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心軸穿過(guò)左、右框架并通過(guò)深溝球軸承約束在支座上，整機(jī)虛擬樣機(jī)如圖1所示。

▲圖1 間歇組合裝置虛擬樣機(jī)

1.1 槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由槽輪銷、槽輪、從動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪及中心軸等組成［2］，如圖2所示。從動(dòng)齒輪與右框架固連而與中心軸不連接，則從動(dòng)齒輪不隨中心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，槽輪銷帶動(dòng)槽輪作周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，使主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪作間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)左框架轉(zhuǎn)動(dòng)4圈時(shí)，右框架轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的效果，達(dá)到實(shí)驗(yàn)題板隨機(jī)組合的目的。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)題板隨機(jī)組合的功能，考慮到左、右框架轉(zhuǎn)動(dòng)的精確性與自鎖性，采用槽輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。選取4槽的槽輪與傳動(dòng)比為1∶1的齒輪機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方式來(lái)完成裝置間歇組合的功能。槽輪的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 1［3］。

根據(jù)功能需要，確定中心軸的尺寸，依據(jù)其重力的大小可以確定中心軸的受載情況。中心軸受力與相關(guān)尺寸如圖3所示。

▲圖2 槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

▲圖3 中心軸受力圖

表1 槽輪相關(guān)參數(shù)

由平衡條件得：

根據(jù)式（1）可以分別求出支反力FA=231.2 N，F(xiàn)B=228.8 N，由第三強(qiáng)度理論可得合成應(yīng)力：

式中：W為抗彎彈性模量；M為彎矩；T為轉(zhuǎn)矩。

代入C點(diǎn)與E點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到C點(diǎn)及E點(diǎn)處的合成應(yīng)力：

取許用應(yīng)力 ［σ-1］b=55 MPa， 計(jì)算得到：C點(diǎn)軸徑dC≥15.9 mm，E點(diǎn)軸徑 dE≥18.2 mm，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，取：dC=24 mm，dE=30 mm。

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

間歇組合裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的精確度是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能可靠工作的前提，因此對(duì)間歇組合裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制尤為重要。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選擇了光電傳感器作為信號(hào)采集源，為了實(shí)現(xiàn)槽輪每次旋轉(zhuǎn)90°，在對(duì)應(yīng)的槽輪機(jī)構(gòu)上均勻分布地貼上感應(yīng)片。在間歇組合裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，光線經(jīng)感應(yīng)片反射，傳感器感覺(jué)到光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將模擬信號(hào)的變化經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的變化，處理器分析處理后，控制電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)固定角度的精確旋轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。

▲圖4 控制系統(tǒng)控制流程圖

1.3 關(guān)鍵零件加工工藝確定

▲圖5 框架裝配圖

間歇組合裝置的左、右框架加工均先采用激光切割，材料為45號(hào)鋼，在兩個(gè)鋼板中心孔位置用鋼管焊接來(lái)連接，保證機(jī)架旋轉(zhuǎn)同步性。在鋼板4個(gè)頂端先用方鋼采用螺紋連接，然后焊接，保證兩塊鋼板的平行度。加工工藝為：劃線→切割坯料→激光切割→劃線、對(duì)心→焊接→鏜孔、鉆孔→倒角→去毛刺→裝配［4］。框架裝配如圖5所示。

槽輪銷由撥盤、月牙弧品臺(tái)和撥盤銷組成，其中撥盤和月牙弧凸臺(tái)通過(guò)螺紋來(lái)連接，撥盤中心孔與月牙弧凸臺(tái)采用過(guò)渡配合，保證同心度，撥盤銷表面淬火，并與撥盤過(guò)渡配合，材料均為45號(hào)鋼。加工工藝為：車銷坯料→銑銷平面→線切割月牙弧和螺紋間隙孔→劃線→鉆孔→倒角去毛刺→裝配。槽輪銷裝配如圖6所示。

▲圖6 槽輪銷裝配圖

中心軸主要由車削和銑削加工而成，在中心軸中間位置車一段外螺紋，并在裝配框架的時(shí)候在中心軸中間位置旋合上一個(gè)圓螺母并用止動(dòng)墊圈固定，防止左、右框架沿軸線方向移動(dòng)，同時(shí)保證了左、右框架不接觸，也保證了間歇組合裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

2 仿真分析

2.1 間歇組合裝置原理驗(yàn)證

左、右框架間歇式相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)題板隨機(jī)組合的前提，間歇組合裝置利用槽輪-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左、右框架間歇式相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性，采用ADAMS軟件對(duì)間歇組合裝置進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

▲圖7 左框架角速度變化曲線

▲圖8 右框架角速度變化曲線

▲圖9 從動(dòng)齒輪力矩變化圖

▲圖1 0 從動(dòng)齒輪力矩FFT－3D圖

在SolidWorks軟件中建立該裝置3D模型，然后通過(guò)軟件接口導(dǎo)入ADAMS中，在ADAMS中定義部件和運(yùn)動(dòng)副后進(jìn)行仿真，得到左框架角速度變化曲線如圖7所示，右框架角速度變化曲線如圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在前14 s時(shí)間內(nèi)，左框架一直在轉(zhuǎn)動(dòng)而右框架并未運(yùn)動(dòng)。在接近30 s時(shí)右框架角速度又逐漸趨近于0，而左框架角速度接近初始值，驗(yàn)證了裝置具有間歇組合的功能。通過(guò)以上分析，得到的仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本相符，驗(yàn)證了左、右框架間歇式相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的特性，可以滿足實(shí)際工作要求。

2.2 槽輪－齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真驗(yàn)證

對(duì)槽輪－齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，模擬傳動(dòng)過(guò)程中從動(dòng)齒輪的力矩變化和振動(dòng)情況。從動(dòng)齒輪力矩變化如圖9所示，對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到從動(dòng)齒輪力矩 FFT－3D 圖［5］，如圖 10所示。

圖9和圖10分別從時(shí)域和頻域上反映了從動(dòng)齒輪的嚙合特性，從仿真結(jié)果可以看出，在0～5 Hz之間，從動(dòng)齒輪振動(dòng)較大，在5 Hz之后，傳動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)可通過(guò)降低轉(zhuǎn)速避開(kāi)0～5 Hz的頻段，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。另外，在前14 s時(shí)間內(nèi)，從動(dòng)齒輪力矩未發(fā)生變化，也驗(yàn)證了該裝置間歇組合的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)開(kāi)發(fā)的新型機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考核平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)題板組合變換的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)了一種由單個(gè)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)的間歇組合裝置。對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，確定了關(guān)鍵零件的加工工藝，對(duì)槽輪－齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真并進(jìn)行快速傅里葉變換，確保裝置工作的穩(wěn)定性，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，能夠完成運(yùn)動(dòng)要求。

［1］ 裴立德，張大玉，陳家垅，等.綜合型實(shí)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，18（6）：4－6.

［2］ 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理（第 7 版）［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

［4］ 彭文生，黃花梁，王均榮，等.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，2000.

［5］ 郭術(shù)義，楊杰.基于ADAMS的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2007，34（6）：50－51.