一種翻轉結構的仿真實例

張曉寧，尚 書

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

目前在大尺寸觸控面板貼附工藝中豎向貼合方式因其可以有效提升良品率已廣泛為高世代液晶面板偏貼設備所取用，其中液晶玻璃的翻轉機構一般為氣缸驅動，占地面積大，調試不方便。本文基于偏置曲柄滑塊機構的原理，提出一種由電機+絲桿驅動的翻轉機構，該機構可以實現高負載情況下的平穩翻轉，調試方便。該機構通過Solidworks Motion 插件功能進行仿真，可以有效求解電機運行過程中的最高扭矩以及絲桿的受力，從而有助于電機的選型和絲桿壽命的校核。

1 機構簡介及工作原理

圖1所示是一種偏置曲柄滑塊機構，當對機構滑塊部位施加合力Fa時，機構會繞固定鉸鏈處旋轉（圖中箭頭所示）。相應地圖示2 是實際結構，當電機通過同步帶驅動絲桿旋轉時絲母會驅動運動副運動實現玻璃傳輸機構的翻轉。由于伺服電機的速度特性曲線，電機的實際輸出扭矩T 和絲桿推力Fa會隨著壓力角θ 一直在產生變化，如果用傳統的數學手段該兩項數值將很難求解，但如果利用solidworks motion 仿真功能求解這兩個數值就會相對容易得多。

圖1 機構簡圖

2 Solidworks Motion 簡介

Solidworks Motion 是一個虛擬原型機仿真工具，借助在工業動態仿真分析軟件領域占主動地位達25年之久的ADAMS 的強力支持，它可以對復雜的機構進行運動學和動力學仿真，可以得到機構的速度、加速度、作用力等，并通過數據、圖表、動畫等表現出來可以反映機構的運動特性，在物理樣機研制出來之前，就指出其中的錯誤，為結構優化設計提供借鑒和參考。 本文就是利用Solidworks Motion 仿真功能對電機扭矩極值(Tmax)和絲桿推力極值(Famax)進行求解從而合理的選擇電機和絲桿

3 需求定義

（1）能夠實現0～90°的翻轉角度；

（2）要求3 s 左右機構由水平翻轉至豎直狀態。

根據經驗初步選擇絲桿直徑25 mm，導程20 mm，從三維模型中可知滿足0～90°的翻轉角度需要絲桿行程約為510 mm 。

4 仿真環境設置：

4.1 開啟運動仿真插件

在Solidworks2011 版本中motion 功能已經集成在插件中，欲開啟Motion 功能請依次點擊“窗口-插件- 勾選Solidworks Motion”確定(見圖3所示）；點擊界面左下角“運動算例”選擇第二步下拉框中“Motion 分析”。（見圖4所示）（注：此步驟非常重要，有無“Motion 分析”決定是否能夠進行仿真的關鍵）。

圖3 Solidworks 插件選擇框

圖4 Solidworks Motion 分析框

4.2 仿真單位設置

按照圖示5 所示依次點擊“工具-選項-文檔屬性-單位一MMGS”

4.3 開始仿真

圖5 仿真單位設置

上文提到求解機構翻轉時電機的最大扭矩(Tmax)以及絲桿的最大推力（Famax)，可以方便的幫助我們確定電機和絲桿的選擇是否合適。首先先給絲桿添加一個旋轉電動機，根據伺服電機實際速度曲線（圖示6）來輸入電機數據。

按設計要求：t=3 s，加減速時間t0=0.5 s 絲桿導程Pb=20 mm（見圖示7）。

在Solidworks Motion 界面輸入電機速度曲線，完成旋轉電機的設置（見圖示8）。

圖6 伺服電機速度曲線

圖7 電機實際速度曲線

在機構翻轉過程中，機構主要受到重力的影響，為了模擬實際情況，我們需要給機構添加重力。在motion 界面點擊“引力輸入”圖標（見圖示9），在引力輸入界面（見圖示10）對應的重力加速度框內輸入重力加速度數值，這樣就完成了對引力數值和方向的添加。

圖8 旋轉速度/ 時間曲線輸入框

圖9 motion 界面

圖10 引力輸入界面

輸入完成后點擊計算按鈕開始仿真, 仿真完畢后可以根據結果輸出電動機扭矩對時間的曲線以及絲桿推力對時間的曲線，此時可以方便看出Tmax=7.3 Nm(見圖11）；Famax=2200 N（見圖12）。

圖11 電機扭矩T 對時間的曲線

圖12 絲桿推力Fa 對時間的曲線

5 電機選擇以及絲桿校核

5.1 電機選擇

根據圖11選擇三菱HGSR152BJ 1.5kW 帶抱閘伺服電機，電機慣量為18.2×10-4kg·m2

負載慣量比確認：負載慣量按照公式JL=；滾珠絲桿慣量為

其中m 為作用在導軌上的負載質量約為50 kg；Pb為絲桿導程初選20 mm；ρ 為絲桿密度=7900 kg/m3Lb為絲桿長度約為762 mm；Db為絲桿直徑為25 mm

可以得出總負載慣量J=JI+JB=7.37×10-4kg·m2；負載慣量比=7.37/18.2=0.4 倍，遠小于15 倍以內。

5.2 絲母容許負荷和絲桿壽命校核

壽命校核

其中：Ca為絲母動額定負荷10 500 N；fw為負荷系數；Fm為絲桿軸向負荷暫取Famax。

按照絲桿每分鐘往復一次計算得出Lh==20556 h，由于絲桿受力Fa為變力，所以以上壽命是考慮絲桿的最低壽命，實際上遠大于這個值。

6 結束語

應用Solidworks Motion 仿真功能可以方便對各種機構的動力學進行仿真，從而選擇合理的外購件并且優化機械結構，在實際應用中選擇外購件還要與價格和貨期等因素相匹配，只有機構、成本、質量三者得到兼顧才能稱之為優良的設計。

[1]陳超祥 胡其登.Solidworks Motion 運動仿真教程[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]來瞞虔.機械原理教學指南[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3]王穎張維強.基于ADAMS 的偏置曲柄滑塊機構的運動學及動力學仿真[J].科學技術與工程，2010，10(32)：42-45.