基于UG的時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

賀曉華，王培林，蘇磊，張燦升

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 柳州 545006；2.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 龍巖 364021；3.福建致尚生物質(zhì)材料發(fā)展有限公司，福建 龍巖 364012）

基于UG的時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

賀曉華1，王培林2，蘇磊1，張燦升3

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 柳州 545006；2.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，福建 龍巖 364021；3.福建致尚生物質(zhì)材料發(fā)展有限公司，福建 龍巖 364012）

采用UG NX6的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，根據(jù)甘蔗自動捆扎機(jī)的動作時(shí)序要求，完成了不完全齒輪的修齒位置確定和多軸間歇運(yùn)動的傳動路線分配，利用UG自帶的adams運(yùn)動仿真模塊進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)；運(yùn)動仿真；間歇傳動

1　引言

甘蔗自動捆扎機(jī)的工作分為定量下料、抱緊、送線和打結(jié)四個(gè)步驟。這四個(gè)步驟在一個(gè)捆扎工作周期內(nèi)的不同時(shí)間段依次動作，而且相互之間有不同的重疊時(shí)間，從而完成一次完整的甘蔗定量捆扎。分析其運(yùn)動本質(zhì)，這是由多個(gè)間歇運(yùn)動按特定時(shí)序組合而實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動。由于甘蔗自動捆扎機(jī)采用柴油機(jī)作為動力源，因此在采用不完全齒輪—完全齒輪傳動副實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜運(yùn)動時(shí)，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是不完全齒輪的修齒位置的確定，二是單一連續(xù)運(yùn)動對多軸間歇運(yùn)動的傳動路線的分配。傳統(tǒng)上解決這兩個(gè)問題需要繁瑣的試算和反復(fù)的作圖推敲，通過運(yùn)用UG軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可以巧妙地快速完成上述設(shè)計(jì)。

2　時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1間歇傳動總體設(shè)計(jì)

甘蔗自動捆扎機(jī)如圖1所示，包括下料機(jī)構(gòu)、抱緊機(jī)構(gòu)、送線機(jī)構(gòu)和打結(jié)機(jī)構(gòu)四個(gè)功能部分。這四部分分別由四根驅(qū)動軸驅(qū)動，每根軸旋轉(zhuǎn)一周，則完成一個(gè)動作。整個(gè)捆扎機(jī)按照一定的時(shí)序要求依次完成定量下料、甘蔗抱緊、送線、打結(jié)成捆等動作，實(shí)現(xiàn)甘蔗的自動捆扎。甘蔗自動捆扎機(jī)的動作時(shí)序如圖2所示。

甘蔗自動捆扎機(jī)的動力輸入采用柴油機(jī)，為單一連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，輸出為多個(gè)間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，常規(guī)的凸輪、槽輪機(jī)構(gòu)均不能有效實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動組合。經(jīng)過綜合考慮，采用不完全齒輪—完全齒輪傳傳動副可較好地實(shí)現(xiàn)這一功能。不完全齒輪—完全齒輪傳傳動副可以方便的實(shí)現(xiàn)各種間歇比，只要根據(jù)運(yùn)動周期和各間歇運(yùn)動的時(shí)間比，就可分別確定完全齒輪的齒數(shù)以及各不完全齒輪的齒數(shù)。通過分別與完全齒輪和不完全齒輪固裝的鎖止弧凹凸弧段的配合，可保證輸出軸的可靠鎖止。通過改變不完全齒輪之間相對的初始位置，可以獲得所需要的時(shí)序分配。帶鎖止弧的不完全齒輪—完全齒輪傳動副如圖3所示。[1][2]

圖1　甘蔗自動捆扎機(jī)示意圖

圖2　甘蔗自動捆扎機(jī)時(shí)序分配圖

圖3　帶鎖止弧的不完全齒輪—完全齒輪傳動副

2.2不完全齒輪修齒位置的確定

由于齒輪傳動的重合度大于1，因此要想得到較為精確的間歇比，需要對不完全齒輪進(jìn)行修齒處理。傳統(tǒng)上進(jìn)行修齒需要先對實(shí)際嚙合線進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果手工確定修齒位置，非常繁瑣。由傳動要求可知，輸入軸轉(zhuǎn)過某一角度，輸出軸旋轉(zhuǎn)一周。如果能分別確定不完全齒輪—完全齒輪的初始嚙合位置和終了嚙合位置，就可以根據(jù)嚙合齒的相對位置快速找到修齒位置。借助于UG的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可以較為方便的解決這個(gè)問題。在UG中首先按照不完全齒輪與完全齒輪嚙合的開始狀態(tài)把兩個(gè)齒輪裝配好，然后固定不完全齒輪，再按照不完全齒輪與完全齒輪嚙合的結(jié)束狀態(tài)裝配一次。把這兩次裝配的狀態(tài)投影到草圖中，用輸出軸完全齒輪的齒頂圓截去嚙合結(jié)束狀態(tài)下輸入軸不完全齒輪的重疊部分，即可計(jì)算出不完全齒輪輪上所需的齒數(shù)，并對末齒進(jìn)行修齒以滿足嚙合關(guān)系，如圖4所示。[3][4]

圖4　不完全齒輪修齒位置的確定

2.3時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)傳動路線的分配

把每一個(gè)間歇運(yùn)動的不完全齒輪都設(shè)計(jì)好之后，就需要設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)間歇運(yùn)動組合的傳動路線了。在設(shè)計(jì)中，除了輸出軸的位置是已知之外，其余所有的傳動軸位置都可能有多個(gè)解，利用UG草圖的參數(shù)化功能可以快速獲得較好的設(shè)計(jì)結(jié)果。首先在草圖中畫出輸出軸的位置，然后根據(jù)不完全齒輪—完全齒輪的軸心距畫圓確定完全齒輪的軸心范圍，再根據(jù)邊界以及軸心相互之間的距離初步確定各完全齒輪軸的軸心位置如圖5所示。

圖5　初定完全齒輪軸的位置

在各個(gè)完全齒輪軸的軸心位置畫上完全齒輪的分度圓，根據(jù)各分度圓之間的距離選取一個(gè)合適的傳動齒輪尺寸，按照傳動關(guān)系分別施加約束，則各分度圓會自動按照約束關(guān)系調(diào)整各自的位置，調(diào)整傳動齒輪的尺寸以消除各分度圓與軸的干涉，最終就可以獲得較為滿意的時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)傳動路線。最終的傳動路線如圖6所示。

圖6　時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)傳動路線

根據(jù)確定好的傳動路線如圖分別進(jìn)行軸、軸承、彈簧擋圈等零部件的實(shí)體建模、裝配，最終完成時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7　時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)

3　時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

進(jìn)入U(xiǎn)G自帶的adams運(yùn)動仿真模塊，添加質(zhì)量屬性、運(yùn)動副、約束等仿真要素，對時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)的輸入齒輪軸添加驅(qū)動，設(shè)置角速度為12.0d*time，解算后進(jìn)入后處理即可查看仿真曲線。[5]圖8為抱緊前擋頂點(diǎn)的Y方向位移曲線。圖9為四個(gè)輸出從動輪軸的角速度曲線。

圖8　抱緊前擋頂點(diǎn)的Y方向位移曲線

在圖8中，抱緊前檔運(yùn)動時(shí)長20S,停止時(shí)長10S,其中運(yùn)動過程包括8S的放松行程和12S的抱緊行程。這表明抱緊前檔實(shí)現(xiàn)了間歇運(yùn)動，且具有滿足抱緊甘蔗所需的急回特性。從圖9可知，下料輸出軸轉(zhuǎn)動時(shí)間為4S-9S，轉(zhuǎn)動角速度為720/S左右；抱緊前檔輸出軸轉(zhuǎn)動時(shí)間為0S-12S和22S-30S，轉(zhuǎn)動角速度為180/S；送線輸出軸轉(zhuǎn)動時(shí)間為10S-22S，轉(zhuǎn)動角速度為300/S；打結(jié)輸出軸轉(zhuǎn)動時(shí)間為16S-21S，轉(zhuǎn)動角速度為720/S。這些數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)預(yù)期相一致，說明設(shè)計(jì)取得了較好的結(jié)果。

圖9　輸出從動輪軸的角速度曲線

4　結(jié)論

運(yùn)用UG的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，通過施加不同的約束來模擬傳動的不同狀態(tài)，從而方便的實(shí)現(xiàn)了不完全齒輪的修齒和時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)的傳動路線設(shè)計(jì)。運(yùn)動仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了所需的運(yùn)動，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該時(shí)序分配間歇傳動機(jī)構(gòu)已獲得國家專利，填補(bǔ)了甘蔗收獲機(jī)械在該領(lǐng)域的空白。

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]董愛軍.不完全齒輪機(jī)構(gòu)中鎖止弧的可靠設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002(3)：41-45.

[3]楚登科，范祥聰.NX草圖分析在制動踏板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014(15)：35-37.

[4]張英，安占軍.基于NX草圖建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].CAD/CAM與制造與信息化，2012(3)：47-49.

[5]鄭凱，胡仁喜，陳鹿民.ADAMS 2005機(jī)械設(shè)計(jì)高級應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：季 平）

Design and Simulation of sequential intermittent motion mechanism based on UG

HE Xiao-hua1,WANG Pei-lin2,SU Lei1,ZHANG Can-sheng3
(1.Department of mechanical,engineering,LiuZhou Vocational and Technical College,GuangXi LiuZhou 545006,China; 2.Department of mechanical engineering,Minxi Vocational and Technical College,FuJian Longyan, 364021,China; 3.Fujian Zhishang Biomass Materials CO.,Ltd,FuJian Longyan,364012,China)

Using parametric design function of UG NX6,according to the requirements of sugarcane automatic strapping machine action sequence,ascertained the position of trimming incomplete gear and assigned the transmission path of multi-axis intermittent motion.using Adams motion simulation module of UG,simulated the intermittent motion.simulation results show that the design result has achieved the anticipated target.

Parametric design；Motion simulation；intermittent motion

TH132.41；TP391.92

A

1673-1417（2015）01-0017-06

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2015.01.0004

2015-01-20

賀曉華（1972-），男，湖南衡南人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械CAD/CAE、機(jī)電一體化教學(xué)科研工作。