基于COSMOS Motion的靶標傳動機構選型分析

朱高貴，王德鑫，唐軍軍

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

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基于COSMOS Motion的靶標傳動機構選型分析

朱高貴，王德鑫，唐軍軍

(南京模擬技術研究所，江蘇南京210016)

基于SolidWorks軟件平臺的COSMOS Motion組件，對兩種靶標傳動機構設計方案進行運動仿真，得到兩方案的運動機構的運行速率、力矩等隨時間變化關系，從而直觀判斷方案的優(yōu)劣，并確定該靶標系統(tǒng)的傳動構型。該仿真方法可為其它相似傳動結構的設計和選型提供借鑒。

靶標 COSMOS Motion 連桿機構 選型 仿真

0 引言

平面四桿機構以結構簡單、構件數(shù)量少等優(yōu)勢在各類機械產(chǎn)品中廣泛地應用[1-3]。但因各運動構件相互影響，常使機構產(chǎn)生的運行軌跡、傳遞的功率、扭矩等參數(shù)表達式復雜，計算、驗證極其繁瑣。在產(chǎn)品研發(fā)周期日趨緊張的形勢下，要在極短時間內(nèi)以傳統(tǒng)的計算方法設計出一個滿足性能要求、計算精確的四桿機構絕非易事。

典型靶標系統(tǒng)是以平面四桿機構作為控制靶板運動的執(zhí)行機構。分別以曲柄搖桿機構和轉(zhuǎn)動導桿機構兩種型式的四桿機構作為某靶標系統(tǒng)執(zhí)行機構的兩種設計方案，需在兩種方案中優(yōu)選一種方案。使用SolidWorks軟件建立兩方案的理論模型，以CosMos Motion組件對兩種方案進行運動仿真，得到的兩種方案的四桿機構運行速率、力矩等變化規(guī)律，優(yōu)選和確定該靶標系統(tǒng)的傳動結構的設計方案，從而最大限度節(jié)約了分析計算的時間，縮短設計周期。

1 傳動機構方案設計

在靶標內(nèi)，四桿機構主要實現(xiàn)傳遞運動、牽引靶板在指定范圍、一定時間內(nèi)動作，如靶板的起倒、搖擺等等。按設計要求，實現(xiàn)該動作的主要結構方式是將靶板部件固結在從動件上，靶板在四桿機構運行平面上的投影通過從動件與機架的鉸鏈軸，使靶板繞軸進行一定角度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。本文采取的四桿機構有兩種方案，如圖1所示，方案1為曲柄搖桿機構，方案2為轉(zhuǎn)動導桿機構。在導桿機構中，導桿與滑塊設計為絲桿-滑動螺母形式實現(xiàn)傳動。在滿足需求的條件下，需要對這兩種機構的運行特性進行比較，分析各自的優(yōu)勢與缺點。

圖1 靶標傳動系統(tǒng)方案

靶標運動設計指標主要有：靶板從平放至豎起轉(zhuǎn)動90°，運行時間不大于0.3 s，機構具有帶動1 m左右高度鋁制靶板的能力，該靶板質(zhì)量約1.5 kg。

按以上要求，結合以往的靶板及靶板夾持機構的設計情況，估計整個靶板部件(包括靶板與夾持機構)質(zhì)量會達到3.5 kg左右，而其平放時的重心在以轉(zhuǎn)軸為原點255 mm的距離上。

圖2 曲柄搖桿機構

以曲柄搖桿機構為例分析靶標傳動機構運動特性。圖2中桿1為主動件，以速度ω1轉(zhuǎn)動。可通過圖解法或解析法求得在任一位置(比如在桿1與桿4夾角為θ的位置)，桿3的角速度ω3，角加速度α3。根據(jù)剛體平面運動方程，桿3受到的力矩M=Jcα3，Jc為桿3及靶板部件的轉(zhuǎn)動慣量，桿3受到的瞬時驅(qū)動功率P=Mω3。由于桿3的角速度和角加速度呈非線性，無論是通過圖解法還是解析方法，要對機構運動全過程進行描述都是一件異常繁瑣的工作，因而要進一步計算運動過程中的平均驅(qū)動功率等數(shù)據(jù)也非常困難。

2 建立理論模型與運動方式設定

為求得所述兩方案的機構運動特性，利用COSMOS Motion組件進行運動仿真[5-8]，以期快速求得結果。

對圖2所示曲柄搖桿機構，各桿長符合Ⅲ型機構，無急回特性[2,4]，以獲得靶板組件起、倒行程時間相等；按靶板轉(zhuǎn)動90°要求，桿1與桿3長度關系l3=1.414l1；l3初設為100 mm，l4設為320 mm。可以求出在極限位置該機構獲得的最小傳動角γ為44°～45°。

圖3 轉(zhuǎn)動導桿機構

對轉(zhuǎn)動導桿機構也做類似編號(圖3)。桿3長度l3設為100 mm，l4設為320 mm，桿3的左右極限位置與桿1夾角均為45°，以獲得與曲柄搖桿機構基本相等的γ角。

在SolidWorks中啟動COSMOS Motion組件，對上述兩機構的運動方式進行設定。

對曲柄搖桿機構方案，軟件將機架識別為靜止零部件，桿1與桿4的鉸接軸識別為第一個旋轉(zhuǎn)副(Revolute)。設定運行環(huán)境，依次設定重力參數(shù)為Z軸負方向、仿真持續(xù)時間為0.6 s，即靶板組件完成一次起倒的時間。為第一個旋轉(zhuǎn)副設定運動，即設定桿1的轉(zhuǎn)速。按照桿3擺動90°時，桿1旋轉(zhuǎn)半圈的關系，可知桿1速度為600°/s。

以上設定完成后，即可分別開始進行仿真，應注意開始時將靶板部件位置調(diào)整為平放的起始位置。

3 結果分析

圖4和圖5為靶板部件運動的角速度、角加速度以及驅(qū)動桿1旋轉(zhuǎn)所需力矩三項參數(shù)合并成的曲線圖。

圖4 曲柄連桿機構運動特性圖

對比兩方案機構運行特性，主要有以下幾點：

1)靶板部件的角加速度變化：曲柄搖桿機構-5 209～8 102°/s2，轉(zhuǎn)動導桿機構為-3 292～2 076°/s2，運行過程中，在從動件(包括兩機構中的桿3及靶板部件)尺寸、質(zhì)量相同的情況下，前者的速度變化較大，因此靶板部件運動產(chǎn)生的慣性力較大，運行平穩(wěn)性不及后者。在起或倒的瞬時，機構對靶板的沖擊較大。

圖5 轉(zhuǎn)動導桿機構運動特性圖

2)靶板部件的角速度變化：曲柄搖桿機構在靶板起、倒行程所用時間相等，即平均速度相等，但除正負號變化外，實際角速度曲線也不相同。在起行程中，速度變化更加不平均。

3)驅(qū)動力矩的變化：兩套機構在旋轉(zhuǎn)力矩(均為綠色)曲線上均有符號跳變的過程，顯然，起始時力矩值的符號無論正負，都是使機構獲得加速度的，即主動件(兩機構中的桿1)功率輸出的表現(xiàn)，正負符號只表示了COSMOS Motion組件對轉(zhuǎn)矩方向的定義；而當力矩值越過零位變號時，理論上在主動件勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，從動件的運行受到阻礙，即表示此時靶板速度已獲得最大值，主動件不再處于功率輸出狀態(tài)。在圖4中0.2 s～0.3 s、0.4 s～0.6 s，圖5中的0.2 s～0.3 s時間段均處于這種狀態(tài)。在計算驅(qū)動功率時，可以不考慮該狀態(tài)段。將力矩曲線數(shù)據(jù)輸出后求出的均值(圖6)，曲柄連桿機構為1 400 kgf·mm，即14 N·m，轉(zhuǎn)動導桿機構為60 N·mm，即0.06 N·m。根據(jù)P=T·ω，可分別計算出兩種機構運行全程的平均功率需求：

曲柄搖桿機構：P=T·ω=146.6 W

轉(zhuǎn)動導桿機構：P=T·ω=44.4 W

另外，機構所需功率的瞬時值可由力矩曲線上的最大值求得，曲柄搖桿機構約200 W，轉(zhuǎn)動導桿機構約240 W。

4 結論

1)從圖6可以看出采用絲桿傳動的轉(zhuǎn)動導桿機構在運行平穩(wěn)性、平均功率等特性上有一定優(yōu)勢。但因峰值功率較高，在設計時需考慮通過調(diào)整啟動速度等手段進行調(diào)整，選擇執(zhí)行元件時也要根據(jù)功率平均值與峰值綜合考慮。

圖6 功率均值

2)機構的選型，除安全性能、尺寸、控制精確度以及成本等因素以外，運動特性的考察是非常重要的環(huán)節(jié)。通過仿真的方法，能夠迅速獲得以往數(shù)值計算方法很難求得的機構全程運動特性參數(shù)，精度也較高，能快速為機構的設計與選型提供重要的理論支撐。

[1] 叢爽，李澤湘．實用運動控制技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

[2] 鄭文緯，吳克堅.機械原理:第七版[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3] 吳宇澤，高志．機械設計[M]．北京：高等教育出版社，2009．

[4] 趙經(jīng)文，王鐸.理論力學:第五版[M].北京：高等教育出版社，1997.

[5] 張晉西，郭學琴.SolidWorks及COSMOS Motion機械仿真設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[6] 李大磊．SolidWorks 2009基礎教程[M]．北京：北京郵電大學出版社,2009．

[7] 詹迪維．SolidWorks產(chǎn)品設計實例精解[M]．北京：機械工業(yè)出版社,2011．

[8] 張忠將．SolidWorks 2011機械設計完全實例教程[M]．北京：機械工業(yè)出版社,2011.

Selection of target transmission mechanism based on COSMOS Motion

ZHU Gaogui，WANG Dexin，TANG Junjun

The motion simulation of two kinds of design program on target driving mechanism was carried out, based on the COMOS Motion Componts of SolidWorks softaware platform. The variation of running speed and torque of the mechanism in the two schemes with time was obtained in the simulation, which could judgment schemes intuitively to determine the drive configuration of the target system. The simulation method can provide reference on the design and lectotype for other similar transmission mechanism.

target, COSMOS Motion, linkage mechanism, lectotype, simulation

TP391.9;E922.1

A

1002-6886(2016)06-0065-03

朱高貴，男，工程師，研究方向：機械設計、軍訓器材總體設計。

2016-08-29