基于SolidWorks的電動儲錢罐設(shè)計及運動仿真

姜川 董岑華 劉凡

摘要：運用SolidWorks的建模技術(shù)，完成了電動儲錢罐的虛擬設(shè)計，并利用SolidWorks motion插件對電動儲錢罐的盒蓋開關(guān)及硬幣鉤取進行運動仿真，完成所設(shè)計機構(gòu)的干涉檢查和運動分析，為簡單機械產(chǎn)品的設(shè)計與分析提供了解決問題的思路。實踐證明，這種方法可有效提高效率，具有良好應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動儲錢罐；SolidWorks；虛擬設(shè)計；曲柄搖桿；運動仿真

儲錢罐是結(jié)構(gòu)簡單的生活用品，而電動儲錢罐利用擺動凸輪機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)對硬幣的抓取和存儲，增加了技術(shù)性、趣味性、智能性。本文采用三維虛擬設(shè)計，同時以動力學為基礎(chǔ)，借助CAE技術(shù)及相關(guān)軟件，進行產(chǎn)品的運動仿真、虛擬樣機裝配等。在樣機試制前可以通過仿真分析進行驗證和優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性，有效提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量。

1方案設(shè)計

1.1設(shè)計思路

SolidWorks提供了自上而下和自下而上兩種設(shè)計方法。本文采用自上而下的設(shè)計方法，它具有符合產(chǎn)品開發(fā)流程、全局性強、效率高等特點。儲錢罐由直流減速電機驅(qū)動，將硬幣放于盒體指定位置時，觸發(fā)壓力傳感器接通電路，機構(gòu)開始工作：盒蓋開啟，鉤子伸出將硬幣鉤入盒中，盒蓋關(guān)閉。運行一個周期后電路自動斷開。再次放置硬幣，重復(fù)上述過程。

因此，存錢罐的執(zhí)行機構(gòu)主要完成兩個動作：一是鉤取硬幣，二是打開和關(guān)閉盒蓋，本設(shè)計前者選用曲柄搖桿完成，后者則由凸輪機構(gòu)完成。根據(jù)盒體的尺寸和伸出長度，設(shè)計合理的曲柄搖桿曲線。用8字形曲線可完成鉤取的動作。開關(guān)盒蓋采用凸輪機構(gòu)，根據(jù)曲柄搖桿的運動規(guī)律設(shè)計凸輪，包括凸輪種類、行程、基圓半徑等。觀察凸輪的運動規(guī)律，保證兩個機構(gòu)在時間上同步運動。在兩個機構(gòu)間利用齒輪進行傳動。最后校核相關(guān)參數(shù)，對方案進行優(yōu)化。

1.2設(shè)計條件和相關(guān)設(shè)計參數(shù)

儲錢罐由直流減速電機驅(qū)動，電機轉(zhuǎn)速為10RPM，一個工作周期為6s。

盒體尺寸：長120mm寬90mm高80mm。

盒蓋抬起約30mm，保證鉤子的正常伸出。鉤子伸出水平長度要大于25mm，保證能夠?qū)⒂矌陪^入盒子。

第五套人民幣：1元硬幣直徑25mm；5角硬幣直徑20.5mm；1角硬幣直徑19mm。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1曲柄搖桿機構(gòu)

8字形曲柄搖桿機構(gòu)曲柄安置在盒內(nèi)，伸出的連桿末端做8字運動，有一段近水平的直線運動，可以完成對硬幣的鉤取，而且在完成抓取任務(wù)后能夠收回盒內(nèi)，能較好地實現(xiàn)該功能。各桿的長度、安裝位置以及連桿曲線都需要反復(fù)調(diào)試。機構(gòu)運動簡圖如圖1所示。

按預(yù)定8字形軌跡，上升時連桿末端伸出盒子，再做近水平運動，然后下降收回盒中。用試驗法設(shè)計四桿機構(gòu)，利用SolidWorks中的Motion分析跟蹤連桿伸出末端位置曲線，經(jīng)過反復(fù)修改各桿的長度及安裝位置。最終確定曲柄搖桿機構(gòu)的參數(shù)。

曲柄長16mm，搖桿和連桿均長30mm，連桿伸出部分與連桿垂直。搖桿回轉(zhuǎn)中心距盒體前壁45mm，距盒底20mm，搖桿回轉(zhuǎn)中心距盒體前壁40mm，距盒底55mm。

2.2擺動凸輪機構(gòu)

擺動凸輪機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)通過桿的擺動來升高一定高度，而不是豎直運動，這更符合頂蓋的運動規(guī)律，而且擺動推桿對壓力角的要求較小。由于擺動推桿不直接與頂蓋固連，所以需要增加一個與頂蓋相連的連桿，來實現(xiàn)用擺動桿的運動帶動盒蓋運動。機構(gòu)簡圖如圖2所示。

根據(jù)曲柄連桿的運動規(guī)律可設(shè)計凸輪的相關(guān)尺寸。凸輪基圓半徑為10mm。凸輪軸心距盒底40mm，距盒體前壁45mm。凸輪運動參數(shù)見表1。

2.3傳動機構(gòu)

曲柄搖桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)分別安裝相向的兩側(cè)面，兩機構(gòu)的輸入軸平行，且運動周期相同，因此選用傳動比為1：1的直齒輪實現(xiàn)兩機構(gòu)運動的傳遞，具體數(shù)值的選擇應(yīng)根據(jù)兩個機構(gòu)軸線距離而定。

其余的零件設(shè)計采用直接建模和關(guān)聯(lián)設(shè)計兩種方式，結(jié)構(gòu)圖見圖3。

3部件和總體裝配

3.1三維建模

儲錢罐模型的建立是仿真和分析的前提。根據(jù)結(jié)構(gòu)層次以及零部件的約束、自由度和相對運動關(guān)系，將儲錢罐分為曲柄搖桿機構(gòu)、凸輪擺桿機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、盒體及盒蓋4大部分。利用SolidWorks 2016進行各部分零件的三維建模。

3.2虛擬裝配

首先根據(jù)零件間約束及運動關(guān)系建立好各個部分的裝配體，再將4部分裝配成虛擬樣機。三維模型如圖4所示。

干涉檢查的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)裝配體中靜態(tài)零部件之間的干涉。干涉的存在影響了零部件之間的運動關(guān)系，是建模中常見錯誤之一。本產(chǎn)品檢查后未發(fā)現(xiàn)干涉。

4運動仿真及分析

虛擬設(shè)計完成之后，可以利用電動儲錢罐的三維實體模型和SolidWorks Motion插件進行運動分析。

通過8字曲線我們了解了伸出連桿的運動路徑，接著需要對它進行運動分析，主要是其在豎直方向和水平方向的線位移。根據(jù)曲柄搖桿的水平方向線位移我們能判斷伸出長度是否合適。根據(jù)曲柄搖桿的豎直方向線位移規(guī)律我們才能設(shè)計凸輪機構(gòu)。由于此機構(gòu)6秒為一周期，運動較為緩慢，所以對于速度和加速度沒有太多要求，在此不予討論。

利用SolidWorks中的Motion分析來計算伸出部分端點在豎直方向和水平方向上的位移。結(jié)果如圖5、圖6。

連桿端點在水平方向能夠伸出盒子28mm，能夠做到將直徑最大的1元硬幣鉤進盒中，滿足設(shè)計要求。豎直方向上可以看到在6秒的工作周期中，經(jīng)過2秒鐘的時間上升到最高點，高度為20mm，然后下降，在3.5秒左右進行近水平運動，在4.8秒左右下降，完成一個運動周期。

利用Motion分析來計算盒蓋端點在豎直方向上的位移。結(jié)果見圖7。盒蓋在2秒時上升至最高點30mm，4.2s時開始下降，再經(jīng)過約1.5秒后回到開始位置。可見在豎直方向的運動過程中，曲柄搖桿不會與盒蓋發(fā)生干涉。與預(yù)期設(shè)計的運動規(guī)律相同。 以上運動均以盒體中硬幣板的端點為原點。5結(jié)論 本文對電動儲錢罐進行方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用SolidWorks等計算機軟件對其進行虛擬設(shè)計和運動仿真，驗證機構(gòu)裝配的合理性，通過分析連桿端點和盒蓋端點的位移曲線，驗證機構(gòu)運動的兼容性，為簡單機械產(chǎn)品的設(shè)計與分析提供了解決問題的思路。實踐證明，本文采用的設(shè)計方法有效可行且設(shè)計周期短，較傳統(tǒng)設(shè)計更為便捷有趣，在機械系統(tǒng)的設(shè)計中具有良好的應(yīng)用前景。

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