基于SolidWorks的自鎖機(jī)構(gòu)模型建立與仿真研究

張豪（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225101）

0 引言

自鎖是如果作用于物體的主動(dòng)力的合力的作用線在摩擦角之內(nèi)，則無(wú)論這個(gè)力怎樣大，總有一個(gè)全反力與之平衡，物體保持靜止；反之，如果主動(dòng)力的合力的作用線在摩擦角之外，則無(wú)論這個(gè)力多么小，物體也不可能保持平衡。這種與力大小無(wú)關(guān)而與摩擦角有關(guān)的平衡條件稱為自鎖條件。自鎖常常應(yīng)用于一些機(jī)構(gòu)中，比如螺旋千斤頂機(jī)構(gòu)，采用螺紋來(lái)自鎖；斜面壓榨機(jī)采用斜面的角度和摩擦力來(lái)自鎖；圓錐銷用錐度來(lái)自鎖等。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)摩擦因數(shù)和計(jì)算角度來(lái)設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)，參照計(jì)算結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)其機(jī)構(gòu)，并制造出模型機(jī)構(gòu)樣機(jī)來(lái)試驗(yàn)是否符合設(shè)計(jì)要求，若樣機(jī)不符合設(shè)計(jì)要求，則需要重新計(jì)算和修改參數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程費(fèi)事、費(fèi)力，效率低下。采用SolidWorks軟件來(lái)輔助設(shè)計(jì)這些機(jī)構(gòu)，SolidWorks軟件是法國(guó)達(dá)索公司旗下美國(guó)子公司開發(fā)的基于Windows平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)CAD軟件，具有操作簡(jiǎn)便、易于上手等優(yōu)點(diǎn)，是一款基于特征和參數(shù)化的三維設(shè)計(jì)軟件。它除了具備三維設(shè)計(jì)軟件的零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖、鈑金設(shè)計(jì)、焊件設(shè)計(jì)等基本功能外，還提供了運(yùn)動(dòng)仿真分析（Motion模塊）和有限元分析（Simulation模塊）等插件，可基于仿真分析功能對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，以有效縮減產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

本文以典型的自鎖機(jī)構(gòu)——斜面壓榨機(jī)為例，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)模型的建立，在SolidWorks軟件上進(jìn)行建模設(shè)計(jì)和裝配，運(yùn)用SolidWorks Motion模塊對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，同時(shí)根據(jù)不同的情況對(duì)模擬樣機(jī)進(jìn)行修改，試驗(yàn)出不同的參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供了更為全面的參照，驗(yàn)證出自鎖機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，提升設(shè)計(jì)的效率。

1 斜面壓榨機(jī)自鎖機(jī)構(gòu)模型建立

斜面壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)由4個(gè)部分構(gòu)成，工作原理為：放置好壓榨物4后，通過(guò)對(duì)楔形塊2施加壓力后，楔形塊向左運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓榨桿3，壓榨桿3產(chǎn)生更大的推力作用于壓榨物4，完成壓榨過(guò)程。對(duì)壓榨物4進(jìn)行壓榨時(shí)，作用于楔形塊2上的驅(qū)動(dòng)力P要撤去，這時(shí)壓榨物4產(chǎn)生反作用力仍然在，需要壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)具有自鎖功能。斜面壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)模型見圖1。

圖1 斜面壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.機(jī)架 2.楔形塊 3.壓榨桿4.壓榨物

圖2 機(jī)架三維建模圖

2 機(jī)構(gòu)的建模和裝配

2.1 機(jī)構(gòu)的建模

根據(jù)斜面壓榨機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析，在SolidWorks軟件中對(duì)其機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行三維建模，機(jī)構(gòu)由4個(gè)部分組成，壓榨物主要體現(xiàn)在產(chǎn)生反作用力上，對(duì)壓榨桿加載上一個(gè)力即可，無(wú)需建模，其它3個(gè)零件分別建模，并對(duì)3個(gè)零件定義其參數(shù)值：機(jī)架1尺寸要求為與壓榨桿的配合，其它尺寸無(wú)關(guān)緊要；楔形塊2的α=30°，長(zhǎng)度為200 mm，寬度為100 mm；壓榨桿3為80 mm×80 mm的方桿，長(zhǎng)度為200 mm，零件的三維建模見圖2~圖4。

2.2 機(jī)構(gòu)的裝配

圖3 楔形塊三維建模圖

圖4 壓榨桿三維建模圖

產(chǎn)品的裝配，就是依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)前所需達(dá)到的產(chǎn)品功能效果，經(jīng)過(guò)總結(jié)提煉，用相關(guān)專業(yè)的技術(shù)指標(biāo)或技術(shù)要求來(lái)衡量各個(gè)零部件按照一定要求的組裝關(guān)系是否達(dá)到了預(yù)期的產(chǎn)品功能效果，并最終達(dá)到該效果的過(guò)程。進(jìn)行零件裝配時(shí)，首先需要合理選取第1個(gè)裝配零件，一般把機(jī)架作為第1個(gè)裝配零件。第2個(gè)裝配零件為壓榨桿，約束關(guān)系為壓榨桿與機(jī)架的方孔同軸。第3個(gè)裝配零件為楔形塊，約束關(guān)系為兩個(gè)重合，分別是楔形塊的斜面與壓榨桿的斜面重合和楔形塊的底面和機(jī)架平臺(tái)上表面重合。機(jī)構(gòu)的裝配體見圖5。

3 仿真

仿真通過(guò)SolidWorks軟件自帶的插件Motion來(lái)完成。SolidWorks軟件Motion模塊具備對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的功能，它可以通過(guò)“動(dòng)畫向?qū)А痹O(shè)置得到三維仿真動(dòng)畫視頻，另外可以運(yùn)用加載“馬達(dá)”、“彈簧”、“接觸”、“引力”等驅(qū)動(dòng)方式，并通過(guò)計(jì)算運(yùn)算算例得到仿真機(jī)構(gòu)的“速度”、“加速度”、“運(yùn)動(dòng)軌跡”、“位移”、“作用力”等結(jié)果，最終進(jìn)行分析解釋。設(shè)定壓榨桿和楔形塊、楔形塊和機(jī)架之間接觸面的靜摩擦因數(shù)為0.4，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3。自鎖時(shí)，壓榨物對(duì)壓榨桿的反作用力為整個(gè)模型仿真的驅(qū)動(dòng)力，在壓榨桿上添加一個(gè)恒力。根據(jù)上述數(shù)值的設(shè)定，在Motion模塊中添加相應(yīng)的參數(shù)。分析模型，自鎖要求楔形塊和壓榨桿未產(chǎn)生位移，在對(duì)壓榨桿加載上反作用力后，楔形塊和壓榨桿之間的位置保持固定不動(dòng)。

圖5 斜面壓榨機(jī)裝配體圖

圖6 楔形塊X軸方向位移

圖7 楔形塊Y軸方向位移

圖8 楔形塊Z軸方向位移

對(duì)壓榨桿加載上200 N力后，將仿真時(shí)間設(shè)定為5 s，并進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行仿真求解。在“結(jié)果和圖解”中，求解楔形塊在X、Y、Z三根軸上的位移，求解結(jié)果見圖6~圖8。

4 結(jié)論

分析求解的結(jié)果，楔形塊在X、Y、Z三個(gè)方向上位移幾乎未發(fā)生變化，微小的位移變化主要由于求解時(shí)精度造成的，這就說(shuō)明了楔形塊并沒有運(yùn)動(dòng)，符合自鎖要求。再改變壓榨桿上加載的力，改變成1000 N，進(jìn)行求解，求解的結(jié)果與圖6~圖8對(duì)比仍然一致。說(shuō)明加載力的大小對(duì)這個(gè)自鎖模型無(wú)任何影響，該模型是否自鎖主要是滿足楔形塊的斜角小于2arctan0.4，斜角30°小于43.6°，通過(guò)模型建模和計(jì)算驗(yàn)證了模型滿足自鎖條件，該壓榨機(jī)有自鎖特性。

傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求，工程技術(shù)人員一般采用解析法，計(jì)算工作量繁瑣還不夠直觀，效率比較低下。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的介入，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模型的建立和運(yùn)動(dòng)仿真，把機(jī)構(gòu)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，給工程技術(shù)人員提供了理論依據(jù)，方便工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的地方，同時(shí)進(jìn)行模型參數(shù)的修改，優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案，提升了設(shè)計(jì)的效率。