自動物料定量分裝機構(gòu)運動仿真設(shè)計

馬正鵬，文 萍，潘秀石，劉 勇，屠晶晶

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

在進行自動化設(shè)備運動機構(gòu)的設(shè)計過程中，為了能驗證所設(shè)計機構(gòu)的合理性和可行性，通常都需要對機構(gòu)進行機構(gòu)運動分析。在采用現(xiàn)代設(shè)計方法進行機構(gòu)設(shè)計過程中，機構(gòu)的運動分析與仿真已經(jīng)成為計算機輔助工程分析中不可缺少的環(huán)節(jié)，成為機構(gòu)設(shè)計的必經(jīng)過程[1]。UG/Motion模塊提供了機構(gòu)運動仿真和分析的功能。

所謂機構(gòu)運動仿真技術(shù)就是借助三維綜合性軟件建立起來的機構(gòu)運動模型，用戶通過對機構(gòu)定義連桿、添加運動副、驅(qū)動器、彈簧、阻尼器及添加作用力等，使機構(gòu)的數(shù)字模型能跟現(xiàn)實中的機構(gòu)一樣運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。此外，通過對機構(gòu)運動的解算就可以對機構(gòu)進行運動軌跡、位移、運動干涉及受力等情況進行分析，以達到機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的[2]。本文以高端CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX為設(shè)計平臺，分析自動物料定量分裝機構(gòu)的機構(gòu)運動仿真的設(shè)計方法，該設(shè)計方法思路清晰，方法簡單。

1 自動物料定量分裝機構(gòu)的工作原理

本文設(shè)計的自動物料定量分裝機構(gòu)主要實現(xiàn)物料的定量分裝功能(見圖1)。不完全齒輪機構(gòu)主動輪為機構(gòu)提供動力。不完全齒輪機構(gòu)主動輪勻速轉(zhuǎn)動帶動從動齒輪、花鍵軸及上物料盤間隙轉(zhuǎn)動，上物料盤上有2個物料桶，下物料盤的物料桶套在上物料盤的物料桶上，下物料盤可以隨著上物料盤一起轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)齒輪、齒條機構(gòu)中轉(zhuǎn)動主動齒輪可以帶動齒條叉架在機架中上下移動，齒條叉架通過支叉可以帶動下物料盤在花鍵軸上移動，以調(diào)節(jié)兩物料盤上物料桶所圍成容積的大小。下物料盤上物料桶的下端裝有物料蓋，物料蓋可以擺動以實現(xiàn)物料桶的開關(guān)。需要分裝的物料從物料進口進入，物料盤旋轉(zhuǎn)180°后，再從物料出口卸出。物料蓋的開關(guān)動作由齒條叉架上的空間凸輪控制。

2 創(chuàng)建機構(gòu)運動分析方案

運動分析方案是創(chuàng)建進行運動仿真的關(guān)鍵，運動分析方案的創(chuàng)建分為3個步驟：創(chuàng)建連桿，創(chuàng)建運動副，定義運動驅(qū)動。在UG NX中設(shè)計好機構(gòu)的三維模型后，啟動UG NX/Motion(運動仿真)模塊，新建動力學(xué)仿真，分析類型選擇為“動力學(xué)”，取消“基于組件的仿真”選項。

2.1 連桿的創(chuàng)建

在機構(gòu)運動仿真過程中，連桿代表了機構(gòu)中的運動件，所有的運動件都必須創(chuàng)建為連桿。每個連桿的創(chuàng)建包括定義連桿對象、質(zhì)量屬性、慣性矩、初始運動等。本例中共定義8個連桿，分別為L001、L002、L003、L004、L005、L006、L007、L008，其中，L001定義為機架，為固定件。L002為不完全齒輪機構(gòu)主動齒輪。L003為不完全齒輪機構(gòu)的從動齒輪，一體運動還包括花鍵軸、上物料盤、端蓋、螺釘及齒輪內(nèi)平鍵等。L004為調(diào)節(jié)齒輪。L005為帶有凸輪的齒條叉架零件。L006為下物料盤。L007、L008為物料蓋。如圖2所示。

1—機架；2—不完全齒輪機構(gòu)；3—花鍵軸；4—物料蓋；5—下物料盤；6—上物料盤；7—齒條叉架；8—調(diào)節(jié)齒輪齒條機構(gòu)。

圖2 定義機構(gòu)連桿Figure 2 Definition of mechanism link

2.2 運動副的創(chuàng)建

運動副是將機構(gòu)中連桿連接在一起，從而使連桿一起運動。運動副具有允許所需運動和限制不要運動的雙重作用[3]。本例機構(gòu)中共定義了11個運動副和3個接觸連接，其中J001是與地固定運動副。J002、J003、J004分別為L002、L003、L004與L001之間的轉(zhuǎn)動副；J005為L005與L001之間的移動副；J006為L006與L003之間的移動副，設(shè)置嚙合桿；J007是齒輪齒條副，分別選擇移動副J005和轉(zhuǎn)動副J004，設(shè)置比率(銷半徑)為32(見圖3)；J008為L006與L005之間的轉(zhuǎn)動副，設(shè)置嚙合桿；J009和J010分別為L008、L007與L006之間的轉(zhuǎn)動副，設(shè)置嚙合桿；J011為L003與L006之間的移動副；G001為L002與L003之間的3D接觸連接；G002、G003分別為L007、L008與L005之間的3D接觸連接。

圖3 定義齒輪齒條副Figure 3 Definition of gear and rack pair

圖4 解算方案Figure 4 Calculation scheme

2.3 定義運動副

運動驅(qū)動是賦予運動副上控制運動的參數(shù)，其中常用的是常規(guī)驅(qū)動。常規(guī)驅(qū)動是基于時間的一種運動形式，即機構(gòu)在指定的時間和步數(shù)進行運動仿真，共有5種類型。

1)無：沒有外加驅(qū)動。

2)恒定：設(shè)置運動副的運動(旋轉(zhuǎn)或移動)為恒定狀態(tài)。

3)簡諧：產(chǎn)生一個光滑的周期性正弦運動。

4)函數(shù)：使用XY函數(shù)編輯器定義的復(fù)雜驅(qū)動方程。

5)關(guān)節(jié)運動驅(qū)動，設(shè)置某一運動副以特定的步長 (旋轉(zhuǎn)或線性位移 )和特定的步數(shù)運動[4]。初步規(guī)劃仿真時間為50 s，由于機構(gòu)在運動仿真過程中有調(diào)整運動，所以在不完全齒輪機構(gòu)中主動齒輪L002驅(qū)動采用函數(shù)方式驅(qū)動，具體函數(shù)為：(STEP(x，0，0，0.001，1)+STEP(x，20，0，20.000 1，-1))×36+(STEP(x，30，0，30.001，1)+STEP(x，49.999 9，0，50，-1))×36，表示為：連桿L002，在0～20 s轉(zhuǎn)速為36°/s，20～30 s轉(zhuǎn)速為0°/s，30～50 s轉(zhuǎn)速為36°/s。調(diào)節(jié)齒輪的驅(qū)動函數(shù)為：(STEP(x，22.5，0，22.500 1，1)+STEP(x，27.5，0，22.500 1，-1))×3，表示為：22.5～27.5 s調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速為3°/s。

2.4 運動仿真

UG運動仿真的核心是ADAMS解算。進行機構(gòu)運動仿真時需要輸入時間和步數(shù)2個參數(shù)，設(shè)置機構(gòu)解算方案中時間為50 s，步數(shù)為2 500步(見圖4)。解算完成后，就可以用動畫的形式表現(xiàn)機構(gòu)的運動方案過程，仿真過程中機構(gòu)的運動過程如圖5所示。

圖5 自動物料定量分裝機構(gòu)的運動圖Figure 5 Motion diagram of automatic material quantitative packaging mechanism

2.5 生成機構(gòu)運動仿真動畫

為了便于展示機構(gòu)運動情況可以將運動仿真過程生成運動視頻，操作如下：在完成解算計算后觀察機構(gòu)運動過程無誤后點擊運動控制工具欄按鈕中的“導(dǎo)出至電影”功能按鈕，設(shè)置視頻存儲位置，確定完成視頻的生成。

3 結(jié)語

在UG軟件完成機構(gòu)零件設(shè)計和裝配設(shè)計后，應(yīng)用軟件的運行仿真模塊通過創(chuàng)建連桿，建立連桿之間的運動副和連接副的關(guān)系，再通過函數(shù)的方式分段驅(qū)動主動齒輪和調(diào)節(jié)齒輪的分段間隙運動，以實現(xiàn)機構(gòu)正常工作和調(diào)整物料分裝量動作的分時運動仿真。根據(jù)運動仿真的動畫結(jié)果表明，該自動物料定量分裝機構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了所需要的運動，達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。