自动机械中槽轮机构的参数化设计与仿真_王良文.pdf

自动机械中槽轮机构的参数化设计与仿真 王良文 1 2 杜文辽 2 崔纪雷 3 王维帧 2 1 华中科技大学 机械科学与工程学院 湖北 武汉 430074 2 郑州轻工业学院 机电工程学院 河南 郑州 450002 3 河南新飞电器有限公司 河南 新乡 453002 摘要 以自动机械中常用的外槽轮设计为例 建立了槽轮机构参数化设计的数学模型 利用 VB 对 AutoCAD 的二次 开发技术 成功实现了槽轮机构的参数化设计及运动仿真 该系统在选定槽轮机构的运动工况及受力条件的情况下 能 够对设计结果进行自动校验 并可以实现槽轮机构工程图的自动输出 进行尺寸参数及技术条件的标注 提高了槽轮机 构的设计效率 为槽轮机构的数字化设计 加工提供了理论依据 关键词 槽轮机构 参数化设计 运动仿真 CAD 二次开发 中图分类号 T H122 TH132 文献标识码 A 文章编号 1001 2354 2006 12 0044 03 槽轮机构以其结构简单 工作可靠等优点 在轻工业自动 机 包装机械等设备中获得广泛应用 在包装自动机中 如冷 霜灌装自动机 糖果包装机 灯泡包装机 饼干包装机及各种多 工位组合机床等 均利用槽轮机构实现转位 对常用机构开发 参数化设计系统已经成为企业提高创新能力 产品开发能力及 增强企业竞争能力的一项关键技术 现有文献对凸轮机构 连 杆机构 带轮传动等参数化设计的研究已经比较深入 1 2 而有 关对槽轮机构的参数化设计系统研究的文献尚欠深入 3 文 中首先建立了槽轮机构设计的数学模型 利用 VB 对 AutoCAD 二次开发技术 开发了槽轮机构的参数化设计与仿真系统 当 输入相关设计参数后 能够自动计算槽轮机构的结构参数 在 选定槽轮机构的运动工况及受力条件的情况下 系统能够对设 计结果进行自动校验 系统可以根据需要输出槽轮机构各构件 的 CAD 工程图形 并能够实现槽轮工作过程的动态仿真 该 软件系统不仅可以方便地实现槽轮机构的参数化设计 还可用 于对现有槽轮机构的分析 数控加工以及计算机辅助教学中 本系统对内 外槽轮机构的设计系统均进行了开发 文章仅以 外槽轮为例进行介绍 1 槽轮机构设计的数学模型 槽轮机构的结构如图 1 所示 槽轮机构的参数化设计关键 在于对槽轮及槽轮拨销参数的计算 1 1 槽轮机构设计的主要运动参数 如图 1 所示的外槽轮机构中 设槽轮有 z 个均匀分布的径 向槽 则槽轮每一次转动过程中的转角为 2B 主动转臂相应的 转角为 2A 设转臂转一周的时间为 T 则可计算出槽轮的转位分度运 动时间 td 槽轮的停歇时间tj 如已知转臂的转速 n1 r min 和 槽数 z 可求 td和 tj 也可根据工艺所需的最长停歇时间 tj和槽 数 z 求得转臂的转速 n1 1 2 多拨销拨盘时槽轮的槽数 z 销数 m 可在拨盘上安装多个圆销来实现槽轮在拨盘一周内转过 2B的倍数角 设有 m 个圆销均匀分布在拨盘同一圆周上 因后 一圆销只有在前一圆销脱离槽轮后才能进入槽内 由此可导出 最多的圆销数 m 所满足的条件 图1 外槽轮机构 1 3 槽轮机构的主要结构参数设计 设计槽轮机构时 首先根据工作要求选定槽数 z 和转臂上 圆销数目m 中心矩 c和圆销半径Rr则根据空间安装尺寸和受 力大小确定 其它尺寸可根据上述参数计算而得 在此应该关注有关槽轮的外圆关系 如图 2 槽轮的理论外 圆半径O2A 是指当圆销开始进入槽轮 即当圆销 A 处在O1A L O2A 位置 槽轮轴心 O2至滚子中心 A 之间的距离 O2A ccos B 此时 当圆销进入轮槽时 将与轮槽两侧顶端有一间隙 使冲击加剧 因此槽轮实际外圆半径 R2 应是槽轮轴线至轮 槽侧边延长线与圆销切点 D 之间的距离 即 R2 O2D AD2 O2A2 R2r ccos B 2 式中 Rr 拨盘上的圆销半径 c 中心距 B 槽轮运动角之半 第 23卷第 12 期 2 006 年 12 月 机 械 设 计 JOURNAL OF M ACHINE DESIGN Vol 23 No 12 Dec 2006 收稿日期 2006 03 28 修订日期 2006 07 19 作者简介 王良文 1963 男 湖北江陵人 郑州轻工业学院教授 主要研究方向 自动机械设计 机构分析与综合 发表论文五十余篇 获省 级以上科技进步奖 3 项 图 2 槽轮的理论外圆与实际外圆 1 4 槽轮机构的动力学计算 1 4 1 槽轮机构的转矩计算 为选择电动机的功率 计算强度等 都要先确定槽轮机构 的转矩 槽轮机构的转矩计算可分为两种情况 1 驱动传送带设备的转矩 大多数传送带是在低速情况下工作 故计算转矩时可忽略 惯性力矩 而仅考虑克服摩擦阻力所需的转矩 可计算槽轮轴 上平均转矩及外槽轮机构转臂轴上最大转矩 2 驱动转位装置的转矩 槽轮机构带动工作台作间歇传动时 槽轮轴上既有惯性力 矩又有阻力矩 由于阻力矩所占比例一般较小 通常仅考虑惯 性力矩 可计算外槽轮机构转臂轴上转矩最大值 1 4 2 槽轮机构的强度设计 槽轮机构的转矩求出以后 可以用它来对机构进行结构设 计或强度校验 可首先计算拨销弯曲的力 再算作用于轮槽的 力 在进行强度设计时 应考虑最大受力情况 因为机构的最 大摩擦阻力矩和最大惯性力矩发生在主动拨销的不同转角处 为简化计算并从安全角度考虑 可取其发生在主动拨销的相同 转角处 求得拨销曲柄弯曲的最大力及作用于轮槽的最大力 后 即可根据强度条件 设计槽轮机构的尺寸或对危险截面进 行校核 由于槽轮机构常见失效的原因为滚子与槽壁的挤压破坏 及滚子销轴的弯曲变形 因此 对槽轮机构的校核主要是对滚 子宽度 b 及滚子销轴直径 d 的校核 校核滚子宽度 b 时 保证滚子与槽壁间压力小于材料许用 接触应力 校核滚子销轴直径 d 时 保证滚子销轴的最大弯曲变形应 不大于滚子与槽的配合间隙平均值 2 参数化设计和图形实现技术 2 1 设计思想 VB 对 AutoCAD 的二次开发过程 就是在 VB 的 IDE 中编 写程序代码 通过 ActiveX Automation 技术 控制 AutoCAD 应 用程序对象来完成机构几何造型 2 1 1 VB与 AutoCAD 的连接 用 VB与 AutoCAD 连接起来 需要以下两个步骤 1 在编写 VB 代码前 在 VB 编程环境中先引用 Auto CAD 对象库 2 编写 VB程序代码 创建 AutoCAD 对象 启动运行 Au toCAD 2 1 2 用 VB开发 AutoCAD 的方法 AutoCAD 对象在 AutoCAD ActiveX 中是开放的 在 VB 中可以直接操纵 具体方法 1 在 VB 工程中引用 Auto CAD 类型库 在工程 Project 菜单中选择引用 References 选 项 打开引用对话框 然后从中选择 AutoCAD 2000 Object L i brary 类型库 2 在程序代码中设置 AutoCAD 程序对象和文 档对象 3 通过 AutoCAD ActiveX 对象 属性和方法 在 Au toCAD 图形文件中对对象进行处理 2 2 槽轮机构参数计算窗口及程序 槽轮机构参数计算界面主要对槽轮机构的几何参数 运动 参数进行了计算 并把计算的结果在窗口上显示出来 同时把 计算的值传递给 AutoCAD 命令 通过 VB 语句调用 AutoCAD 对象中绘图命令进行自动绘图 然后根据需要对所绘制的槽轮 图形对象进行镜像 阵列等编辑 其槽轮机构参数计算界面参 见图 3 图3 机构参数计算窗口 2 3 槽轮机构动力学计算窗口及其程序 该部份主要为根据槽轮机构工作状况 确定槽轮机构的转 矩 计算构件强度 选择电动机的功率等 其动力学计算窗口如 图 4 所示 图4 机构动力学计算窗口 在该计算窗口中 根据槽轮机构驱动外载荷的工作状态 在 类型选择0栏选择相关类型 并输入相关载荷 在 材料力学 性能0栏进行材料选择 材料的相关参数将自动生成 程序就 能够自动进行槽轮机构的转矩与驱动功率的计算 45 2006 年 12 月王良文 等 自动机械中槽轮机构的参数化设计与仿真 2 4 绘制槽轮结构图形程序 通过描述槽轮机构的特征点 用 VB6 0 调用 AutoCAD 绘 图命令来快速进行图形绘制 程序关键代码如下 c画外槽轮廓线 Set plineobj 0 acaddoc ModelSpace AddLightWeightPolyline arr c创建多义线 Dim point2 0 T o 2 As Doublec镜像 Set plineobj 1 plineobj 0 Mirror point1 point2 镜像 retobj 0 plineobj 0 ArrayPolar z 2 pi point1 c环形阵列 图形绘制后还可进行标注 通过设置快速标注程序 可以 实现程序的自动标注 2 5 槽轮机构运动仿真 程序实现槽轮的运动仿真时 要注意的是 槽轮旋转的角 度和销轮旋转的角度并不是线性的关系 因此 在计算槽轮旋 转的角度时 要分别计算两个时间槽轮旋转的角度 用后一步 的角度减去前一步的角度 所得的差才是该步槽轮转过的角 度 3 设计实例 有一个 8 工位转台 采用槽轮机构分度转位 槽轮轴 30 r min 槽轮机构中心距 c 220 mm 槽轮轴上等效转动惯量 Jv 15 kg m2 试求槽轮机构的各部分尺寸和所需电动机功率 设计结果如下 图 3 为机构参数计算窗口及相关计算结果 图 4 为机构动力学计算窗口及相关计算结果 图 5 为槽轮结构图 图 6 为槽轮与拨销装配及仿真计算图 图 5 槽轮结构 4 结束语 建立了槽轮机构参数化设计及运动仿真的数学模型 并在 Visual Basic6 0 编程环境下 通过对 AutoCAD 的二次开发 实 现了槽轮机构的参数化设计和运动仿真 程序验证了模型的正 确性 文中的研究方法对于其它机构的设计开发具有一定的 参考价值 图 6 槽轮与拨销装配及仿真计算 参考文献 1 徐武彬 尹辉俊 基于 SOLID EDGE 的凸轮三维设计系统的研究 J 机械设计 2002 19 6 33 35 2 崔武彬 李健 基于 SOLID EDGE 的皮带轮三维设计系统的研究 J 机械设计 2003 20 12 26 28 3 杨良渠 赵丽娟 包机中外槽轮机构的运动分析 J 包装工程 2004 1 40 41 Parameterized design and simulation on genevamechanism of automatic machinery WANG Liang wen1 2 DU Wen liao2 CUI J i lei3 WANG We i zhen2 1 School of Mech Science and Eng Huazhong Univers i ty of Science and Technology Wuhan 430074 China 2 School of ElectroMechanical Engineering Zhengzhou Institute of Light Industry Zhengzhou 450002 China 3 Henan Xinfei E lectric Appliances Ltd Company Xinxiang 453002 China Abstract T aking the design of commonly used outer gene va wheel of automatic machinery as an example the mathemat i cal model of parameterized design of geneva mechanism was es tablished Using the secondary development techniques of Auto CAD made by VB the parameterized design and kinematics simulation on geneva mechanism were successfully realized Un der the circumstances of selecting the kinematical working situa tion and force bearing condition of geneva mechanism this sys tem could conduct automatic inspection on the designing result and could realize automatic output of engineering drawing of the geneva mechanism and carry out the marking of dimensional pa rameters and technical requirements thus enhanced the desig