摘要在机械产品的机构运动中匀速旋转设备通常会作为动力源使用.doc

摘要在机械产品的机构运动中匀速旋转设备通常会作为动力源使用 ,针对匀速旋转动力源转化为往复直线运动的机构形式 ,在 PRO E机构运动仿真分析模块下结合了3种具体的设计案例 ,重点分析和研究了在单向匀速电机驱动下往复直线运动部件在不同机构中的状态。 1引言GIN EER中一个集运动仿真和机构分析于一身的功能强大的模块。利用该模块 ,当各个零部件通过装配模块组装成一个完整的机构以后 ,设计师就可的以在 Pro/ EN GIN EER中直接启动机构运动分析模块 ,根据设计意图定义机构中的连接、设置伺服电机 ,然后运行机构分析 ,观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动 ,以检测机械的干涉情况 1 。匀速旋转设备是最常见的机械产品的动力源 ,如电机马达和液压马达等。往复直线运动在作为机械产品的输出运动形式时 ,其应用也是相当的广泛 2 ,比如内燃机 ,牛头刨床、床以及汽车玻璃刮水器等。本文通过在 PRO E平台下 ,对三种典型机构进行建模、配以及运动仿真的相关设置 ,在不考虑模型系统的作用力情况下对机构进行分析运动 , 并测量主体位置、速度和加速度的改变 ,检查元件之间的关系 ,输出运动轨迹和包络图 ,以得出机构运动的规律和与设计相关的重要数据 ,从而让机械设计者可以根据机械装置具体的要求选择合适的机构进行延伸设计和应用。2 旋转运动转化为直线运动几种实例机构的概述按机械的相对运动形态 ,机构通常分为平面机构和空间机构。在平面机构中 ,所有的刚体都会在一个平面或相互平行的平面间进行相对运动。任何不在平面中进行的相对运动 ,则属于空间机构。平面机构中的每个构件都不是自由构件 ,而是以一定的方式与其他构件组成运动连接。这种使两构件直接接触并生成一相对运动的连接 ,就称为“运动副” 3 。平面机构通常存在低副和高副两种运动副 ,而空间机构中比较典型的就是螺旋副。本文所引入的旋转运动转化为直线运动的三个机构的运动副分别就是低副、副和螺旋副。第一个机构是由转动副和移动副组成的曲柄滑块机构 ,属于典型的低副 ;第二个机构是凸轮副 ,属于典型的高副 ;第三个机构是属于空间机构的螺旋副 ,在本文所引入的这三种机构其共同点都是主驱动均为匀速单向电机 ,其从动件都在电机的驱动下作往复直线运动。接下来就在 PRO E平台下依次对这三种不同机构的实例进行分析和研究。3 曲柄滑块机构的运动仿真及分析该曲柄滑块机构由旋转杆、连接杆、矩形滑块和滑槽四个零件构成。在 PRO E基础模块完成四个零件的建模后 ,先对该机构进行装配 (如图 1) :将旋转杆的安装轴 (电机中心端)和滑槽固定并设置旋转杆的主旋转轴为销钉连接 ( Pin) ,旋转杆和连接杆以及连接杆和矩形滑块之间采用销钉连接(Plannar) ;然后进入机构运动分析模( Mechanism)进行伺服电机的设置 (如图 1) :由于旋转杆的安装轴为动力源 ,定义此轴为伺服电机 ,方向为顺时针 ,角速度为匀速 ,大小为 18/ s。至此 ,该曲柄滑块机构的运动仿真装配以及参数设置完成 ,在分析定义( AnalysisDefinitio n)的窗口里完成运动时间 (时间为20s时 ,电机恰好完成一个周期 360的运动)和帧数的设置 ,便可观看仿真动画。随后将运动仿真的分析结果保存起来 ,以便于分析在旋转杆驱动下的矩形滑块的运动规律。由于旋转杆的电机旋转中心轴是相对静止的 ,而矩形滑块的铰接轴则是运动的 ,此两轴相互平行故过两轴作一个平面的驱动下的速度变化曲线 (此面和矩形滑块的外表面重合)与两轴相交得出两个点 ,一个是静止点 ,一个则是运动点 (如图 2) ,且此两点的运动轨迹都在该平面内。打开测量窗口 ,在类型里选择“分离”并将测量点分别定义为静止点和运动点 ,目的在于得出动点的运动规律。测量的结果得到一条正弦曲线 (如图 2) ,该曲线就是运动点到静止点的距离随时间变化的分析结果。由曲线可知 ,在伺服电机匀速旋转的一个运动周期内 ,矩形滑块在滑槽内作变速往复运动 ,且正弦曲线的波峰和波谷时刻就是滑块的换向时刻。在轨迹曲线窗口里可以定义该机构上任意一点并计算其运动的轨迹 4 ,由图 3可知 :矩形滑块的运动轨迹是水平直线。综上所述 ,曲柄滑块机构在匀速电机的驱动下所连带的往复直线运动是变速的 ,且速度规律是标准的正弦曲线。4凸轮机构的运动仿真及分析该凸轮机构由旋转凸轮、杆和滑槽三个零件构成 ,滑杆在重力的作用下始终有向下的运动趋势。在 PRO E基础模块完成三个零件的建模后 ,首先对该机构进行装配 (如图 4) :将旋转凸轮的安装轴 (电机中心端)和滑槽固定并设置凸轮的主旋转轴为销钉连接 ( Pin) ,旋转凸轮的外轮廓面和滑杆圆头的接触面设置为“凸轮从动机构连接”,滑杆的杆身部分和滑槽之间采用平面约束 ( Plannar ) ;然后进入机构运动分析模块 ( Mechanism)进行伺服电机的设置 (如图 4) :由于旋转凸轮的安装轴为动力源 ,定义此轴为伺服电机 ,方向为顺时针 ,角速度为匀速 ,大小根据实际自定义。至此 ,该凸轮机构的运动仿真装配以及参数设置完成 ,在分析定义( AnalysisDefinitio n)的窗口里完成运动时间和帧数的设置 ,便可以观看仿真动画。随后将运动仿真的分析结果保存起来 ,以便于分析在旋转凸轮驱动下的矩形滑块的运动规律。由于旋转凸轮的电机旋转中心轴是相对静止的 ,而滑杆圆头的轴则是运动的 ,此两轴相互平行 ,故过两轴作一个平面 (此面和凸轮以及滑杆的外表面重合)与两轴相交得出两个点 ,一个是静止点 ,一个则是运动点 (如图 5) ,且此两点的运动轨迹都在该平面内。打开测量窗口 ,在类型里选择“分离”并将测量点分别定义为静止点和运动点 ,目的在于得出动点的运动规律。测量的结果得到一条类似正弦的曲线 (如图 5) ,该曲线就是运动点到静止点的距离随时间变化的分析结果。由曲线可知 ,在伺服电机匀速旋转的驱动下 ,滑杆在滑槽内作变速往复运动 ,该曲线的波峰时刻是凸轮的高凸面和滑杆接触的换向时刻 ,而曲线的波谷的直线段是凸轮的低凸面和滑杆换向时刻出现的短暂的运动间歇。在轨迹曲线窗口里可以定义该机构上任意一点并计算其运动的轨迹 ,由图 6可知 :滑杆的运动轨迹是竖直直线。综上所述 ,该凸轮机构在匀速电机的驱动下所连带的往复直线运动是也变速的 ,且速度规律是类似正弦的间歇曲线。5空间螺旋机构的运动仿真及分析空间螺旋机构的核心在于螺旋线 ,该螺旋线的特性是由正反两个螺旋线相交而成 ,且形成一个完整的闭环结构。所以首先是螺旋线方程的建立 ,PRO E设计螺旋线的总体思路通常是 :获得一个标准螺旋曲线 ,并通过修改使设计的螺距等各种参数符合设计要求。用 PRO E建立空间曲线通常可以用三种形式的方程建立坐标曲线 :笛卡尔坐标系( Cartesian)、柱坐标系 ( Cylindrical )、球坐标系( Sp herical)。本螺旋线方程采用的是笛卡尔坐标系参数方程 (如图 7) ,其中正螺旋线的方程为 :反螺旋线在向 Z轴方向平移了四分之一个螺距后 ,和正螺旋线形成了一个完全闭合的曲线。至此 ,空间螺旋线的设计完毕 ,再进行空间螺旋机构零件的建模和装配。该螺旋机构由双螺旋线轴、块和圆柱轴三个零件构成。在 PRO E基础模块对三个零件建模的过程中 ,主驱动零件双螺旋线轴是普通的圆柱轴 ,在其表面铺设了上述的正反螺旋线 ,使之成为一体。对该机构进行装配 (如图 8) :将双螺旋线轴的安装轴 (电机中心端)和圆柱轴固定并分别销钉连接 ( Pin) ,双螺旋线轴和滑块以及圆柱轴和滑块采用圆柱连接 ( Cylinder) ,其中运动的核心连接是双螺旋线轴和滑块之间的槽连接 :由于双螺旋线的轴径和滑块的圆柱连接的孔径尺寸一致 ,在滑块内孔表面的中间上端取点 PN T0 (如图 8) ,将此点和双螺旋线轴的双螺旋线定义为槽连接 ,其意义就是此点在闭合的双螺纹线上滑动 ;然后进入机构运动分析模块 ( Mechanism)进行伺服电机的设置 (如图8) :由于双螺旋线轴的安装轴为动力源 ,定义此轴为伺服电机 ,方向为顺时针 ,角速度为匀速 ,大小根据实际自定义。至此 ,该空间螺旋机构的运动仿真(initio n)的窗口里完成运动时间和帧数的设置 ,便可以观看仿真动画。随后将运动仿真的分析结果保存起来 ,以便于分析在双螺旋线轴驱动下的滑块的运动规律。由于双螺旋线轴和圆柱体的中心轴都是相对静止的 ,而滑块两孔的中心轴则是运动的 ,且此两对柱孔轴两两重合 ,故任取一对轴 (取圆柱体和滑块孔的轴) ,在滑块上取孔轴的中心点 PN T1为运动点 ,固定的圆柱体轴上某一端的端点 PN T3为静止点 (如图 9) ,且此两点的运动轨迹都在同一轴线上。打开测量窗口 ,在类型里选择“分离”并将测量点分别定义为静止点和运动点 ,目的在于得出动点的运动规律。测量的结果得到两条规则的直线段 (如图9) ,该曲线就是运动点到静止点的距离随时间变化的分析结果。由曲线可知 ,在伺服电机匀速旋转的驱动下 ,滑块在双螺旋线轴和圆柱体上作匀速往复运动 ,该曲线在任意一直线段的两顶点就是该空间螺旋机构的换向的临界点。在轨迹曲线窗口里可以定义该机构上任意一点并计算其运动的轨迹 ,由图 10可知 :滑块的运动轨迹是水平直线。综上所述 ,该空间螺旋机构在匀速电机的驱动下所连带的往复直线运动是匀速的 ,且速率大小是普通的常数。通过包络分析可以得出滑块的运动所需的空间大小 ,并通过计算生成包络模型 (如图 10) ,这样在多零件复杂的运动机构中 ,可以在设计阶段就避免运动的干涉 6 ,为设计的合理性和实用性提供了很大的辅助参考。6结语在机械运动中 ,往复运动是很常见的一种运动 ,以上列举的三种变向往复