白艷

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

基于Solidworks的組合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與分析

白艷

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

利用Solidworks對(duì)齒輪凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；通過(guò)仿真模擬得到了位移、速度和加速度的運(yùn)動(dòng)曲線；最后針對(duì)上述兩種組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行了對(duì)比分析研究。研究結(jié)果為掌握組合機(jī)構(gòu)的組成原理、運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能提供了理論依據(jù)；增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的直觀形象性，并且可以為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)做好鋪墊。

運(yùn)動(dòng)仿真；機(jī)構(gòu)；Solidworks

現(xiàn)代化機(jī)械產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備朝著高精度、高負(fù)載及自動(dòng)化的方向發(fā)展，單一的機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的實(shí)際生產(chǎn)需要，越來(lái)越多的組合機(jī)構(gòu)出現(xiàn)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品中，日本利用齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)已設(shè)計(jì)出了多款機(jī)器人，向自動(dòng)化邁出了一大步；美國(guó)利用齒輪連桿機(jī)構(gòu)已設(shè)計(jì)出了月球探測(cè)器和著陸器，因此組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)用成了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

對(duì)于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法多采用軌跡圖法或根據(jù)幾何約束條件建立方程組進(jìn)行求解。但對(duì)于三個(gè)以上的組合機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)的多樣性及軌跡的復(fù)雜性使得軌跡法和計(jì)算法顯得非常復(fù)雜，并且很難保證求解的準(zhǔn)確性。SolidWorks三維繪圖軟件是集設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)一體的軟件，通過(guò)三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，能夠很好的得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線，并縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，同時(shí)也能為后續(xù)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1 齒輪凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

齒輪凸輪機(jī)構(gòu)由齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪活塞機(jī)構(gòu)組成，其工作原理圖如圖1所示。A為小齒輪，B為大齒輪，C為凸輪機(jī)構(gòu)，D為活塞機(jī)構(gòu)。當(dāng)馬達(dá)帶動(dòng)小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，小齒輪帶動(dòng)大齒輪運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)起到了一個(gè)減速的作用，大齒輪帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)通過(guò)其輪廓曲線帶動(dòng)推桿機(jī)構(gòu)作上下平動(dòng)，推桿機(jī)構(gòu)鏈接著活塞機(jī)構(gòu)，使活塞機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓曲線較復(fù)雜，不易得到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［1］。因此在本設(shè)計(jì)將凸輪與連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，以觀察兩種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。從而研究連桿機(jī)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中的相對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 齒輪凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

小齒輪分度圓D1=40 mm；大齒輪分度圓D2= 60 mm。連接齒輪與凸輪的連桿如圖1所示；凸輪的基圓半徑r0=25 mm，；凸輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推桿作上下平動(dòng)，推桿連接著活塞，活塞的活動(dòng)盤直徑d1=40 mm；推桿的長(zhǎng)度L=60 mm；將各零件圖裝配得到齒輪凸輪機(jī)構(gòu)的裝配圖如圖2所示。最后進(jìn)行動(dòng)畫仿真，在裝配的過(guò)程中注意小齒輪與大齒輪的嚙合、凸輪與推桿機(jī)構(gòu)的嚙合，要限制其自由度，因此連接處要用到鍵或用六角連桿，為了便于設(shè)計(jì)與繪畫，此裝配采用六角連桿［2］。

圖2 齒輪凸輪機(jī)構(gòu)的裝配圖

給小齒輪添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)提供其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小齒輪在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，小齒輪將動(dòng)力傳給大齒輪，由于剛開(kāi)始不需要活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)較快，所以這里起到了一個(gè)減速的作用。我們?cè)O(shè)置小齒輪的轉(zhuǎn)速為10 r/min，仿真時(shí)間5 s，進(jìn)行仿真［3］。仿真結(jié)果的位移、速度、加速度圖如圖3、圖4、圖5所示。

2 齒輪凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

根據(jù)位移圖所知，凸輪推桿的位移是隨著運(yùn)動(dòng)使推桿先向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，此過(guò)程為推程；由于凸輪有一個(gè)以軸心為圓的圓弧，所以推桿有一段時(shí)間處于最高位置而靜止不動(dòng)，即為遠(yuǎn)休止；經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)休止后，推桿又隨著不規(guī)則的圓弧運(yùn)動(dòng)回到起始點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程為回程；凸輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推桿又重復(fù)上述過(guò)程。凸輪機(jī)構(gòu)按照某規(guī)定的運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)動(dòng)，其凸輪輪廓的設(shè)計(jì)與制造較困難，因此本文利用齒輪連桿機(jī)構(gòu)來(lái)代替齒輪凸輪機(jī)構(gòu)。

圖3 齒輪凸輪推桿的位移圖

圖4 齒輪凸輪推桿的位移圖

圖5 齒輪凸輪推桿的位移圖

根據(jù)凸輪推桿的運(yùn)動(dòng)速度圖可知，推桿在凸輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中先是加速運(yùn)動(dòng)到最大速度，保持最大速度運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，然后減速至零；凸輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，推桿作回程運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推桿的速度再次變大，方向發(fā)生變化。由于此時(shí)的凸輪并不規(guī)則所以推桿的速度最高點(diǎn)取決于不規(guī)則曲面的長(zhǎng)度，當(dāng)?shù)竭_(dá)速度最高點(diǎn)時(shí)，推桿作減速運(yùn)動(dòng)直到回到運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)，此時(shí)速度為零。

根據(jù)推桿的加速度圖可知，剛開(kāi)始為無(wú)窮大；推桿勻速上升過(guò)程，加速度為零；推桿速度為零時(shí)，加速度也為零；推桿反向運(yùn)動(dòng)，加速度增大；當(dāng)速度達(dá)到反向最大時(shí)，加速度為零。

3 總結(jié)

研究結(jié)果表明，利用Solidworks可以得到準(zhǔn)確得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性；可以直觀的得到機(jī)構(gòu)在任意時(shí)間運(yùn)動(dòng)的數(shù)值；同時(shí)通過(guò)仿真動(dòng)畫，可以真實(shí)的觀察到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，并且得到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與理論知識(shí)計(jì)算所得結(jié)果相吻合，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效真實(shí)的理論依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ 孫桓，陳作模.機(jī)械原理［M］.6版.北京：高等教育出版社，2001.

［2］ 詹迪維. Solidworks快速入門教程（2012中文版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 劉靜.挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模策略與仿真技術(shù)研究［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004（11）：1.

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Solidworks based motion simulation and analysis for combinations

TQ330.4

1009-797X（2015）22-0154-03

B DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.22.062

白艷（1976-），女，工程師，畢業(yè)于河南理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，風(fēng)神輪胎股份有限公司，主要從事信息化建設(shè)和管理工作。

2015-09-17