弹簧自动上料机的Pro/E运动仿真

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摘要:弹簧自动上料机的设计使原有的数控弹簧高速自动分选机实现了自动上料,节省了劳动力成本,提高了生产效率。文章介绍了将弹簧自动上料机的各组成部件设计好后,对其进行装配,分别将激振器机构简化为凸轮机构,将整个上料机构简化为摇杆机构在pro/E中对其进行运动仿真的方法。

关键词:弹簧自动上料机;Pro/E软件;动态机构设置;运动仿真

一、机构运动仿真的相关理论

机构运动仿真分析,可以实现机械工程中非常复杂机构运动分析。在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代CAD工程中的一个重要方向及课题。一般来说,工程师首先将零件的三维模型建好,其次确定运动零件,然后确定各运动零件之间的约束关系。最后利用特定分析软件进行机构分析,如ADAMS.ANSYS等。其中的关键环节为建立零件间约束关系及载荷定义并求解。

机构运动仿真一般可用一些高级语言如VB、VC、OPENGL、AUTOCAD和3DMAX等软件编程实现。所编程序比较复杂,通用性不强,而且无法自动生成对运动分析有用的数据。美国PTC公司推出的Pro/Engineer软件不仅CAD功能很强,而且具有CAM和CAE功能,其中机构(Mechanism)模块可对构建的装配进行仿真,以观察整个机构的实际运动过程。同时也可以检查构件间是否干涉,具体干涉的体积。进一步可以确定运动的极限位置,兴趣点的轨迹和曲线,以及运动学和动力学参数等。相比编程而言,只需简单地构建装配实体和定义运动分析,省去了参数的矢量推导、分析和程序化。为机构的设计分析提供了一种简便的方法。

二、弹簧自动上料机的装配

弹簧自动上料机主要由三部分组成:激振器、送料槽、出料器。图1即为弹簧自动上料机的三维实体图。

三、弹簧自动上料机的运动仿真

(一)激振器的仿真

激振器的运动是:电动机带动激振器轴运动,进而使套在激振器轴上的偏心块转动,偏心块转动时,时而与平衡体接触,时而与平衡体脱离,则平衡体的运动就是一个近似的摇摆运动,可以近似看作直线运动,即激振器产生振动的轨迹可以近似看作直线。

由于激振器的总体运动方案是将转动转化为直线运动,所以,构成激振器的主要机构就是一个凸轮机构。那么,对于激振器的仿真就可以简化为对凸轮机构的仿真。图2即为简化的凸轮机构,主动轮作顺时针转动,带动从动杆做直线运动。凸轮的主动轮就相当于激振器中的偏心块,从动轮相当于平衡体,从动杆相当于激振器的壳体。图2中的①-②-③-④-①即为凸轮的旋转过程。

将凸轮机构装配好,进入Pro/E的“机构”模块对其进行仿真:

1、设置凸轮从动机构连接。分别点选主动轮和从动轮的外圆弧面。Pro/E系统自动抓取这两个面为贴和面。

2、创建弹簧。在点PNT0-PNT0中创建弹簧,取弹簧常数k=100,弹簧原始长度=60mm,弹簧直径=25mm。

3、创建阻尼器。在点PNT0-PNT0中创建阻尼器,取阻尼器常数C=100。

4、设置伺服电机。将伺服电机装在凸轮机构的主动轮中心轴上,电机的转动速度为72deg/sec,各项参数设置完成以后的凸轮机构如图3所示。

5、选取位于弹簧下端的PNT0点,即相当于激振器中平衡体上的一点,对其进行Y方向上的位置、速度、加速度的动态分析,得出其测量图,三条曲线位于一个测量界面中,如图4所示。

图中浅蓝色的曲线代表位置(follower_position)曲线;深蓝色的曲线代表速度(follower_velocity)曲线;青色的曲线代表加速度(follower_acceleration)曲线。横轴表示时间轴,纵轴表示测量轴。由这个曲线图可知,凸轮机构在刚开始运动时、以及在运动到第4-5秒的时候,加速度最大。凸轮机构在刚开始启动时,运动状态由静止变为运动,很显然,要有相当大的加速度才能运动起来,故在刚开始启动时加速度很大。当凸轮机构运行起来后,速度逐渐趋于恒定,加速度减小为0,当运动到第4-5秒时,即图2③所示的位置时,也就是PNT0点到达最低点时,因有重力加速度的影响,加速度达到最大。而后速度又趋于恒定,如此循环。激振器中平衡体上某一点的位移、速度、加速度曲线也是同样道理。

(二)弹簧上料机的仿真

由于激振器的运动轨迹是一个近似的摇摆运动,它将振动传递给送料槽,那么送料槽的运动轨迹就是一个椭圆。故整个上料机系统就可以简化为一个摇杆机构,则对弹簧上料机的仿真就可以简化为对摇杆机构的仿真。

图5即为简化的摇杆机构。图中左边的杆,也就是①所表示的杆,是主动件,相当于激振器。右边的杆,也就是②所指的杆是从动杆,相当于送料槽。

将四杆机构装配好,进入Pro/E的“机构”模块对其进行静态仿真分析。当施加外力于机构上的某个位置时,机构在施力处会因为施加的力量而产生加速度,进而使机构产生运动,静态分析是让我们能了解到机构由“受力开始”至“达到力平衡”为止的机构运动状况,以及施力处的加速度曲线。当加速度到达0时,整个机构便达到平衡的配置,不再运动。

下面就是对四杆机构进行静态分析的详细过程,直至得出加速度曲线图:

1、将四根杆件用销钉方式连接。

2、切换Pro/E进入“机构”模块,用“快照”将四杆机构的目前配置记录下来。

3、在杆1的PNT0所在的轴上创建一个弹簧,取弹簧的常数k=1200。

4、创建一个作用于机构组件上的力,使力的作用点落在PNT1上,作用力的大小取500N。将作用力的方向设为Y方向。

5、运用静态分析工具,启用重力外部载荷,进行机构的静态分析,得出四杆机构的加速度曲线。由于在PNT0点有500N的作用力,故杆①会向逆时针方向旋转,直到达到作用力与反作用力两者平衡才能停止旋转,但旋转角度不大。由“受力开始”到“到达力平衡”期间,加速度的变化曲线图如图6所示。

图中横轴表示计算的次数,纵轴表示加速度。当施加力的初始时刻,也就是计算次数临界于0时,组件在施力处产生相当大的加速度。也就是说,上料机在刚刚启动的时候会产生相当大的加速度。但组件在受力的同时又会产生反作用力,因此,在运行过程中,施力处的加速度会逐渐减小。当反作用力大到等于作用力的时候,组件即达到平衡的状态。

四、结论

本文运用Pro/E对弹簧上料机进行仿真分析,从其速度、加速度曲线图上可以比较清楚的反映出弹簧上料机的运动过程,以便我们对其结构进行完善和修正。

参考文献:

1、林清安.Pro/ENGINEER动态机构设计与仿真[M].电子工业出版社,2007.

2、葛浩.Pro/E机构设计与运动仿真实例教程[M].化学工业出版社,2007.

(作者单位:冯贵层,武汉交通职业学院机电工程系;任欢,深圳富士康科技集团)