proe的圓錐凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

2013-08-09 by:ProE/Croe培訓(xùn)中心來源:仿真在線

1 圓錐凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

在proe的三維建模設(shè)計(jì)中,圓錐凸輪主體圓錐體畫法非常簡單,采用中心軸畫旋轉(zhuǎn)體,可以很方便地生成圓錐體。由于是空間凸輪機(jī)構(gòu),圓錐周邊有按照特定規(guī)律分布的從動(dòng)件導(dǎo)軌,凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件在導(dǎo)軌約束下,作相應(yīng)的三維擺動(dòng)。圓錐體上空間軌跡的生成,往往都是借助相應(yīng)的空間曲線。在圓錐體周邊生成按一定規(guī)律繞行的空間曲線,是圓錐凸輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。圓錐凸輪周邊布置空間曲線,受制約的因素非常多。為了使生成凸輪導(dǎo)軌的空間曲線不受相關(guān)尺寸參數(shù)變化影響,從而在圓錐凸輪設(shè)計(jì)和調(diào)試階段,可以方便地對三維模型進(jìn)行修改,達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率的目的。在設(shè)計(jì)中,如果一個(gè)尺寸有變化,其它相關(guān)聯(lián)尺寸互相聯(lián)動(dòng),而整個(gè)圓錐凸輪機(jī)構(gòu)沒有影響。利用proe的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能,可以方便地解決這個(gè)問題。

圓錐凸輪種類多種多樣,依工作要求不同,有不同的類型。根據(jù)工作需要,可以設(shè)計(jì)符合要求的軌跡曲線。下面以一種常見的圓錐凸輪機(jī)構(gòu)為例,對某種擺動(dòng)從動(dòng)件圓錐凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。已知圓錐凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:當(dāng)圓錐體轉(zhuǎn)過120°角時(shí),從動(dòng)件以等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升10mm;當(dāng)圓錐體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)60°角時(shí),從動(dòng)件在最高位置停止不動(dòng);當(dāng)圓錐體再轉(zhuǎn)90°角時(shí),從動(dòng)件以簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律下降到初始位置;當(dāng)圓錐體轉(zhuǎn)過剩余90°角時(shí),從動(dòng)件停止不動(dòng)。下面介紹圓錐凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

1.1 圓錐凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)

進(jìn)入proe三維設(shè)計(jì)狀態(tài),指定圓錐凸輪圓錐體文件名為TULUNTI.PRT。設(shè)定圓錐體小圓半徑參數(shù)Rl、大圓半徑R2、圓錐體高H、從動(dòng)件升程高HH、等加速升程角jiaol和jiao2、遠(yuǎn)休止角jiao3、回程角jiao4、近休止角jiao5,其參數(shù)及數(shù)值設(shè)置界面。

先由proe中實(shí)體造型“旋轉(zhuǎn)”工具得一圓錐體,其中圓錐體的尺寸全部用預(yù)設(shè)的字母參數(shù)表示。再在圓錐體中創(chuàng)建空間曲線組,選擇相應(yīng)的圓錐基準(zhǔn)坐標(biāo)系和基準(zhǔn)參照為空間曲線參照系,畫出一組空間曲線組。空間曲線組由“插入基準(zhǔn)曲線”、“從方程”生成,空間曲線組采用柱座標(biāo)系。圓錐凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律由5個(gè)部分組成(其中等加速上升分成兩段),故有5組方程,相應(yīng)生成5段三維曲線,這些曲線段分別首尾相接,組成一個(gè)空間三維曲線閉環(huán),這個(gè)三維曲線閉環(huán)就是圓錐凸輪機(jī)構(gòu)擺動(dòng)從動(dòng)件某一端的運(yùn)動(dòng)軌跡,各段曲線方程組如下。

    方程組一:theta=t*jiao1
    z=5+2*HH*(theta/(jiao1+jiao2))^2/*r=5+z/(H/R1)
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程組二:theta=jiao1+t*jiao2
    z=5+HH-2*HH*(jiaol+jia02-theta^2/(jiaol+jiao2)^2
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程組三:theta=jiao1+jiao2+t*jiao3
    z=5+HH
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程組四:theta=jiao1+jiao2+jiao3+t*jiao4
    z=5+HH*(1+cos((jiao1+jiao2+jiao3)*thetajiao4))/2
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程組五:theta=jiao1+jiao2+jiao3+jiao4+t*jiao5
    z=5
    r=Rl+z*(R2一R1)/H

生成的空間曲線閉環(huán)由于是分段生成,可以通過proe的編輯工具,將5段相對獨(dú)立的曲線段,組合成一條完整的空間曲線。由于采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法,可以很方便地讓包絡(luò)在圓錐凸輪的空間曲線閉環(huán),不再受限于圓錐體的尺寸參數(shù)變化,甚至是曲線方程發(fā)生改變,也可以做到各參數(shù)之間的尺寸參數(shù)聯(lián)動(dòng)變化。空間軌跡曲線包絡(luò)住圓錐體之后,再利用proe的“可變截面掃描”工具,由上面方程組生成的凸輪空間曲線閉環(huán)為導(dǎo)向軌跡線,去除材料,生成所需形狀的凸輪導(dǎo)軌槽。由于采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,空間曲線閉環(huán)和圓錐的形狀、大小等,都隨其中任一參數(shù)變化而改變,如果擺動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生變化,可以通過改變空間曲線方程來更改曲線形狀。當(dāng)圓錐凸輪體生成之后,可以點(diǎn)擊proe的“重生成”工具,圓錐凸輪體就會(huì)重新生成,從而達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的效果。

空間曲線組生成之后,再在曲線的任何一處,利用基準(zhǔn)點(diǎn)菜單生成一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),此基準(zhǔn)點(diǎn)作為后續(xù)仿真運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件擺桿槽運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)。

1.2 其它部件的設(shè)計(jì)

擺桿圓錐凸輪機(jī)構(gòu)必要的零部件有機(jī)座、圓錐凸輪體、從動(dòng)擺桿3個(gè)部分。擺桿的設(shè)計(jì)也需采用參數(shù)化方式,其長度和形狀都可以根據(jù)圓錐凸輪體及基座的實(shí)際情況設(shè)置,這里就不再贅述。需要說明的是擺桿兩端需分別生成一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),以作為連接裝配和運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)的連接點(diǎn)。機(jī)架的設(shè)計(jì)同樣也是采用參數(shù)化形式。本例中,為使裝配體簡單明了,把機(jī)架簡單化處理,與擺桿一端相連的球鉸鏈用一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn),圓錐凸輪的旋轉(zhuǎn)裝置用一根軸來表示。

1.3 圓錐凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化裝配

圓錐凸輪機(jī)構(gòu)裝配體中包含4個(gè)部分,即基礎(chǔ)坐標(biāo)系、圓錐凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)架、擺桿和凸輪圓錐體。圓錐凸輪機(jī)構(gòu)裝配時(shí),首先將凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)架以缺省方式裝配到基礎(chǔ)坐標(biāo)系,接著以“連接”、“銷釘”類型方式將圓錐凸輪放入機(jī)架,最后再以“連接”、“球”類型將擺桿裝入。因?yàn)閳A錐凸輪曲線是空間曲線,故擺桿作復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng),而“球”聯(lián)接類型可以滿足擺桿作空間曲線運(yùn)動(dòng)的要求。這樣整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)裝配工作結(jié)束,為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)造了條件。

裝配完成之后,可以利用裝配模式的“工具”、“關(guān)系”菜單欄,對裝配體的各零件之間裝配尺寸關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化處理。當(dāng)設(shè)計(jì)過程中,圓錐凸輪尺寸參數(shù)改變,會(huì)影響到整個(gè)裝配關(guān)系的變化。通過對裝配體進(jìn)行參數(shù)化處理后,圓錐凸輪機(jī)構(gòu)個(gè)體尺寸參數(shù)發(fā)生改變,整個(gè)裝配體的個(gè)體參數(shù)和裝配關(guān)系也能隨之改變,對裝配組件和運(yùn)動(dòng)仿真都不會(huì)產(chǎn)生影響。

2 圓錐凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

圓錐凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真是一種空間運(yùn)動(dòng),在proe中,要使零件按特定規(guī)律進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng),較為困難。這里以本文前述圓錐凸輪機(jī)構(gòu)為例,介紹一種通用的創(chuàng)建空間運(yùn)動(dòng)仿真的方法。

首先畫出物體空間運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。對本例中的圓錐凸輪機(jī)構(gòu)來說,可利用上面所得的空間曲線代替。進(jìn)入在proe界面,打開“應(yīng)用程序”、“機(jī)構(gòu)模式”菜單欄,將擺桿沿圓錐凸輪導(dǎo)軌槽的運(yùn)動(dòng)定義成“槽從動(dòng)機(jī)構(gòu)”運(yùn)動(dòng)連接,槽曲線即為上述空間曲線,曲線上生成的基準(zhǔn)點(diǎn)用作槽連接運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。

接著定義“伺服電動(dòng)機(jī)”。其定義窗口如圖4所示。在“類型”欄,將圓錐凸輪沿固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定義為主動(dòng)連接,在“輪廓”欄,定義圓錐凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的“速度”或“加速度”,這里“速度”或“加速度”可以根據(jù)實(shí)際工況要求,定義成“常數(shù)”、“余弦曲線”、“正弦曲線”等,甚至還可以根據(jù)自己需要,定義成速度或加速度曲線、圖表等。

最后進(jìn)行“運(yùn)動(dòng)分析”。新建一運(yùn)動(dòng)分析,可使圓錐凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)擺桿作相應(yīng)的空間往復(fù)擺動(dòng)。圓錐凸輪機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)應(yīng)用中,從動(dòng)擺桿是運(yùn)動(dòng)輸出體,通過對擺桿的運(yùn)動(dòng)測鼉分析,可知其速度是否符合設(shè)計(jì)要求,從而得出凸輪曲線等指標(biāo)是否滿足條件。在“機(jī)構(gòu)模式”下,點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”、“測量”菜單,進(jìn)行速度“測量定義”設(shè)置。

從動(dòng)擺桿與凸輪導(dǎo)軌接觸處端點(diǎn)x、y、z 3個(gè)方向速度合成結(jié)果。可以看出,擺桿運(yùn)動(dòng)完全符合凸輪機(jī)構(gòu)的“急回特性”這一重要運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。由于擺桿一端與固定件基座是通過“球”連接方式,所以擺桿另一端沿圓錐凸輪空間導(dǎo)軌槽曲線的運(yùn)動(dòng)不會(huì)有干涉的可能,從而呵使擺桿的空間運(yùn)動(dòng)平滑地進(jìn)行下去。

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