proe的圓錐凸輪機構參數化設計及運動仿真

2013-08-09 by:ProE/Croe培訓中心來源:仿真在線

1 圓錐凸輪機構的參數化設計

在proe的三維建模設計中,圓錐凸輪主體圓錐體畫法非常簡單,采用中心軸畫旋轉體,可以很方便地生成圓錐體。由于是空間凸輪機構,圓錐周邊有按照特定規(guī)律分布的從動件導軌,凸輪機構從動件在導軌約束下,作相應的三維擺動。圓錐體上空間軌跡的生成,往往都是借助相應的空間曲線。在圓錐體周邊生成按一定規(guī)律繞行的空間曲線,是圓錐凸輪設計的關鍵。圓錐凸輪周邊布置空間曲線,受制約的因素非常多。為了使生成凸輪導軌的空間曲線不受相關尺寸參數變化影響,從而在圓錐凸輪設計和調試階段,可以方便地對三維模型進行修改,達到提高設計效率的目的。在設計中,如果一個尺寸有變化,其它相關聯(lián)尺寸互相聯(lián)動,而整個圓錐凸輪機構沒有影響。利用proe的參數化設計功能,可以方便地解決這個問題。

圓錐凸輪種類多種多樣,依工作要求不同,有不同的類型。根據工作需要,可以設計符合要求的軌跡曲線。下面以一種常見的圓錐凸輪機構為例,對某種擺動從動件圓錐凸輪機構進行參數化設計。已知圓錐凸輪機構從動件的運動規(guī)律為:當圓錐體轉過120°角時,從動件以等加速運動規(guī)律上升10mm;當圓錐體繼續(xù)旋轉60°角時,從動件在最高位置停止不動;當圓錐體再轉90°角時,從動件以簡諧運動規(guī)律下降到初始位置;當圓錐體轉過剩余90°角時,從動件停止不動。下面介紹圓錐凸輪機構的參數化設計方法。

1.1 圓錐凸輪的參數化設計

進入proe三維設計狀態(tài),指定圓錐凸輪圓錐體文件名為TULUNTI.PRT。設定圓錐體小圓半徑參數Rl、大圓半徑R2、圓錐體高H、從動件升程高HH、等加速升程角jiaol和jiao2、遠休止角jiao3、回程角jiao4、近休止角jiao5,其參數及數值設置界面。

先由proe中實體造型“旋轉”工具得一圓錐體,其中圓錐體的尺寸全部用預設的字母參數表示。再在圓錐體中創(chuàng)建空間曲線組,選擇相應的圓錐基準坐標系和基準參照為空間曲線參照系,畫出一組空間曲線組?？臻g曲線組由“插入基準曲線”、“從方程”生成,空間曲線組采用柱座標系。圓錐凸輪運動規(guī)律由5個部分組成(其中等加速上升分成兩段),故有5組方程,相應生成5段三維曲線,這些曲線段分別首尾相接,組成一個空間三維曲線閉環(huán),這個三維曲線閉環(huán)就是圓錐凸輪機構擺動從動件某一端的運動軌跡,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段相對獨立的曲線段,組合成一條完整的空間曲線。由于采用參數化的設計方法,可以很方便地讓包絡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變化,甚至是曲線方程發(fā)生改變,也可以做到各參數之間的尺寸參數聯(lián)動變化?？臻g軌跡曲線包絡住圓錐體之后,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)為導向軌跡線,去除材料,生成所需形狀的凸輪導軌槽。由于采用參數化設計方法,空間曲線閉環(huán)和圓錐的形狀、大小等,都隨其中任一參數變化而改變,如果擺動從動件運動規(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。當圓錐凸輪體生成之后,可以點擊proe的“重生成”工具,圓錐凸輪體就會重新生成,從而達到參數化設計的效果。

空間曲線組生成之后,再在曲線的任何一處,利用基準點菜單生成一個基準點,此基準點作為后續(xù)仿真運動從動件擺桿槽運動起始點。

1.2 其它部件的設計

擺桿圓錐凸輪機構必要的零部件有機座、圓錐凸輪體、從動擺桿3個部分。擺桿的設計也需采用參數化方式,其長度和形狀都可以根據圓錐凸輪體及基座的實際情況設置,這里就不再贅述。需要說明的是擺桿兩端需分別生成一個基準點,以作為連接裝配和運動仿真時的連接點。機架的設計同樣也是采用參數化形式。本例中,為使裝配體簡單明了,把機架簡單化處理,與擺桿一端相連的球鉸鏈用一個基準坐標點,圓錐凸輪的旋轉裝置用一根軸來表示。

1.3 圓錐凸輪機構參數化裝配

圓錐凸輪機構裝配體中包含4個部分,即基礎坐標系、圓錐凸輪機構機架、擺桿和凸輪圓錐體。圓錐凸輪機構裝配時,首先將凸輪機構機架以缺省方式裝配到基礎坐標系,接著以“連接”、“銷釘”類型方式將圓錐凸輪放入機架,最后再以“連接”、“球”類型將擺桿裝入。因為圓錐凸輪曲線是空間曲線,故擺桿作復雜的空間運動,而“球”聯(lián)接類型可以滿足擺桿作空間曲線運動的要求。這樣整個凸輪機構裝配工作結束,為后續(xù)的運動仿真創(chuàng)造了條件。

裝配完成之后,可以利用裝配模式的“工具”、“關系”菜單欄,對裝配體的各零件之間裝配尺寸關系進行參數化處理。當設計過程中,圓錐凸輪尺寸參數改變,會影響到整個裝配關系的變化。通過對裝配體進行參數化處理后,圓錐凸輪機構個體尺寸參數發(fā)生改變,整個裝配體的個體參數和裝配關系也能隨之改變,對裝配組件和運動仿真都不會產生影響。

2 圓錐凸輪機構的運動仿真

圓錐凸輪機構的運動仿真是一種空間運動,在proe中,要使零件按特定規(guī)律進行空間運動,較為困難。這里以本文前述圓錐凸輪機構為例,介紹一種通用的創(chuàng)建空間運動仿真的方法。

首先畫出物體空間運動規(guī)律曲線。對本例中的圓錐凸輪機構來說,可利用上面所得的空間曲線代替。進入在proe界面,打開“應用程序”、“機構模式”菜單欄,將擺桿沿圓錐凸輪導軌槽的運動定義成“槽從動機構”運動連接,槽曲線即為上述空間曲線,曲線上生成的基準點用作槽連接運動的起始點和終止點。

接著定義“伺服電動機”。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動定義為主動連接,在“輪廓”欄,定義圓錐凸輪旋轉運動的“速度”或“加速度”,這里“速度”或“加速度”可以根據實際工況要求,定義成“常數”、“余弦曲線”、“正弦曲線”等,甚至還可以根據自己需要,定義成速度或加速度曲線、圖表等。

最后進行“運動分析”。新建一運動分析,可使圓錐凸輪機構從動擺桿作相應的空間往復擺動。圓錐凸輪機構在生產應用中,從動擺桿是運動輸出體,通過對擺桿的運動測鼉分析,可知其速度是否符合設計要求,從而得出凸輪曲線等指標是否滿足條件。在“機構模式”下,點擊“機構”、“測量”菜單,進行速度“測量定義”設置。

從動擺桿與凸輪導軌接觸處端點x、y、z 3個方向速度合成結果?？梢钥闯?擺桿運動完全符合凸輪機構的“急回特性”這一重要運動性質。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軌槽曲線的運動不會有干涉的可能,從而呵使擺桿的空間運動平滑地進行下去。

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