proe的圆锥凸轮机构参数化设计及运动仿真

2013-08-09 by:ProE/Croe培训中心来源:仿真在线

1 圆锥凸轮机构的参数化设计

在proe的三维建模设计中,圆锥凸轮主体圆锥体画法非常简单,采用中心轴画旋转体,可以很方便地生成圆锥体。由于是空间凸轮机构,圆锥周边有按照特定规律分布的从动件导轨,凸轮机构从动件在导轨约束下,作相应的三维摆动。圆锥体上空间轨迹的生成,往往都是借助相应的空间曲线。在圆锥体周边生成按一定规律绕行的空间曲线,是圆锥凸轮设计的关键。圆锥凸轮周边布置空间曲线,受制约的因素非常多。为了使生成凸轮导轨的空间曲线不受相关尺寸参数变化影响,从而在圆锥凸轮设计和调试阶段,可以方便地对三维模型进行修改,达到提高设计效率的目的。在设计中,如果一个尺寸有变化,其它相关联尺寸互相联动,而整个圆锥凸轮机构没有影响。利用proe的参数化设计功能,可以方便地解决这个问题。

圆锥凸轮种类多种多样,依工作要求不同,有不同的类型。根据工作需要,可以设计符合要求的轨迹曲线。下面以一种常见的圆锥凸轮机构为例,对某种摆动从动件圆锥凸轮机构进行参数化设计。已知圆锥凸轮机构从动件的运动规律为:当圆锥体转过120°角时,从动件以等加速运动规律上升10mm;当圆锥体继续旋转60°角时,从动件在最高位置停止不动;当圆锥体再转90°角时,从动件以简谐运动规律下降到初始位置;当圆锥体转过剩余90°角时,从动件停止不动。下面介绍圆锥凸轮机构的参数化设计方法。

1.1 圆锥凸轮的参数化设计

进入proe三维设计状态,指定圆锥凸轮圆锥体文件名为TULUNTI.PRT。设定圆锥体小圆半径参数Rl、大圆半径R2、圆锥体高H、从动件升程高HH、等加速升程角jiaol和jiao2、远休止角jiao3、回程角jiao4、近休止角jiao5,其参数及数值设置界面。

先由proe中实体造型“旋转”工具得一圆锥体,其中圆锥体的尺寸全部用预设的字母参数表示。再在圆锥体中创建空间曲线组,选择相应的圆锥基准坐标系和基准参照为空间曲线参照系,画出一组空间曲线组。空间曲线组由“插入基准曲线”、“从方程”生成,空间曲线组采用柱座标系。圆锥凸轮运动规律由5个部分组成(其中等加速上升分成两段),故有5组方程,相应生成5段三维曲线,这些曲线段分别首尾相接,组成一个空间三维曲线闭环,这个三维曲线闭环就是圆锥凸轮机构摆动从动件某一端的运动轨迹,各段曲线方程组如下。

    方程组一:theta=t*jiao1
    z=5+2*HH*(theta/(jiao1+jiao2))^2/*r=5+z/(H/R1)
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程组二:theta=jiao1+t*jiao2
    z=5+HH-2*HH*(jiaol+jia02-theta^2/(jiaol+jiao2)^2
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程组三:theta=jiao1+jiao2+t*jiao3
    z=5+HH
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程组四:theta=jiao1+jiao2+jiao3+t*jiao4
    z=5+HH*(1+cos((jiao1+jiao2+jiao3)*thetajiao4))/2
    r=R1+z*(R2一R1)/H
    方程组五:theta=jiao1+jiao2+jiao3+jiao4+t*jiao5
    z=5
    r=Rl+z*(R2一R1)/H

生成的空间曲线闭环由于是分段生成,可以通过proe的编辑工具,将5段相对独立的曲线段,组合成一条完整的空间曲线。由于采用参数化的设计方法,可以很方便地让包络在圆锥凸轮的空间曲线闭环,不再受限于圆锥体的尺寸参数变化,甚至是曲线方程发生改变,也可以做到各参数之间的尺寸参数联动变化。空间轨迹曲线包络住圆锥体之后,再利用proe的“可变截面扫描”工具,由上面方程组生成的凸轮空间曲线闭环为导向轨迹线,去除材料,生成所需形状的凸轮导轨槽。由于采用参数化设计方法,空间曲线闭环和圆锥的形状、大小等,都随其中任一参数变化而改变,如果摆动从动件运动规律发生变化,可以通过改变空间曲线方程来更改曲线形状。当圆锥凸轮体生成之后,可以点击proe的“重生成”工具,圆锥凸轮体就会重新生成,从而达到参数化设计的效果。

空间曲线组生成之后,再在曲线的任何一处,利用基准点菜单生成一个基准点,此基准点作为后续仿真运动从动件摆杆槽运动起始点。

1.2 其它部件的设计

摆杆圆锥凸轮机构必要的零部件有机座、圆锥凸轮体、从动摆杆3个部分。摆杆的设计也需采用参数化方式,其长度和形状都可以根据圆锥凸轮体及基座的实际情况设置,这里就不再赘述。需要说明的是摆杆两端需分别生成一个基准点,以作为连接装配和运动仿真时的连接点。机架的设计同样也是采用参数化形式。本例中,为使装配体简单明了,把机架简单化处理,与摆杆一端相连的球铰链用一个基准坐标点,圆锥凸轮的旋转装置用一根轴来表示。

1.3 圆锥凸轮机构参数化装配

圆锥凸轮机构装配体中包含4个部分,即基础坐标系、圆锥凸轮机构机架、摆杆和凸轮圆锥体。圆锥凸轮机构装配时,首先将凸轮机构机架以缺省方式装配到基础坐标系,接着以“连接”、“销钉”类型方式将圆锥凸轮放入机架,最后再以“连接”、“球”类型将摆杆装入。因为圆锥凸轮曲线是空间曲线,故摆杆作复杂的空间运动,而“球”联接类型可以满足摆杆作空间曲线运动的要求。这样整个凸轮机构装配工作结束,为后续的运动仿真创造了条件。

装配完成之后,可以利用装配模式的“工具”、“关系”菜单栏,对装配体的各零件之间装配尺寸关系进行参数化处理。当设计过程中,圆锥凸轮尺寸参数改变,会影响到整个装配关系的变化。通过对装配体进行参数化处理后,圆锥凸轮机构个体尺寸参数发生改变,整个装配体的个体参数和装配关系也能随之改变,对装配组件和运动仿真都不会产生影响。

2 圆锥凸轮机构的运动仿真

圆锥凸轮机构的运动仿真是一种空间运动,在proe中,要使零件按特定规律进行空间运动,较为困难。这里以本文前述圆锥凸轮机构为例,介绍一种通用的创建空间运动仿真的方法。

首先画出物体空间运动规律曲线。对本例中的圆锥凸轮机构来说,可利用上面所得的空间曲线代替。进入在proe界面,打开“应用程序”、“机构模式”菜单栏,将摆杆沿圆锥凸轮导轨槽的运动定义成“槽从动机构”运动连接,槽曲线即为上述空间曲线,曲线上生成的基准点用作槽连接运动的起始点和终止点。

接着定义“伺服电动机”。其定义窗口如图4所示。在“类型”栏,将圆锥凸轮沿固定轴的转动定义为主动连接,在“轮廓”栏,定义圆锥凸轮旋转运动的“速度”或“加速度”,这里“速度”或“加速度”可以根据实际工况要求,定义成“常数”、“余弦曲线”、“正弦曲线”等,甚至还可以根据自己需要,定义成速度或加速度曲线、图表等。

最后进行“运动分析”。新建一运动分析,可使圆锥凸轮机构从动摆杆作相应的空间往复摆动。圆锥凸轮机构在生产应用中,从动摆杆是运动输出体,通过对摆杆的运动测鼍分析,可知其速度是否符合设计要求,从而得出凸轮曲线等指标是否满足条件。在“机构模式”下,点击“机构”、“测量”菜单,进行速度“测量定义”设置。

从动摆杆与凸轮导轨接触处端点x、y、z 3个方向速度合成结果。可以看出,摆杆运动完全符合凸轮机构的“急回特性”这一重要运动性质。由于摆杆一端与固定件基座是通过“球”连接方式,所以摆杆另一端沿圆锥凸轮空间导轨槽曲线的运动不会有干涉的可能,从而呵使摆杆的空间运动平滑地进行下去。

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