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基于Pro/E曲柄滑块机构的运动仿真及分析

UGCAD视频网 / 2012-11-08
摘要:在各类机械传动结构中,曲柄滑块有着广泛的应用,本文根据曲柄滑块机构设计的原理,提出在Pro/E中实现曲柄滑块设计及实体造型的方法,并利用Pro/E的运动分析模块(Mechanism)对曲柄滑块进行运动分析和仿真,提供对曲柄滑块的优化设计。

    机构运动分析模块(Mechanism)是Pro/Engineer中一个集运动仿真和机构分析于一身的功能强大的模块。该模块能够对设计进行模拟仿真校验,如运动仿真显示,运动干涉检验,运动轨迹、位移、速度、加速度计算等。曲柄滑块机构是最常见的机械产品的运动结构,该机构的输出运动形式为往复直线运动,广泛应用于复活塞式发动机、压缩机、冲床等主机构中。

    本文基于Pro/E平台下,对该机构进行装配及运动仿真的相关设置,在不考虑模型系统作用力的情况下,对机构进行运动分析,测量主体位置、速度的改变,检查元件之间的关系,输出运动轨迹和包络图,得出机构运动的规律和与设计相关的重要数据,使原来在二维图样上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改,大大简化了机构的设计开发过程,缩短了开发周期,减少了开发费用,提高了产品质量。
1 装配
    用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构.也称曲柄连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块,通过转动副连接曲柄和滑块的构件为连杆,如图1所示。
曲柄滑块机构的装配
图1 曲柄滑块机构的装配
    首先在基础模块下对以上4个零件进行建模,然后在装配模块下,通过定义各个零部件间的装配关系,使其按照所需要的自由度进行装配。
装配时,会弹出“元件放置”窗口,此窗口有3个页面:“放置”“移动”“连接”。传统的装配元件方法是在“放置”页面给元件加入各种固定约束,将元件的自由度减少到0,因元件的位置被完全固定,这样装配的元件不能用于运动分析;另一种装配元件的方法是在“连接”页面给元件加入各种组合约束,如销钉、圆柱、刚体、球、6DOF等等,因自由度没有完全消除(刚体、焊接、常规除外),这些组合约束装配的元件可以自由移动或旋转,这样装配的元件可用于运动分析。
如图1所示,将曲柄的安装轴(电动机中心)和滑槽固定并设置曲柄的主旋转轴为销钉联接,曲柄和连接杆以及连接杆和矩形滑块之间采用销钉连接,矩形滑块和滑槽之间采用平面约束。
2 运动仿真
    进入机构运动分析模块(Mechanism)进行伺服电动机的设置,如图2所示。可规定伺服电动机在2个主体之间、单个自由度内做特定类型的运动,并将位置、速度或加速度指定为时间函数,控制平移或旋转运动。通过指定伺服电动机函数,如常数或线性函数,可以定义运动的轮廓。由于曲柄的安装轴为动力源,因此定义此轴为伺服电动机,方向为顺时针,角速度为匀速,大小为18°/s。
伺服电动机的设置
图2 伺服电动机的设置
    新建-运动分析,在类型栏选择“运动学”。然后设置“优先选项”页和“电动机”。在“优先选项”页里,设置运动的起止时间及定义动画时域,并可设定主体锁定、连接锁定及初始位置。在“电动机”页面里,可以设置用于分析的电动机。对于运动分析,只能用连接轴伺服电动机,也可以设定各个电动机的作用时间,以实现多个电动机分时段起作用。定义结束后点“运行”,将执行分析,并产生一个结果集。


    针对此曲柄滑块机构,选取当前位置作为分析起点,设定运动时间为100s,帧频为10帧/s,电动机恰好完成5个周期360°的运动。随后将运动仿真的分析结果保存起来,以便于分析在曲柄驱动下的矩形滑块的运动规律,如图3所示。
运动仿真
图3 运动仿真
3 运动分析
    由于曲柄的电动机旋转中心轴是相对静止的,而矩形滑块的铰接轴是运动的,此2轴相互平行,故过2轴作一个平面(此面和矩形滑块的外表面重合)的驱动下的速度变化曲线与2轴相交得出2个点,1个是静止点,1个是运动点(如图2),且此2点的运动轨迹都在该平面内。
打开测量窗口,在类型里选择“分离”,并将测量点分别定义为静止点和运动点,目的在于得出动点的运动规律。测量的结果得到1条正弦曲线,该曲线就是运动点到静止点的距离随时间变化的分析结果,如图4所示。由曲线可知,在伺服电动机匀速旋转的1个运动周期内,矩形滑块在滑槽内作变速往复运动,且正弦曲线的波峰和波谷时刻就是滑块的换向时刻。
运动分析
图4 运动分析
    在轨迹曲线窗口里可以定义该机构上任意一点并计算其运动的轨迹。点击“插入”菜单中的“轨迹曲线”,分别选定矩形滑块上的点和曲柄上的点,在结果集中输出2D曲线,如图5所示,矩形滑块的运动轨迹是水平直线,曲柄曲线为一圆形。综上所述,曲柄滑块机构在匀速电动机的驱动下所连带的往复直线运动是变速的,且速度规律是标准的正弦曲线。
运动轨迹
图5 运动轨迹
4 结语
    在机械运动中,往复运动是很常见的一种运动,以上分析的曲柄滑块机构特点是在匀速单向电动机的驱动下做往复直线运动。此运动机构在现实生活运用相当广泛,通过Pro/E的模拟仿真校验,输出运动曲线及运动轨迹,能够更加直观地了解并掌握该机构运动的规律,大大简化机构的设计开发过程。
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