基于Solidworks motion的凸輪運(yùn)動(dòng)仿真

首云飛

摘要：本文利用Solidworks的motion運(yùn)動(dòng)仿真功能，完成了模切機(jī)清廢上框動(dòng)力凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件相應(yīng)的線位移、速度、加速度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力等運(yùn)動(dòng)曲線圖。從而可以快速、準(zhǔn)確、直觀的分析判斷凸輪廓線曲線的性能。

關(guān)鍵詞：模切機(jī) 凸輪 Solidworks；Motion運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)曲線

0引言

凸輪擺桿機(jī)構(gòu)是一種很典型的常用機(jī)構(gòu)，被大量使用在各種輕工設(shè)備上。例如印后模切設(shè)備中平壓清廢模切機(jī)的清廢機(jī)構(gòu)，就是該機(jī)構(gòu)應(yīng)用的一個(gè)典型案例。

清廢模切機(jī)是一種自動(dòng)化程度很高的印后設(shè)備之一。模切機(jī)的清廢機(jī)構(gòu)是影響清廢效果和效率的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是由一套凸輪連桿驅(qū)動(dòng)，凸輪曲線設(shè)計(jì)的好壞將直接影響設(shè)備運(yùn)行的速度和精度。本文將以該機(jī)構(gòu)中清廢上框凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型做為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

隨著計(jì)算輔助設(shè)計(jì)功能的不斷完善，工程技術(shù)人員也越來(lái)越多采用三維計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析。本文所分析的凸輪機(jī)構(gòu)就是基于Solidworks為建?；A(chǔ)，完成虛擬的裝配，并應(yīng)用Motion分析軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的性能曲線圖解。能夠快速幫助設(shè)計(jì)人員提供直觀、準(zhǔn)確的分析結(jié)果，以判斷原凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

1仿真模型

模切機(jī)清廢上框凸輪機(jī)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由擺動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等組成。

該機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)組成形式。其中，擺動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)為輸入構(gòu)件，兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為輸出機(jī)構(gòu)，由滑塊帶動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2分析目的

利用SolidWorks中Motion插件對(duì)該機(jī)構(gòu)的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到該機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性能曲線，如位移、速度及加速度曲線等，進(jìn)而得到凸輪曲線的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，判斷凸輪曲線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣；

在運(yùn)動(dòng)分析中加載和實(shí)際負(fù)載相同的力，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析。得出一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)凸輪與滾子間的接觸力變化規(guī)律，根據(jù)凸輪滾子受力的性能指標(biāo)，判斷凸輪曲線的優(yōu)劣及反向驗(yàn)證凸輪滾子的選型是否合理；

3分析步驟及方法

在Solidworks中建立一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型，定義機(jī)架零件為靜止零件、分別在凸輪與滾子、各連桿構(gòu)件間添加凸輪運(yùn)動(dòng)副及同心配合。裝配關(guān)系定義完成后，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪檢查各連桿及各輸出件運(yùn)動(dòng)位置，確保能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。單擊菜單“工具”——“插件”——“Solidworks motion”啟動(dòng)motion仿真插件，并建立一個(gè)新的“運(yùn)動(dòng)算例”進(jìn)入仿真模式。

設(shè)置“運(yùn)動(dòng)算例”相關(guān)參數(shù)。如圖3、圖4所示，在輸出構(gòu)件上增加一個(gè)與清廢框的質(zhì)量相同的重物（初定1500N），并在模型全局施加沿Y軸負(fù)向的引力，以模擬連桿的重力；

在凸輪上添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并按照實(shí)際工況設(shè)置轉(zhuǎn)速（按120RPM），完成運(yùn)動(dòng)仿真模型的建立，如圖5。

設(shè)置好以上參數(shù)后，運(yùn)行該運(yùn)動(dòng)算例?？梢圆シ懦鲈摍C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，通過(guò)motion仿真可得到凸輪機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在一個(gè)分度周期內(nèi)的變化規(guī)律?？赏ㄟ^(guò)如圖6對(duì)話框，選擇需要分析構(gòu)件輸出結(jié)構(gòu)類(lèi)型，生成相應(yīng)的圖解。

4運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的應(yīng)用和分析

A：通過(guò)motion中圖解選項(xiàng)可繪制出輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖7所示。由此可作為判斷凸輪曲線的優(yōu)劣的依據(jù)。

由仿真結(jié)果可知，該凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪為單停歇凸輪。比較輸出構(gòu)件位移、速度、加速度曲線與可以得出：該凸輪曲線在推稱(chēng)和回程階段均采用了擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。速度、加速度曲線較光滑無(wú)沖擊，能夠滿足中速凸輪機(jī)構(gòu)中的要求。

但是當(dāng)推程以及回程均采用擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，其加速度曲線在推程極值位置出現(xiàn)不連續(xù)情況，且躍度會(huì)有較大的突變（如圖8所示躍度變化曲線），使得從動(dòng)件慣性力產(chǎn)生突變，在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)引起機(jī)構(gòu)振動(dòng)。所以該凸輪機(jī)構(gòu)若要在適應(yīng)更高速度的要求，為避免震動(dòng)就需要采用凸輪整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期加速度均連續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

B：通過(guò)motion中圖解選項(xiàng)還可繪制出滾子與凸輪間作用力隨時(shí)間變化曲線，如圖9所示。由此可作為判斷凸輪滾子選型是否合適的依據(jù)。

如下圖示：當(dāng)負(fù)載為1500N，轉(zhuǎn)速為120RPM時(shí)。滾子和凸輪之間的最大接觸力為5826N，同時(shí)可求出滾子接觸力的平均值。據(jù)此可判斷出所選凸輪滾使用壽命是否足夠。

5結(jié)束語(yǔ)

本文利用Solidworks的“motion”運(yùn)動(dòng)仿真功能，完成了模切機(jī)清廢上框動(dòng)力凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到運(yùn)動(dòng)從動(dòng)件相應(yīng)的線位移、速度、加速度、躍度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力曲線圖?？梢院苤庇^的得知所設(shè)計(jì)凸輪的性能，以及反向驗(yàn)證凸輪滾子選型是否滿足需求。可以快速判斷凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，大大降低研發(fā)成本；同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化凸輪曲線提供了明確的方向和理論依據(jù)。

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