基于SolidWorks 攪拌器機構運動分析與設計

楊曉華,謝彩云,馮玉華

(成都工貿職業技術學院/成都市技師學院,四川 成都 611731)

0 引言

攪拌機構屬于常見的平面四桿機構類型,平面四桿機構在機械設備中得到廣泛應用,工程技術人員根據運動要求進行結構設計,在設計過程中需要對四桿機構開展運動分析。傳統的三種方法有圖解法、實驗法和解析法都不夠直觀,作圖復雜,計算工作量大,不能為工程技術人員提供很好的理論模型。計算機輔助設計軟件能解決這個問題,比如Solid-Works 軟件的Motion 模塊,它能夠快速高效的虛擬仿真構件的位置、構件上點的運動軌跡、構件的運動規律等。

1 攪拌器機構的工作原理

該攪拌器用于液體的混合,攪拌器機構的工作簡圖如圖1 所示。圖中AB 桿為曲柄、BC 為連架桿、CD 為搖桿、AD 為機架、CE 為攪拌頭。主動件曲柄AB 逆時針進行圓周針旋轉,而構件CD 只能做擺動,CE 桿運動路徑為攪拌頭的工作軌跡。

圖1 攪拌器機構工作簡圖

2 速度瞬心法介紹

在機械原理中經常用運動學方法解決機構幾何學問題。速度瞬心法是這種方法的典型運用,該方法屬于圖解法,既靈活方便又直觀簡潔,是一種行之有效的方法。

速度瞬心定義原則先確定直接接觸構件的速度瞬心位置,再按“三心定理”確定非直接接觸構件的速度瞬心位置。對于相隔兩個及以上構件間非直接接觸構件的速度瞬心位置確定的問題,圖解法較為復雜,很難確保作圖的精度。如何有效確定復雜機構的全部瞬心位置,是使用速度瞬心法進行復雜機構運動分析的關鍵。借助SolidWorks 軟件裝配體中的布局功能繪圖模塊可以有效提高確定速度瞬心位置的效率還能確保作圖精度。

3 攪拌器機構的角速度、線速度分析

3.1 速度瞬心法求解攪拌器機構的角速度、線速度

3.1.1 在布局下創建攪拌器機構

攪拌器是一種曲柄搖桿機構。機構的數學模型AB=14 mm、BC=44 mm、CD=32 mm、AD=42 mm及構件的相對位置關系,如圖2 所示實線部分。點擊“新建”選項卡,在彈出的對話框中單擊“裝配體”,再點“生成布局”利用布局模塊“繪制工具條”按鈕繪制攪拌器機構示意圖并標注相應的構件尺寸。

圖2 曲柄AB 構件在不同位置的示意圖

3.1.2 速度瞬心法求解CD 構件的角速度、線速度

曲柄AB 構件用電機驅動并且勻速運動,速度為10 r/min。曲柄AB 構件在0 s 時處于水平位置0°和當曲柄AB 構件轉動1.2 s 時,曲柄以水平位置0°為參考,轉動72°。試求曲柄AB 構件在0°和72°時,AB、CD 構件的角速度和B、C 點的線速度。利用SolidWorks 布局的繪圖功能作出攪拌器構件AB(設為構件2)、CD 構件(設為構件4)的瞬心(設為P24)、瞬心位置及對應A、B 點距離進行參數化標注,如圖2 所示。試運用瞬心法求CD 構件的角速度及C 點的線速度。

(1)曲柄AB 構件位于0°時,AB、CD 構件的角速度和B、C 點的線速度。

①曲柄AB 構件角速度和B 點的線速度

由于曲柄AB 構件作勻速運動,AB 的直線對應的角速度、B 是點對應線速度在任何時刻角速度和線速度是相等的,構件AB 的角速度用ω1表示,CD構件的角速度用ω2表示。

②CD 構件的角速度及C 點的線速度

(2)曲柄AB 構件位于72°時,CD 構件的角速度和C 點的線速度。

為對比研究,依次取曲柄AB 在1.8、2.4、3.0、4.2、5.4 s 時對應CD 構件的角速度及C 點的線速度,計算結果如表1 所示。

表1 AB、CD 構件的角速度和B、C 的線速度

3.2 利用SolidWorks 軟件Motion 功能運動仿真

利用SolidWorks 軟件中Motion 功能,在AB 桿件上添加旋轉電機,電機轉速為10 r/min,設置動畫時間為6 s。在動畫演示的過程中,AB 桿作周轉、CD 桿擺動,進一步驗證了此機構為曲柄搖桿機構。

3.2.1 “跟蹤路徑”分析攪拌器的運動軌跡

利用SolidWorks 軟件中Motion 功能中的“跟蹤路徑”分析運動軌跡,可以完成平面連桿機構設計的三大類基本命題中兩個任務滿足預定的連桿位置要求和預定的軌跡。圖解法是完成設計連桿位置、預定的軌跡的常用方法,但圖解法作圖比較繁雜,利用SolidWorks 中Motion 功能下面的“結果和圖解”在彈出“結果”對話框中,選擇“位移/速度/加速度”下方“跟蹤路徑”可直接生成軌跡,提高設計工作的效率。攪拌機機構的軌跡仿真如圖3 所示。

圖3 攪拌器機構的軌跡

3.2.2 攪拌器運動規律的分析

利用SolidWorks 軟件Motion 功能中的“角速度、線速度、加速度”選項可以完成平面連桿機構設計的三大類基本命題之一滿足預定的運動規律要求,利用SolidWorks 軟件中Motion 功能下面的“結果和圖解”在彈出“結果”對話框中,選擇“位移/速度/加速度”下面的“角速度、線速度”進行設置直接生成圖解表,讀取相應的角速度和線速度,如圖4、5所示。

圖4 C 點的角速度圖解

圖5 C 點的線速度圖解

為對比研究,依次從圖解表中讀取曲柄AB 在1.8、2.4、3.0、4.2、5.4 s 時對應CD 構件的角速度及C 點的線速度,如表2 所示。

表2 AB、CD 構件的角速度和B、C 的線速度

3.3 速度瞬心法與仿真分析法誤差分析

通過表1、表2 可以看出,C 點在不同位置的角速度,使用速度瞬心法與仿真分析法的數值非常接近,最大誤差發生AB 構件運動5.4 s,AB 的角度為324 度時,CD 構件的角度誤差值為(1.203 2 -1.176 4)/1.203 2 ×100%=2.22%。最大誤差數值很小,驗證了通過仿真分析法直接讀取運動規律值是可行的。其次通過Motion 分析的“結果和圖解”也可以直接生成CD 構件的角加速度與時間關系圖解。

4 結論

本研究運用速度瞬心法對構件的角速度、線速度進行求解,利用SolidWorks 軟件的Motion 功能對攪拌器機構運動規律進行分析,分析的結果表明,這兩種方法所求得的值非常接近,SolidWorks 軟件的Motion 分析功能高效完成平面連桿機構設計的三大類基本命題,避免大量數據計算,操作過程簡便,為平面連桿機構的優化設計提供了參考依據,也極大提高設計人員的工作效率。通過Motion 運動仿真分析,可以有效降低產品的制造成本、縮短產品開發周期,并使設計分析人員快速地了解產品的可行性。