基于SolidWorks的连杆步进输送机的设计与仿真

ivwfjepl · 发表于 2013-11-11 08:38:55

步进输送机是在一定的线路上间断输送物料的物料搬运机械，在工业自动化生产线上应用极为广泛。本文研究某自动生产线的一部分——步进输送机。加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离a=300mm，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2……，在此间歇内可以在生产线上对工件进行进一步加工。考虑到动停时间之比K=tl/t2之值较特殊，受力较大，以及耐用性、成本、维修方便等因素，不宜采用槽轮、凸轮等高副机构直接实现上述要求，故选择平面连杆机构实现近似直线轨迹输出。通过查连杆曲线图谱，利用SolidWorks软件建模装配并利用与之无缝接合的SimulationMotion进行仿真分析，检查是否满足设计要求，大大简化了产品的设计过程，加快了开发速度。

1 设计流程

利用计算机辅助设计快速对连杆式步进输送机进行设计主要包括杆长尺寸的确定、校核四杆机构行程速比系数、连杆机构三维建模与装配，对导入SimulationMotion中装配体的各参数设置、运动仿真以及对仿真结果的分析等。若仿真结果不符合设计要求可重新选择连杆曲线进行设计，直到仿真结果满足要求。此后，进一步按照要求设计减速轮系，并进行最终产品的造型与组装，利用SolidWorks制作动画来形象说明最终产品的工作过程。

2 连杆机构的尺度综合

2.1 确定杆长

连杆的直线导向机构的轨迹实现通常有解析法与连杆曲线图谱法两种。其中图谱法简方法单、易于掌握、设计过程快速，在工程领域得到了广泛应用。北京理工大学出版社出版的《四杆直线导向机构的设计与轨迹图谱》附录A中有许多四杆铰链机构的直线图谱，实际应用时可根据需要乘以一定的放大系数。为此按照设计要求在图谱中选取近似的曲线，根据需要实现的直线位移300mm，将相应参数按比例放大后如表1所示：

表1

数据表中的LS代表直线段长度；AF代表直线段与机架的夹角；DM代表直线段的绝对误差(近似直线段上的点到理想直线间的最大距离)；I1、I2分别代表直线段起始位置和结束位置对应的曲柄转角(度)；HX和BY代表连杆曲线轮廓的最大宽度和最大高度；u，v表示输出连杆点的位置坐标。

2.2 校核行程速比系数

设计要求每个零件耗时t1移动距离a后间歇时间t2，即要求四杆机构满足一定的行程速比。考虑到设计中需要不断校核四杆机构的行程速比，可采用Matlab编程的形式，算得表一中机构的行程速比系数为1.076，大于1，满足设计要求，如不满足则要重新选择连杆曲线。

3 连杆机构的三维建模与装配

在SolidWorks零件建模时，按照表一给出的各杆件的实际杆长，首先绘制二维几何草图，然后通过拉伸、切除等方法将二维草图转换成三维实体。依次建立四根杆件和简化机架、输送爪、工作台的模型。装配时，新建一个“装配体”文件，然后依次插入上述零件。先确定机架的位置，为使输出轨迹的近似直线段水平且位于轨迹上方，按照表二中的数据要使两机架连线与水平线呈40.97°夹角，且两机架之间的距离即为杆长d=SSOmm。然后在左栏“特征树”中选中两机架，单击右键，在弹出菜单中选择“固定”。这样，调入的其他零件就可以此为参考进行装配。利用系统在配合菜单下提供的重合、同轴、同心、平行、距离等标准配合，精确地放置实体。装配好的模型如图1所示。

图1

分页4 运动仿真与分析

在装配好后，单击SolidWorks左下角的“运动算例1”按钮，可自动切换至SimulationMotion仿真环境中，在算例类型中选择“Motion分析”。在SolidWorks中，装配体中正确设置好的约束条件可自动映射为SimulationMotion环境下的运动副。进行运动分析前需要对参数进行设置，给曲柄a添加“旋转马达”，转速为10rpm。单击界面底部的“结果与图解”按钮，分别设置跟踪输送爪的轨迹(图2)，输出输送爪的水平位移、速度、加速度(图3)曲线如图所示。

从轨迹图可以看出，在进入直线段部分曲率半径较大，输送爪近似垂直进入，离开直线段时曲率半径较小，输送爪快速退出，从而保证工件直线运动始末段的平稳性。在3.68s～6.15s内为工件的直线运动阶段，此段对应输送爪的水平位移为606～909mm，所以实际行程为303mm，与设计值300mm相比误差不大。在此时间内，输送爪的水平速度范围35～167mm/s，水平加速度范围+109～247mm/s，速度与加速度在近似直线位移内变化平稳，设计符合要求。

图2

图3

5 结论

利用SolidWorks将机构设计与运动仿真有机结合起来，为机构设计提供了一种切实可行的可视化、实时化的设计新思路。通过SolidWorks建立模型并在SimulationMotion插件中对模型进行仿真，可以直观地通过动画功能观察到各个部件的运动轨迹，并能通过Motion模块的“结果与图解”功能定量输出各个部件在每个位置、任意时刻的静力学、运动学、动力学的特性曲线。同时可以通过分析得到的数据，再返回模型空间内重新改进设计进行迭代，最终确定合理的结构方案。然后可根据实际情况，在SolidWorks中辅之以GearTrax插件，设计必要的减速轮系。将连杆机构与减速轮系进行整体装配后，可利用集成的Motion插件进一步进行整体分析，并生成直观模拟实际工作过程的动画。从而有效地缩短机械开发周期，减少了开发成本。