【doc】平面变胞间歇机构运动学分析及其仿真

平面变胞间歇机构运动学分析及其仿真 56机械传动2007年 文章编号:1004—2539(2007)03—0056—03 平面变胞间歇机构运动学分析及其仿真 (黎明职业大学,福建泉州362000)陈育明 (福州大学,福建福州350002)蓝兆辉 摘要利用平面变胞机构可以实现机构有停歇的往复运动,进一步丰富间歇机构的内容,同时与其 他间歇机构相比它还具有 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 简单,加工容易,结构轻便等优点.采用杆组法建立了机构运动分析的数 学模型.基于TureBasic,编程计算机构的运动参数,为动力学分析提供依据.使用虚拟样机技术对机 构进行运动学仿真,计算结果及仿真结果相互验证,证明了杆组法分析平面变胞机构的有效性和仿真结 果的可靠性. 关键词平面变胞机构运动学仿真动力学仿真 引言 变胞机构是1998年在25届ASME机构学与机器 人学双年会上首次提出的新机构,代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了一类能从一 种结构形式变换到另一种结构形式的机构或装置.在 结构形式变换过程中,有效构件发生变化,改变了机构 的组成,自由度也可能发生变化.这一新类型机构能 够根据环境和工况的变化和任务需求,进行自我重组 和重构,具有广泛的应用前景.变胞机构的提出给传 统的机构学带来了生机与活力,它改变了传统机构学 的概念和机构设计方法,也为机构学研究提出了新的 课题. 平面机构的分析方法主要有图解法和解析法.图 解法作图过程繁杂,操作困难,精度较低.随着计算机 技术的发展,解析法得到了越来越广泛的应用,主要方 法有杆组法,矢量法,杆长逼近法,型转换法等.本文 将采用杆组法进行机构的运动分析. ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanical System)虚拟样机软件全称是机械系统自动动力学分 析软件,它集建模,求解,可视化技术于一体,是世界上 目前使用范围最广,最负盛名的机械系统仿真分析软 件.本文主要利用ADAMAS软件来建立连杆机构的 运动学模型,对平面变胞间歇机构进行运动学分析仿 真. 2平面变胞机构实现间歇运动的方式 及其优点 2.1间歇机构实现方式 图1所示的是一个传统的曲柄摇杆机构,机构只 有1个自由度.当原动件AB驱动杆CD受到挡块E 的阻挡时,整个机构的自由度即为0,机构将无法继续 运动下去.如果我们对这个曲柄摇杆机构进行如图2 所示的改造,机构自由度为2,但滑块被弹簧压紧在曲 柄槽的顶部,机构还相当于曲柄摇杆机构.但当摇杆 受到挡块E的阻挡时,滑块可以向下运动,即便摇杆 停歇,机构仍然可以继续运动下去.此时,机构的自由 度及机构的原形构态发生了变化,形成了新的机构,这 就是我们所说的变胞机构.由于该机构的运动形态主 要是二维的,所以称之为平面变胞机构.该机构应该 能够实现有停歇的往复运动. E o 图1 C 图2 通过对上述平面变胞机构的讨论可以发现,变胞 机构可以很容易地实现机构的停歇,并且这种停歇可 以根据需要的停歇时间,综合相关构件尺寸得以准确 实现.而以前,机构的停歇通常只能采用凸轮机构实 现,设计较为复杂,制造较为困难.并且通过修改机构 尺寸我们还可以对机构的停歇进行调整;此外,变胞机 构还可以实现过载保护.当输入荷载太大时,机构的 自由度和构态发生变化,机构继续运动,构件受力不致 太大,从而起到过载保护的作用. 3机构运动学分析 如图3所示,若以=0为起点,采用杆组法J对 其进行运动学分析,一个周期的运动分析可分为三个 阶段(注:其中为cD杆刚接触挡块E时的值, 为CD杆将离开挡块E时的值): 第一阶段.0??:机构为一铰链四杆机构,先 第31卷第3期平面变胞间歇机构运动学分析及其仿真57 调用LINK子程序求出日点的运动,再调用RRR?杆 组分析程序求BC,CD杆的运动. 图3 第二阶段,0E?0?0E:C点静止,BC杆与滑块构 成RRP?杆组,杆AB即为滑块的导路,调用RRP?杆 组分析程序即可求出杆BC和滑块日的运动. 第三阶段,0F?0?2zr:机构又变为铰链四杆机 构,同第一阶段. 4实例 设计要求:如图2,设计一平面变胞间歇机构,将 连续转动变换为一端有停歇的往复摆动.当主动件从 ().转过角120~时,从动件逆时针摆过60~角;主动件接 着转过角120~H~,从动件停歇;主动件再转过剩余角度 120~时,从动件顺时针摆过60~角.设主动件转速为 50r/min,则机构的输出杆件能够实现:逆时针摆动0.4 秒一停歇0.4秒一逆时针摆动0.4秒这样一个运动循 环. 4.1尺度综合' 根据设计要求,对该平面变胞机构进行尺度综合. 该机构运动的各极限位置如图4所示. 图4 综合过程:取主动曲柄的长度AB=600nqllq,初始 位置AB与水平线夹角为一30~(逆时针为正).根据 角度=120~,=120~可作出曲柄动铰链点日2,日3. 在一定范围内任取连杆长度BC=1500ram,当曲柄处 于AB.时,摇杆处于极限位置,曲柄与连杆共线,由此 可作出摇杆动铰链点C..以连杆长BC=1500ram为 半径,日2,日3为圆一t2,画圆弧,交点即为C2(或C3).作 等腰三角3C】DC2使其顶角为=60~,顶点为D,则 D为摇杆的固定铰链点,机构尺寸确定.由作图法, 根据测量,输出杆件CD=807.1mm;点A与点D间 方向的差值为1478.4mm,Y方向的差值为一46.4mm (D点高于点);CD杆的右极限位置CD与水平线 间夹角为30~(注:AB=600nlwl为曲柄最大长度,在 ,日之间,曲柄长度将自行缩短). 4.2运动学分析 根据杆组法,按照上述运动学分析流程编程计算, 所得运动参数变化如图所示. 6 —4 ?2 O 一 2 藿一-4 兰一8 -一 .1令c 8 图5CD杆角度变化图 /]/ 0rd2,r3rd22zr 0变化值/tad 图6CD杆角速度变化图 ', 图7CD杆角加速度变化图 图5,图6,图7为输出杆件CD的摆动角度,角速 度及角加速度在一个运动周期内的变化曲线图.相同 地,利用杆组法可以求得其它输出构件的运动规律,本 文不再一一赘述. 5机构的运动仿真 利用ADAMSView模块可以进行平面变胞间歇机 构的实体建模,如图8所示.并借助ADAMS强大的测 量功能直接实时测量出机构中各输出杆件的输出位 置,角速度及角加速度,从而得到位置,角速度及角加 速度的实时变化曲线,而不必编程计算. 图9,图10,图11为利用ADAMS建模并测得的输 出杆件CD的摆动角度,角速度及角加速度在一个运 动周期内的变化曲线图.需要说明的是,本文在利用 ADAMS软件仿真各参数变化时默认的单位如下:角度 单位为度,角速度的单位为度/s,角加速度的单位为度 58机械传动2OO7年 /s,力的单位为N,力矩的单位为N?toni. 图8 图9 加:一{- 4OO'——————— 图11 比较杆组法分析计算得到的输出杆件运动曲线图 和利用ADAMS仿真得到的输出杆件运动仿真曲线图, 二者的曲线变化是一致的,得到了相互验证. 6结论 本文充分利用平面变胞的特性实现了机构的间歇 运动,并通过实际的算例表明这种机构用于实现间歇 运动是有效的,相对于其它的间歇机构具有设计简单, 容易实现等优点.同时利用杆组法对其进行了运动学 的分析计算,并且利用虚拟样机的通用软件ADAMS对 其进行了运动学仿真验证.从编程计算的结果和仿真 结果看,采用杆组法及仿真软件ADAMS对平面变胞间 歇运动机构进行分析均是有效的,为下一步的动力学 分析作了准备. 参考文献 1叶仲和,蓝兆辉.MrSmith.Mechanismsandmachinetheory.北京:高等 教育出版社,2001 2郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高.北京:机械工业出版社, 2003 3李军,邢俊文,覃文洁.ADAMA实例教程.北京:北京理工大学出版 社,2002 4王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践. 西安:西北工业大学出版社,20O2 5李端玲,戴建生,张启先等.基于构态变换的变胞机构综合.机械工 程,2002,38(7)12,16 收稿日期:20060515收修改稿日期:20070105 作者简介:陈育明(1974一),男,福建泉州人,讲师,硕士 (上接第53页) 由R=1/(2sin31)及),=1—90~求出锥距尺和), 角;进入Pro/E的Curve—FromEquation,按下述步骤 可分别生成大端和小端廓线: 1)由n1=(1,nyl,nz1)T:MlyMya(1,0,0)得 到法矢量n; 2)由1=(l,Y1,z1)=MlyMya(o,一UcosO, usin0),得到XYZ坐标下产形轮点矢量r; 3)由前述的UVW法得到两轮转角1,2; 4)由式(1)得到齿轮2大,小端廓线. 步骤2),4)中的U分别以尺和(R—b)代入,对应 大,小端廓线,变化范围从一到. 大,小端两段廓线形成后,其余步骤与产形轮生成 过程完全一样,叙述从略.按以上步骤形成的齿轮实 例如图4,图5所示. 3结束语 借助于Pm/E的三维造型,方程曲线及变参功能, 运用齿轮廓形的共轭展成原理,实现了直齿锥齿轮三 维参数化实体造型.特点是齿廓曲面与锥齿刨展成加 工结果一致,从而为直齿锥齿轮加工过程的研究,误差 分析,啮合干涉检查等提供了十分方便直观的工作平 台.事实上,该模型已经在上述领域获得实际应用,解 决了诸多原有条件下难以解决的困难. 参考文献 1李雷,黄恺.Pm/E环境下的直齿锥齿轮三维参数化造型.机床与液 压.2004 2吴序堂.齿轮啮合原理.北京:机械工业出版社,1984 收稿日期:20060509 作者简介:黄恺(1954一),男,上海市人,教授,硕士