搜索凸輪機構設計專家系統的開發及三維運動仿真
2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
CAD/CAM與制造業信息化
關鍵字:參數輸入 proe 平行分度 參數輸入
平行分度凸輪機構是一種較為復雜的平面共軛凸輪機構,其運動過程如圖1所示。該機構可將凸輪軸的連續轉動轉換為輸出軸的間歇轉動或移動。由于該機構與棘輪、槽輪等傳統間歇機構相比,具有高轉速與高分度精度等優點,目前被廣泛應用于各類自動化機械產品中。
圖1 平行分度凸輪機構運動簡圖
分度凸輪機構是靠其工作輪廓曲線來實現預定的分度盤分度轉動,其輪廓是根據最佳的運動規律包絡而成,通常是由大量的離散點經過處理而形成的直紋曲面。如果能夠在加工前,基于三維虛擬設計環境將平行分度凸輪機構的三維實體直觀地繪制出來,實現平行分度凸輪機構的三維參數化設計與運動仿真,將能幫助設計者及時地發現由于壓力角過大而產生的轉動困難、曲率半徑過小而產生的運動失真和加工時產生冗切等問題,以便及時進行修改,提高設計質量,縮短產品的開發周期。對于平行分度凸輪的三維設計與仿真,目前只有基于VC 6.0調用OpenGL函數開發的設計與仿真系統,但是用這種系統要實現仿真需要編制大量的程序來實現。而對于通用的3D設計軟件,如Solidworks、proeNGINEER和CATIA等,由于分度凸輪廓面的特殊性均不能直接滿足設計要求。為了能夠利用proeNGINEER自帶的仿真功能以及后續的數控加工功能,本文提出一種在AutoCAD環境下開發的生成
凸輪二維廓面的系統,然后調入proeNGINEER環境生成凸輪的三維實體,與在proeNGINEER環境下生成的轉盤進行裝配與仿真,還可以在此基礎上利用proeNGINEER自帶的數控加工功能,生成凸輪的數控加工代碼。
一、平行分度凸輪設計專家系統的結構
本專家系統主要由知識庫、推理機、綜合數據庫、方法庫和知識庫管理系統組成。系統結構如圖2所示。
系統采用目前流行的向導對話框進行參數的輸入,從而簡化了設計的任務,使用戶能夠很快地使用本專家系統。當用專家系統進行設計時,系統會根據用戶輸入的事實運用推理機在知識庫中尋找相匹配的規則,之后在方法庫中調用相應的方法進行設計。
圖2 平行分度凸輪機構專家系統結構框圖
二、計算和繪制凸輪輪廓曲線
在平行分度凸輪設計系統中,理論輪廓線、壓力角和實際廓線按以下公式設計。
1.凸輪理論工作廓面方程為:
2.凸輪的壓力角為:
轉盤分度期的角速度。
3.凸輪實際工作廓面方程為:
根據上述公式分別計算出與前排第一個和第三個滾子接觸的凸輪廓線,采用這兩條曲線中向徑較短的部分,該部分即為凸輪分度期的廓線,其余為停歇期廓線,用相切的圓弧來封閉即可。計算并繪制凸輪廓線的方法均是在“確定”按鈕的單擊事件里實現。相關代碼如下所示:
Private Sub cmdOk_Click()
……
計算并繪制凸輪廓線
……
End Sub
三、專家系統的設計與實現
本系統對平行分度凸輪以及凸輪轉盤分別設計了出直觀的參數輸入對話框,設計人員只要在該對話框中輸入相應的參數即可設計出所要求的凸輪與轉盤。
1.平行分度凸輪的對話框設計
在經過了繪制了輪廓曲線之后,利用VBA語言對AutoCAD進行開發,編制出如圖3所示的平行分度凸輪參數輸入對話框,其中機構頭數和從動件運動規律是通過下拉式組合框來選取的,其余參數通過在文本框輸入數據來確定。
圖3 凸輪參數輸入對話框
2.轉盤的對話框設計
接下來利用VC語言對proeNGINEER進行二次開發,編制出如圖4所示的轉盤參數輸入對話框。
圖4 轉盤參數輸入對話框
四、動態仿真的實現
本系統直接利用proeNGINEER提供的機構仿真功能,而無需編寫大量的源程序。在proeNGINEER的裝配模式下進行元件連接后,添加“驅動器”即可進行“運動分析”并創建運動記錄,選擇“結果回放”可以重新演示機械運動、檢驗干涉和定性分析從動運動特性等操作和分析。
五、設計實例
某平行分度凸輪機構,頭數 1,分度數10 ,中心距C=160 ,動成角 
,轉盤的運動規律選用修正正弦曲線。
在平行分度凸輪設計的對話框中輸入指定參數即可在AutoCAD環境下生成凸輪的二維廓線,將所生成的凸輪二維廓線保存為.dxf格式,然后在proeNGINEER環境下新建一個Part模塊,點擊“插入→共享數據→自文件”打開所保存的.dxf文件,此時會出現一個信息窗口提示用戶保存文件,用戶可選擇坐標系統或缺省,確定后即可將二維廓線調入proeNGINEER環境生成三維模型,如圖5所示。
圖5 平行分度凸輪三維模型
然后利用轉盤設計對話框,輸入指定的參數,生成的凸輪轉盤如圖6所示。
圖6 平行分度凸輪轉盤
最后在proeNGINEER環境下完成裝配和仿真,如圖7所示。
圖7 平行分度凸輪機構的仿真
六、結論
本文對二維及三維設計和訪真軟件進行了綜合運用,開發了平行分度凸輪機構的設計與仿真系統。該機構能完成機構參數的自動綜合和凸輪輪廓的自動生成,并且在proeNGINEER環境下實現了運動仿真而無需編寫大量的源程序。事實證明本系統能夠驗證機構設計方案的合理性和各構件在運動過程是否發生干涉,以便設計人員及時改正,提高了機構產品設計的效率和質量。
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