圓柱度儀立柱系統(tǒng)設(shè)計及分析

馮穎，王雨，高東強(qiáng)，張希峰，楊磊，王偉

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

Design and Analysis of the Cylindrical Instrument Column System

FENG Ying，WANG Yu，GAO Dongqiang，ZHANG Xifeng，YANG Lei，WANG Wei

(Mechanical and Electrical Engineering College，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

摘要：設(shè)計了圓柱度儀立柱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，包括帶有傳感器的橫向裝置和提供上下方向運(yùn)動的豎直運(yùn)動裝置，用Pro/E建立其簡化模型，導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析，獲得了橫向裝置X，Y，Z方向的速度和加速度。結(jié)果證明了設(shè)計的正確與合理。

關(guān)鍵詞：Pro/E；ADAMS；仿真分析；速度和加速度

中圖分類號：TG83

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0078-03

收稿日期：2014-12-22

基金項目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201410708915)

作者簡介：馮穎(1994-)，女，山西呂梁人，研究方向為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Abstract：Design the basic structure of the column system of cylindrical instrument，include horizontal device with sensors and vertical movement device.Using Pro/E establish its simplified model，the model is imported into ADAMS for simulation analysis，to obtain the velocity and acceleration of horizontal movement device of X，Y，Z direction. The results show that the design is correct and reasonable.

Key words：Pro/E；ADAMS；simulation analysis；velocity and acceleration

0引言

圓度與圓柱度誤差是衡量回轉(zhuǎn)體零件表面形狀精確度的重要因素，也是保證零件互換性的重要條件，而且影響到回轉(zhuǎn)體零件使用過程中的摩擦、磨損狀況及運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性[1-3]。所以，以低成本實現(xiàn)圓度和圓柱度的高精度檢測是現(xiàn)今國內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)中急需解決的問題，圓度和圓柱度精密測量儀的研制和開發(fā)意義重大。

圓柱度測量儀具有精密回轉(zhuǎn)軸系和平行于回轉(zhuǎn)軸軸線的精密直線導(dǎo)軌，可測量較高精度和高精度零件的圓柱度誤差，直線導(dǎo)軌用于傳感器和測量頭的間斷或連續(xù)的作平行于儀器工作臺回轉(zhuǎn)軸線的直線位移。因此，在圓柱度儀的設(shè)計研發(fā)中，立柱系統(tǒng)成為其中的重點。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1組成及工作原理

根據(jù)測量技術(shù)原理，將圓柱度測量儀分為3部分：精密立柱導(dǎo)軌、精密轉(zhuǎn)臺和控制系統(tǒng)。精密立柱系統(tǒng)主要包括豎直運(yùn)動裝置、橫向運(yùn)動裝置，分別實現(xiàn)傳感器測頭豎直方向往返、左右往返運(yùn)動；精密轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)工作臺的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；控制系統(tǒng)實現(xiàn)各系統(tǒng)裝置的自動控制和各順序運(yùn)動，以提高測量效率。其組成如圖1所示。

圖1　圓柱度儀組成

1.2立柱系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)圓柱度測量技術(shù)原理，將圓柱度測量儀精密立柱系統(tǒng)分為豎直運(yùn)動系統(tǒng)和橫向運(yùn)動系統(tǒng)，分別實現(xiàn)傳感器測頭的豎直方向往返運(yùn)動以及測頭的左右往返運(yùn)動。

按照上面所述精密立柱系統(tǒng)的要求，圓柱度儀立柱系統(tǒng)需要有2個方向的運(yùn)動，可將立柱系統(tǒng)分為橫向運(yùn)動裝置、豎直運(yùn)動裝置。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

橫向裝置主要通過電機(jī)帶動減速器運(yùn)動，帶動傳動裝置實現(xiàn)橫向?qū)к壸笥疫\(yùn)動，實現(xiàn)傳感器測頭的左右運(yùn)動。

豎直運(yùn)動結(jié)構(gòu)通過電機(jī)帶動減速器運(yùn)動，減速器將運(yùn)動傳遞給帶輪，帶輪通過同步帶帶動導(dǎo)軌滑套、橫向裝置及配重上下往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)傳感器測頭上下往復(fù)運(yùn)動。

圖2　整體模型

1.2.1　橫向運(yùn)動裝置的設(shè)計

由于被測物體直徑大小的不同，所以傳感器測頭要實現(xiàn)橫向的左右往返運(yùn)動，同時保證運(yùn)行平穩(wěn)和合適的速度。橫向裝置機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動的穩(wěn)定性和精確性決定了測量結(jié)果的精確度，運(yùn)動部件的質(zhì)量影響運(yùn)動的平穩(wěn)和精度，設(shè)計結(jié)構(gòu)時要使質(zhì)量盡量小。

橫向裝置三維模型和裝配關(guān)系如圖3所示。

圖3　橫向裝置

采用中空形式的橫向?qū)к?，可以減小質(zhì)量，同時縮減空間。采用精密滾珠絲杠傳動，把絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成橫向?qū)к壍淖笥抑本€運(yùn)動。絲杠被安裝在橫向?qū)к壍闹锌湛臻g內(nèi)。減小了橫向裝置的總重量，減小了上下運(yùn)動時運(yùn)動部件質(zhì)量對速度穩(wěn)定性和精確性的影響，同時傳動系統(tǒng)簡便緊湊，傳動系統(tǒng)的剛度高。

1.2.2　豎直運(yùn)動裝置的設(shè)計

線性模組又叫直線模組、直線滑臺等，為直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿直線傳動等機(jī)構(gòu)的自動化升級單元。實現(xiàn)負(fù)載的直線以及曲線運(yùn)動，負(fù)載的自動化更靈活、定位更精準(zhǔn)。

同步帶直線模組具有定位精度高、磨損小、組裝容易并具互換性等優(yōu)點，所以采用同步帶線性模組作為運(yùn)動傳動裝置。將其簡化為導(dǎo)軌、支座、連接裝置、同步帶和滑座等，簡化后結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采用直線模組來實現(xiàn)橫向裝置的上下往復(fù)運(yùn)動，同步帶連接導(dǎo)軌滑套和配重，使其實現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動。主動帶輪及電機(jī)設(shè)計在下端靠近固定端的位置，使得振源靠近固定端，使電機(jī)等機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動對立柱導(dǎo)軌及橫向裝置運(yùn)動的影響減小。

圖4　豎直運(yùn)動裝置模型

2基于ADAMS的仿真分析

以橫向結(jié)構(gòu)的豎直方向的運(yùn)動為例，運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)分析。

a.建立模型。ADAMS建模功能較簡單，所以運(yùn)用Pro/E建立立柱系統(tǒng)實體模型。建模時對仿真結(jié)果影響不大的孔、底座等進(jìn)行簡化。

b.模型導(dǎo)入。Pro/E建立的模型不能直接導(dǎo)入到ADAMS，將文件保存為x_t格式文件，導(dǎo)入到ADAMS中即可以直接讀出。

c.添加約束。在底板與大地間、立柱導(dǎo)軌與上下板間分別添加固定約束，2個帶輪及傳動齒輪分別添加旋轉(zhuǎn)約束，傳動齒輪間添加齒輪副，導(dǎo)軌與滑套接觸處添加接觸。

d.同步帶處理。在仿真中同步帶的處理方法常用的有2種：用有限元方法生成模態(tài)中性文件，將其處理為柔性體；將同步帶處理為許多個小帶塊拼接而成，帶塊越多仿真越精確，帶塊間用轉(zhuǎn)動副或襯套副進(jìn)行連接。本次仿真中用第2種方法對同步帶進(jìn)行處理，并在每個帶塊與帶輪間添加接觸副。

e.添加驅(qū)動。與電機(jī)相連主動齒的旋轉(zhuǎn)副添加驅(qū)動。

f.仿真設(shè)置與提取對象。分別測量橫向裝置(PART45)，在高速時，速度等于0.02 m/s，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計換算到電機(jī)轉(zhuǎn)速為25 r/min；中速時，速度等于0.01 m/s，即電機(jī)轉(zhuǎn)速12.5 r/min；低速時，速度等于0.005 m/s，即電機(jī)轉(zhuǎn)速6.3 r/min，提取PART45在驅(qū)動速度時的速度和加速度。

在轉(zhuǎn)速為25 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在 X，Y方向的速度為零，Z向速度為0.02 m/s。

在轉(zhuǎn)速為12.5 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在X，Y方向的速度為零，在Z向的速度為0.01 m/s。

在轉(zhuǎn)速為6.3 r/min時，橫向裝置在X，Y，Z方向的加速度基本為零，在X，Y方向的速度為零，在Z向的速度為0.005 m/s。

3結(jié)束語

設(shè)計了立柱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，用Pro/E軟件建立簡化模型，并運(yùn)用ADAMS進(jìn)行動力學(xué)分析，獲得了速度和加速度，仿真結(jié)果表明設(shè)計是合理的、正確的。

充分發(fā)揮了Pro/E和ADAMS軟件在建模和動力學(xué)仿真分析方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)構(gòu)的建模和動力學(xué)仿真，很大程度上縮短了設(shè)計、研發(fā)的流程和時間，為進(jìn)一步的設(shè)計和改進(jìn)研發(fā)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何凱．圓度和圓柱度測量虛擬儀器的開發(fā)．西安：陜西科技大學(xué)，2011．

[2]蔣壽偉，呂林森，邢國斌，等.新編形狀和位置公差標(biāo)注讀解.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3]馬德鋒，朱孔敏，邱明.基于LabVIEW的圓柱度誤差測量軟件設(shè)計.軸承，2007(11)：43-47.

[4]馬金鋒．陶瓷零件快速成型機(jī)及控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究．西安：陜西科技大學(xué)，2014．

[5]何廷亮，馬金鋒，孫傳林，等.新型陶瓷零件快速成型機(jī)設(shè)計.輕工機(jī)械，2013，31(4)：8-10.

[6]葛正浩，張凱凱，梁金生，等．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)同步帶傳動的動態(tài)性能研究．機(jī)械傳動，2011，35(3)：64-66．