变速器虚拟样机仿真

2024-09-21

变速器虚拟样机仿真（精选7篇）

变速器虚拟样机仿真第1篇

传统圆柱齿轮减速器的手工设计方法过程繁琐、周期长、效率低, 随着科学技术和国民经济的发展, 圆柱齿轮减速器的需求量越来越大, 且对品质提出了更高的要求, 传统设计方法已远远不能够满足技术发展的需要。把虚拟样机技术应用到减速器的设计优化中, 可实现减速器的优化设计, 利用虚拟样机技术, 可使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期, 在虚拟的环境中直观形像地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真, 这对启迪设计创新、提高设计品质、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。在虚拟样机技术理论的指导下, 在国外高新软件——CAD/CAE/CAM特征造型工具Pro/E、机械动力学仿真软件ADAMS (automatic dynamic analysis mechanical system) 和有限元分析软件ANSYS集成系统基础上, 对圆柱齿轮减速器进行了优化设计。

1 研究内容

应用虚拟样机技术进行优化设计就是把优化设计、计算机辅助设计、有限元设计等现代技术有机的结合在一起;在CAD模型上, 基于虚拟样机理论, 把虚拟技术与仿真方法相结合, 为产品的研发提供一个全新的设计方法。利用虚拟样机技术进行圆柱齿轮减速器的设计优化主要解决以下几个问题:

a) 根据输入的减速器原始设计参数, 完成减速器的参数化设计的过程。

b) 建立减速器的功能虚拟样机模型和动态仿真减速器传动系统的运转情况, 并对其动态特性进行分析研究, 将其结果指导减速器的优化设计, 实现系统优化, 提高减速器的设计品质, 加快减速器的设计周期, 简化减速器的设计过程, 降低减速器的设计成本等工作。

c) 完成设计工作, 绘制减速器的零件图、装配图和立体图。

基于虚拟样机技术的圆柱齿轮减速器的设计流程如图1所示。

2 基于Pro/E的圆柱齿轮减速器三维参数化建模及运动学分析

2.1 三维参数化建模

要进行减速器运动学分析, 必须首先建立减速器的三维参数化模型。利用Pro/E强大的参数化建模功能, 建立了圆柱齿轮减速器关键零部件的三维参数化模型, 并进行了装配, 形成了其整体装配图, 然后利用Pro/E的运动仿真模块对减速器的传动系统进行了干涉检验和运动仿真。

在三维实体造型过程中, 对于齿轮这样的复杂模型来说, 常规的特征操作已难以满足设计要求, 这时可以采用参数和关系式等辅助工具和螺旋扫描等高级特征功能。

最终生成的大齿轮模型如图2所示。

其他零件如箱体、箱盖、轴承、轴承端盖、键、定距环等均为较为简单的零件, 利用实体造型中常用的拉伸、旋转、阵列、扫描、混合等基本操作即可实现, 建造过程略。

2.2 运动仿真过程

在Pro/E软件中对减速器进行装配建模, 进行运动仿真, 对其部件的干涉和运动干涉进行检查。圆柱齿轮减速器的装配过程比较简单, 关键是实现齿轮间的正确啮合, 达到精确装配, 使两齿轮齿面在节圆处相切。解决方法是, 在两个齿轮的轮廓线节圆处建立与轮齿表面相切的基准面及与其垂直的基准面, 然后将基准面平面重合并保证安装中心距。

装配图与爆炸图如图3所示。

在Pro/E软件中对减速器装配模型进行干涉检验, 验证模型装配的合理性;并进一步对齿轮传动部件进行运动仿真, 验证齿轮传动比, 结果表明, 所建模型符合实际需要。

在Pro/E中建立运动仿真模型如图4所示。

3 动力学仿真及分析

在圆柱齿轮减速器参数化建模的基础上, 通过Mechanica/Pro接口将齿轮传动系统导入到多体动力学分析软件ADAMS中, 建立齿轮传动系统虚拟样机模型, 对其进行动力学仿真分析, 应用碰撞接触理论对齿轮啮合力进行仿真分析, 仿真所得的齿轮啮合力, 无论力的大小, 还是激振频率都和理论计算结果吻合, 说明使用齿轮传动系统的虚拟样机可以方便、快捷、足够准确地对齿轮系统的动力学性能进行仿真研究。所得到的齿轮啮合力, 为齿轮的强度及疲劳等研究提供了可靠的数值依据;仿真还得到了轴在轴承处所受支反力的大小, 可以直接作为有限元软件 (如ANSYS.MSC-NASTRAN) 的边界条件, 进行轴的强度和刚度计算分析, 也可以作为进一步分析轴承静强度和寿命计算的载荷条件。

在ADAMS中建立起来的仿真刚体模型见图5。

4 圆柱齿轮减速器关键零部件的FEA

首先利用前一章系统动力学分析的结果做为边界条件, 对输出轴进行有限元静力学分析, 校核轴的强度与刚度, 并测试应力集中状况, 结果表明轴的安全余度很大, 可进一步对其进行优化, 为下一步的优化设计提供了理论依据;然后利用FEA软件对输出轴进行模态分析, 观察其各阶模态图, 为进行其他的动力学分析打下基础, 并求出了输出轴的前五阶频率, 与电机轴的基频进行了比较, 验证了设计合理性。最后对大齿轮进行了模态分析, 观察了其五阶振型图。输出轴的有限元模型、等效应力图和五阶振型分别如图6, 图7和图8所示。

5 基于虚拟样机技术的圆柱齿轮减速器的优化设计

a) 建立工程问题的数学模型:在本次设计中, 利用FEA软件ANSYS对减速器输出轴进行优化设计。

由前面的动力学分析知:

Mz=263N·m; Fr=3330N; Ft=7728N。设计尺寸为L1=L2=52.5mm; L3=111.5mm。

选取轴径d为设计变量, 轴质量We为目标函数, 以期在满足强度和刚度要求的情况下得到最小的轴径, 然后再根据结构特点设计阶梯轴。根据传统经验公式

$d = c^{3} \sqrt{p / n}$ (1)

初步设计d=33mm, 因此可以得到以下数学模型:设计变量0≤d≤60mm。

目标函数 We=Lρπd2/4 (2)

分别考虑轴弯扭合成应力与刚体变形条件, 得到约束条件:

$g_{1} (d) = σ_{c} = \frac{Μ_{c}}{W} \leq [σ_{- 1 b}] = 60$ MPa (3)

式中:σc ——轴所受弯扭合成应力最大值;

[σ-1b] ——材料许用弯曲应力。

g2 (d) =ymax≤[ymax]=0.0004mm (4)

式中: ymax ——轴最大应变量;

[ymax] ——材料许用应变量。

b) 参数化建模及有限元分析:添加参数d=33mm, 选取单元类型SOLID92, 建立圆柱体模型。

采用自由网格划分方法进行网格划分, 在轴线上位于B, C, D点的节点上填加相应的载荷与约束, 然后进行有限元分析求解。

c) 提取状态变量和目标函数:首先提取轴的体积量“Elem Volume VOLU”, 建立目标函数“VTOT= ρ*VOLU”; 提取状态变量σc为Von Mises SEQV的值, ymax为Von Mises EPTOEQV的值。

d) 优化分析:使用ANSYS的Design Opt模块进行优化设计。

生成并指定优化分析文件。选取菜单utility menu>file>write db log file打开write database log对话框, 在write database log to域中输入优化文件名“optimization-axe”, 单击OK。选取菜单main manu>design opt>analysis file>assi, 打开assign analysis file对话框, 在select域中添加刚刚定义的分析文件名“optimization-axe.lgw”, OK.

定义优化设计变量。选取菜单main menu>design opt>design variable打开design variables对话框, 单击add添加设计变量d, 在minimum和maximum域中分别输入0和60.

定义优化状态变量, 选取菜单main menu>design opt>state variables打开state variables对话框, 添加2个状态变量Von Mises SEQV, Von Mises EPTOEQV, 并输入个状态变量的maximum域, 完成后选取菜单main menu>design opt>database>save存储优化数据库。

设置目标函数。选取菜单main menu>design opt>objective, 打开define objective function对话框, 选取参数VTOT。采用默认允差。

指定优化方法, 这里采用零阶优化方法。

e) 查看结果及后处理:选取菜单main menu>design opt>design sets>list, 打开list design sets对话框, 在列表选项中拾取all序列, 单击OK可以看到所得6个设计序列 (表1) , 以看到序列3是最佳设计序列。满足4个约束条件的同时, 实现了最小轴径的较好逼近。

同样, 利用FEA方法可以对减速器的其他关键零部件如齿轮等进行优化设计。由于时间与计算机硬件的关系, 这里只对上述输出轴进行了优化设计。

6 结论

把虚拟样机技术引进到圆柱齿轮的设计优化中, 改进了传统设计方法, 避免了传统设计方法中可能出现的缺点与问题。创建了圆柱齿轮减速器的虚拟样机环境, 实现了Pro/E-ADAMS-ANSYS的相互集成;提出了一个操作性比较强的圆柱齿轮减速器虚拟样机建模、仿真与优化的结构体系, 该体系对其他机械系统同样适用。

参考文献

[1]李瑞涛, 方湄, 等.虚拟样机技术的概念及应用[J].金属矿山, 2000 (7) :38-40.

[2]徐勇军.减速器参数化设计、分析与虚拟实验技术[J].通用机械, 2004 (10) :53-55.

[3]熊光楞, 等.虚拟样机技术[J].系统仿真学报, 2000, 13 (1) .

[4]张展.齿轮减速器现状及发展趋势[J].水利电力机械, 2001 (2) :58-59.

[5]王彩梅.行星摆线针轮减速器虚拟样机的建造与性能仿真[D].北京:中国农业大学, 2001.

基于虚拟样机的并联机床仿真探究第2篇

虚拟样机技术是当前设计制造领域的一门新技术, 应用十分广泛, 其应用涉及工程机械、汽车制造、航空航天、航海造船等众多领域。虚拟样机技术可贯穿于整个设计过程中, 可用在概念设计和方案论证中, 设计者可以将自己的经验与想象结合在虚拟样机里, 用虚拟样机替代实体, 可以缩短开发周期, 提高生产效率。美国参数技术公司出产的Pro/Engineer软件具有零件设计、装配设计和工程图等功能, 可以应用它进行并联机床建模。美国MSC公司的机械系统动力学分析软件ADAMS软件, 具有创建约束、施加载荷、仿真模型等功能, 可以应用它对并联机床进行仿真分析。

二、并联机床结构分析

并联机床结构以6自由度Stewart平台为基础, 将6个相同结构的UPS (虎克铰-移动副-球副) 分支换成6个结构相同PUS (移动副-虎克铰-球副) 分支。PUS分支主要由伺服电机、滚珠丝杠, 滑块, 连杆四个部分组成, 滑块与连杆通过虎克铰联接, 连杆和动平台用球副联接。为了提高机床的刚性, 中间加一个UPS分支, 其中虎克铰固接在机架顶上, 球副固接在动平台中心, 两个运动副中间用移动副相连。伺服电机旋转带动滚珠丝杠旋转, 驱动滑块上下运动, 实现动平台运动, 动平台可以实现六个自由度运动。

三、并联机床建模

在ADAMS中可以直接参数化建模, 但专业的CAD软件在建立模型时比较简便。本文利用Pro/E软件建立并联机床模型, 然后利用ADAMS提供的CAD模型数据接口导入并联机床模型。首先绘制机架, 动平台, 连杆, 球副, 虎克铰, 滑块, 电机等部件的零件图, 在装配模型中进行装配, 组成并联机床样机。六个电机、丝杠和滑块以一定角度分布在机架立柱上, 球副均布在动平台上。考虑端盖, 螺钉, 销等小的零件以及中间分支对机构仿真分析没有太大影响, 绘制过程中将模型简化。

四、并联机床仿真

将在Pro/E软件中装配好的并联机床样机导入到ADAMS中, 然后根据模型结构添加相应约束, 检验模型正确后, 进行仿真分析。

(一) 模型导入。

在Pro/E中将装配体另存为“x-t”的文件, 注意机床模型文件一定不要保存到桌面上, ADAMS软件将搜索不到, 利用ADAMS提供的CAD模型数据接口导入并联机床模型。具体操作, 打开ADAMS/view窗口, 点击File-Import, 选择相应的文件格式和文件目录, 点击OK, 导入并联机床模型, 如果看不到模型, 采用放大/缩小工具查看, 也许模型太小或者太大。

(二) 添加约束。

Pro/E的模型文件以这种方式导入到ADAMS后, 所有的约束都失效了, 需在ADAMS中重新添加约束。ADAMS提供了多种常见的运动副, 用来表示具有相互作用的物理运动副, 例如转动副、移动副、螺旋副等。联接的两个构件可以是刚体、柔性体或质点。本文应用到固定副、螺旋副、球接副、万向副。机架和大地用固定副固结到一起。电机、丝杠和滑块通过螺旋副联接, 电机旋转带动滑块运动。滑块和连杆通过万向副相连, 连杆和动平台通过球接副相连。

建立运动副时, 为了简化模型, 通过布尔操作工具将一些零件合并, 减少零件数目, 这对零件多复杂的模型非常适用。为了方便选择构件, 也可以隐藏一些构件, 右击构件-Hide。约束建完以后再显示构件。显示构件操作方法有两种, 第一种方法是打开数据浏览器, 在数据浏览器上方选择display, 然后逐个点击part, 看到右侧窗口中出现visible 是off的, 就把它打开, 就可以显示了。第二种方法是打开edit-appreance, 打开显示对话框, 在要显示的part的名称里面输入 * , 这个就代表了当前模型里的所有part, 再点击下方的确认打开显示, 这时所有part都显示出来了。第二种方法对构件多模型非常实用。注意建立每一个运动副后都要检查一下, 选择的构件是否正确。为了方便区分每个构件可以为构件添加颜色。

(三) 验证模型。

通过验证模型可以发现建模过程中的错误, ADAMS会自动检测一些错误, 如未连接的约束, 动力系统中无质量的部件, 无约束的部件等, 并警告可能引发的问题。点击Information-Verification检验模型。如果有无约束的部件, 给构件添加约束。检验ADAMS重力的方向是否和机床本体重力方向一致, 各个构件是否都添加材质。如果没有给构件添加材质, 点击Build-Materials添加材质, 本文构件材质均为钢。

(四) 仿真分析。

ADAMS软件的后置处理模块ADAMS/Post Processor, 绘制曲线和仿真动画的功能十分强大, 利用它用户可以清晰地观察仿真结果, 也可以将所得到的结果转化为动画、表格或者HIml等形式, 能更准确地反映模型的特性。

模拟并联机床加工过程中加工圆周的工作。打开力工具图标, 在动平台中心施加随时间变化的圆周力, 让动平台中心走圆运动, 分析驱动力矩曲线。应用后置处理模块分析并联机床运动曲线, 通过分析发现驱动力矩变化曲线受运动轨迹曲线函数的影响, 六个分支的驱动力矩大致都按照正余弦曲线规律变化, 而且驱动力矩大小变化区间一致, 只是在相位上有差别。仿真输出结果和理论计算的结果进行比较, 可以证明并联机床的理论计算模型和ADAMS仿真模型是正确的, 该并联机床设计是可行的。

五、结语

利用Pro/Engineer可以方便的建立并联机床模型, 通过ADAMS系统可以对并联机床机构进行动力学仿真测试, 大大简化设计过程, 提高了设计效率, 可以方便快速地改进结构, 为机床机构分析和开发提供了巨大的帮助, 为以后的机床技术和应用能力的提高奠定了良好的基础。

摘要：随着机电一体化技术的迅速发展, 并联机床的运用也日益广泛。为了减少昂贵的实体样品制造和实验次数, 提高产品质量, 大大缩短产品的开发周期, 本文采用基于虚拟样机的研究方法, 利用Pro/E和ADAMS软件对并联机床进行虚拟建模和仿真分析, 验证设计的合理性, 为后续研究奠定基础。

关键词：虚拟样机,并联机床,仿真

参考文献

[1].李聪.6PUS-UPS并联机床动力学性能分析与研究[D].燕山大学, 2011

[2].袁先垚, 刘华, 马明明等.基于ADAMS的并联机床运动学仿真[J].山东理工大学学报, 2008

[3].刘磊, 陈永成, 毕新胜等.基于Pro/E与ADAMS圆锥齿轮的建模及仿真[J].石河子大学学报, 2009

[4].赵云峰, 程丽, 祁荣先等.并联机床虚拟样机建模与加工过程动力学仿真[J].系统仿真学报, 2010

基于虚拟样机技术的挖掘机动态仿真第3篇

随着科学技术的发展,计算机辅助设计技术越来越广泛地应用在各个设计领域。在现代产品设计中,传统的经验设计、类比设计和静态设计已不能满足工程需要,必须进行动态分析和动态设计[1]。因此现在产品设计必须突破二维图样电子化的框架转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主的机械系统动态仿真设计。利用虚拟样机技术进行产品分析,一般的步骤首先是建立参数化的系统几何模型,在几何模型上施加力矩或运动激励和运动约束,然后进行模型验证,重复直到模型验证与实验结果一致,然后进行优化设计,改进模型,最后建立系统的虚拟样机执行仿真。

1 挖掘机工作装置的三维实体造型及装配

挖掘机三维实体造型包括所有零件的三维实体造型、总成和整机装配仿真。挖掘机是由回转机构、动力装置、传动操作机构、液压系统和辅助设备等组成。挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗、回转平台、回转支承等组成[2]。反铲作业装置可看成是一个具有四个自由度的开式运动链。四个自由度分别是回转平台绕基座的转动副、动臂和回转平台间的转动副、斗杆和动臂间的转动副以及铲斗和斗杆间的转动副。利用Pro/E特征选项里的拉伸、旋转、剪切、混合、扫描等操作命令建立挖掘机工作装置的各零、部件及总装图[3]。挖掘机的总装配图如图1所示。

2 基于Pro/E挖掘机的虚拟动态仿真

利用Pro/E的机构仿真子模块Pro/Mechanica motion来进行液压挖掘机工作装置的机构运动模拟和动态干涉检查。Pro/Mechanicamotion模块是设计机构强有力的工具。

在Pro/E的装配环境中进行机构运动仿真,首先必须创建一个三维装配模(*.asm),并根据实际情况在各零部件之间施加完整的装配约束。对于有相对运动的零部件关系,应保留其独立运动(自由度),以构成动联接(运动副)。之后,就可以使用Mechanism Design建立运动模型,进行机构运动仿真并观察仿真结果。利用图1所示的参数化模型来进行运动仿真。机械系统运动仿真一般过程如图2所示。

2.1 确定运动零部件和静止零部件

指定参与机构运动仿真的装配树中哪些零部件是运动的,哪些零部件是静止的。装配件中的子部件作为一个零件处理,其所包含的各零件间不发生相对运动。

2.2 定义运动副

运动副也就是各构件间组成的可动联接。可定义的主要的运动副类型和对应的主要装配约束关系以及具有的自由度数目和独立运动类型见表1。

2.3 定义驱动器

只有进行装配后并确定下来才能开始运动仿真,为了能够使模型能真实反映实际机构的运动规律,必须精确地描述驱动件的运动规律。如图1所示,连接回转平台与动臂的是液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ,两液压缸是同步液压缸;连接动臂与斗杆的液压缸是液压缸Ⅲ;连接斗杆与铲斗的是液压缸Ⅳ。定义回转平台的为旋转运动,定义各个液压缸为伸缩平移运动,回转平台回转角度及各液压缸伸长量见表2。

2.4 定义运动

通过对驱动器的有效分配实现运动的定义,同时可设置仿真参数,如仿真时间、仿真的总帧数、帧间隔、仿真初始状态等各种运动的必要信息。

2.5 运动模拟及进行动态干涉检查

运动模型建立后,即可进行机构的运动模拟,并将模拟结果以动画形式在屏幕上显示。机构仿真环境下的干涉检查是一种动态的、全范围的干涉检查,可以对装配模型中的多个指定零件在运动模拟的全程进行干涉检查,查找出发生干涉的帧数、帧编号、哪些零件发生了干涉,计算干涉的体积,并在装配路径查找器中生成各干涉体特征。

3 挖掘机的虚拟动态仿真结果分析

见图3~图5。

4 结论

通过工作装置的仿真,可以在进行整体设计和零件设计后,对各种零件进行装配后模拟机械的运动,从而检查机械的运动是否达到设计要求,可以检查机械运动中各种运动构件是否发生干涉。同时,可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置,运动量以及各运动副之间的相互运动关系,关键部件的受力情况。从而可以将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态,减少试制样机的费用,并大大缩短机械产品的更新周期。

摘要：以虚拟样机技术为理论基础,应用三维参数化建模技术Pro/E,在开发平台上建立挖掘机零部件的虚拟模型和整体装配模型。利用Pro/E的Mechanism模块进行运动仿真,得到样机的运动模拟结果,并在虚拟模型的基础上检验设计方案的可行性,以及虚拟装配模型的静态干涉问题,提前发现设计中存在的缺陷,并及时对设计方案进行修改。该方法具有传统二维建模方法无法比拟的优越性,可见对于复杂机构使用三维虚拟建模技术完成设计是可行的,也是很方便的。

关键词：虚拟样机,Pro/E,三维建模,动态仿真

参考文献

[1]熊光楞,李伯虎,柴旭东.虚拟样机技术.系统仿真学报,2001;1(3):114—117

[2]王吉奎,陈志刚.基于Pro/E及ADAMS的反铲式挖掘机工作装置机构的建模与运动仿真.现代制造工程,2006;(5):135—137

[3]方建军,刘仕良.机械动态仿真与工程分析.北京:化学工业出版社,2004

[4]林清安.Pro/ENGINEER零件设计(高级篇).北京:北京大学出版社.2000

[5]于洁.液压挖掘机工作装置虚拟样机技术的研究.山东:山东科技大学,2005

变速器虚拟样机仿真第4篇

步进输送机是在一定的线路上间歇性送料传送机械, 在工业自动化生产线上应用极为广泛。一般步进输送机的工作原理是当曲柄匀速转动时, 摇杆左右摆动, 带动滑架在固定轨道上往复滑动, 同时盘形凸轮匀速转动时, 另一摇杆左右摆动, 便带动插板做有间歇的往复直线运动, 插板运动与滑架运动需要保持一定的协调配合关系。普通方法计算量大且难以准确地分析滑架的位移、速度、加速度随时间的变化规律, 进而无法为凸轮设计提供准确数据, 因此难以实现插板运动与滑架运动的协调配合。而通过虚拟样机建模仿真可以准确得出步进输送机滑架的位移、速度、加速度随曲柄转角变化而变化的规律曲线, 为步进输送机主执行机构尺寸合理设计和结构参数的优化设计提供依据[1,2,3]。

虚拟样机技术是90年代中叶逐渐兴起, 基于计算机技术的一个新概念技术, 所谓虚拟样机类似于产品设计中的物理样机, 虚拟样机用精确的逼真的数字模型, 来表示物理样机的各个部分、各个部件和整个原型样机, 这种数字样机更易于产生和显示、并且可以方便的进行反复修改, 这样就能有效的节约研制资金和研制周期[4,5,6,7,8]。目前, 在西方发达国家特别是美国在此领域的开创性研究已取得了瞩目成就, 例如, 波音公司在波音777开发中使用这一技术, 节省了研制成本;而在国内, 虚拟样机技术处于起步阶段, 目前主要应用于航空、航天和军事部门及许多高校中也在使用和研究[9,10]。

无论在国内还是国外, 目前很少有人利用虚拟样机技术来研究步进输送机的特性[11], 本文为了深入、全面的了解带式输送机系统动态特性, 尝试利用虚拟样机技术来建立带式输送机系统的物理原型机, 然后通过仿真对步进输送机系统的动态特性进行研究。

1 步进输送机工作原理

步进输送机是一种间歇输送工件的传送机械, 工件由料仓卸落在辊道上, 滑架作往返直线运动。滑架正行程时, 通过棘钩使工件向前运动;滑架返回时, 棘钩下的弹簧被工件压下, 棘钩从工件下滑过, 工件不动。当滑架又向前运动时, 棘钩又钩住下一个工件向前运动, 实现了工件的步进传送。插板做有间歇的往复直线运动, 可使工件保持一定的时间间隔落在辊道上。步进输送机的工作原理如图1所示。

2 步进输送机主执行机构模型的建立与仿真

2.1 模型的建立

步进输送机主执行机构可以简化为一个曲柄滑块滑架机构, 利用虚拟样机自带的建模模块就可以很好的完成建模。

1) 选择新建模型, 设置单位为MMKS;

2) 根据模型大小设置栅格s i z e为700mm×700mm, spacing为10mm;

3) 根据设计要求使用建模工具箱建立步进输送机主执行机构简化模型, 如图2所示。

2.2 添加运动副及运动

添加转动副:右击添加运动副按钮, 选择转动副, 设置为2Bod-1Loc, Normal To Grid, 选择First Body为曲柄, Second Body为Ground, 点击曲柄转动中心, 完成转动副添加。同理添加曲柄与滑块间转动副、摇杆与地间转动副、摇杆与滑架驱动滑块间转动副。

添加移动副:右击添加运动副按钮, 选择移动副, 设置为2Bod-1Loc, Pick Feature, 选择First Body为滑块, Second Body为摇杆, 方向为沿着摇杆, 完成移动副添加。同理添加滑架驱动滑块与滑架间移动副、滑架与导轨 (模型中简化为一个固定的方块) 间移动副。

添加运动:右击添加运动按钮, 选择转动, 根据设计要求设置转速为顺时针0.963r/s, 选择曲柄与地之间的转动副, 完成运动添加。

2.3 设置仿真参数进行仿真

单击仿真计算按钮, 将仿真类型设置为Default, 仿真时间设为6.525s, 仿真步数设置为360步, 然后单击开始按钮进行仿真计算。

2.4 结果后处理

运行过仿真后, 在Adams/View中单击测量按钮可以简单查看各移动副或Marker点上的位移、速度、加速度、力、力矩等数据信息, 也可以单击Plotting按钮进入数据后处理模块, 对仿真计算数据做进一步处理。

进入数据后处理模块, 对仿真结果进行处理, 得到步进输送机滑架的位移、速度和加速度曲线图 (如图3～图5所示) 。

通过后处理模块将测量得到的滑架位移相对时间曲线与曲柄转动角度相对时间曲线进行合并, 得出滑架位移相对曲柄转动角度曲线, 同理可以得到滑架速度、加速度相对曲柄转角的曲线。

使用后处理模块中的Plot tracking工具, 可以得到滑架的最小位移和最大位移分别为-412.7mm和390mm, 行程为802.7mm, 设计要求的行程为800mm, 误差较小。在工件输送行程中最大速度为0.28m/s, 速度变化平缓, 加速度值较小, 而在回程中速度变化较大, 最大达到0.6m/s, 加速度也较大, 符合设计中滑架急回特性要求。

3 主要方案的优化设计

按照仿真设计, 应该着重把握设计中滑架急回特性要求, 针对现实中步进输送机的装配式结构进行优化设计及校验, 包括改进了链条轨道、设计出螺旋张紧装置和驱动装置并对减速电机进行了选用。链条轨道固定在地面或平台上, 驱动装置、螺旋张紧装置安装在链条轨道上。驱动装置、螺旋张紧装置分别位于链条轨道的两端。主动轴两端固定安装有主动链轮, 螺旋张紧装置上的螺旋张紧轴两端固定安装螺旋张紧链轮;牵引链条套在主动链轮和螺旋张紧链轮上, 牵引链条通过与其啮合的主动链轮带动。

图6为步进输送机中间段部件的轨道支撑。采用6mm厚的钢板弯制成C型钢, C型支撑架上安有托轮, 一般每750mm安装一个。链条 (序号3) 在轨道槽 (序号1) 中运行。

图7为张紧装置的三维建模图;螺旋张紧装置可张紧牵引链条, 使牵引链条不会松弛。

通过优化设计, 设备整体简单新颖、安装制作方便、轻量且美观。

4 结论

运用Adams建模仿真分析可以快速准确的得出步进输送机滑架的位移、速度、加速度随曲柄转角变而变化的规律曲线, 生成的仿真动画形象生动, 改变模型参数或运动参数后可以迅速得到新的仿真结果, 能帮助设计人员对步进输送机构优化设计, 高效设计出理想的步进输送机。

摘要：利用虚拟样机软件建立步进输送机主执行机构的仿真模型, 对该机构进行运动学仿真分析, 揭示其机构运动规律和状态。通过仿真分析得出了步进输送机滑架的位移、速度、加速度随时间的变化规律曲线, 为步进输送机主执行机构的工作参数和结构设计参数的确定提供理论依据。

关键词：虚拟样机,步进输送机,建模,运动学仿真

参考文献

[1]刘建军, 柳孔明.基于Pro/E及Adams的连杆步进输送机简化模型仿真分析[J].机械工程师, 2008, (10) :31-32.

[2]尚欣.基于虚拟样机的带式输送机动态特性研究[D].西安科技大学, 2004.

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[4]周毅钧, 李坤.基于ADAMS牛头刨床机构建模与仿真分析[J].安徽理工大学学报 (自然科学版) , 2010, 30 (2) :25-28.

[5]王增.基于虚拟样机的变频电机车关键技术研究[D].兰州理工大学, 2009.

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变速器虚拟样机仿真第5篇

在现实中,完全的线性系统是不存在的,为了分析和设计方便,大多数系统可以在某些点附近似为线性系统进行处理。但随着各种技术的不断先进化和对系统要求的不断提高,线性化处理越来越不太适合时代发展的需要。目前为止,我国对光电跟踪系统的控制系统进行了大量的非线性控制研究,如采用模糊控制[1]、神经网络控制[2]等控制技术。其实光电跟踪系统的很多非线性因素是由于其结构设计造成的,如地平式光电跟踪系统(图1)两轴之间的运动偶合[3]。通过建立地平式光电跟踪系统的动力学模型,找出其非线性因素,从结构上消除系统的某些非线性因素,有利于整个系统跟踪精度的提高,同时也有利于解决非线性问题的其他方法得以简化。

2 地平式光电跟踪系统各轴间的转动惯量偶合

地平式光电跟踪系统示意图如图1所示,跟踪目标时系统可绕方位轴和俯仰轴分别做方位方向和俯仰方向上的转动。在系统中分别建立与地球固联的地面坐标系o-xyz、za坐标可以随系统方位轴的转动而转动的方位轴坐标系o-xayaza、xe坐标可以随系统俯仰轴的转动而转动的俯仰轴坐标系o-xeyeze,当系统镜筒视轴指向水平方向时所建立的坐标系各轴重合(图1)。

各坐标系的转动惯量定义如下:

Jxe为俯仰轴(包括镜筒及各种绕xe轴转动的零部件)绕xe轴旋转的转动惯量;Jye为俯仰轴绕ye轴旋转的转动惯量;Jze为俯仰轴绕ze轴旋转的转动惯量;Jxa为方位轴绕xe轴旋转的转动惯量;Jye为方位轴绕ye轴旋转的转动惯量;Jze为方位轴绕ze轴旋转的转动惯量。

设某一时刻俯仰轴、方位轴所处的位置为α和β。

各坐标系间的相互关系定义如下:

1)Tae为俯仰轴坐标系o-xeyeze投影到方位轴坐标系o-xayaza的转移矩阵。

2)Te和Ta分别为俯仰轴坐标系o-xeyeze和方位轴坐标系o-xayaza投影到地面坐标系o-xyz的转移矩阵。

由欧拉角法求出各转移矩阵的形式为[4]

因此可以得到矢量在各个坐标系中的关系:

定义Ja、Je分别为方位轴和俯仰轴相对各自坐标系的转动惯量矩阵,且有:

式中:Jxi=∑m(yi2+zi2);Jyi=∑m(xi2+zi2);Jzi=∑m(xi2+yi2);Jxi⋅yi=Jyi⋅xi=∑mx iyi;

由于在光电跟踪系统设计时就进行了结构动态平衡设计,在装配调试时还要对动态平衡进行补偿,最终达到整个系统的动态平衡,从而有:

从而地平式光电跟踪系统转动惯量矩阵为

设俯仰轴对方位轴坐标系的转动惯量为Jae,由式(1)和(8)得:

由式(9)、式(10)可知俯仰轴和方位轴相对方位轴坐标系的转动惯量矩阵为

由式(11)可以看出,俯仰轴和方位轴对o-za轴的转动惯量为

在式(12)中,当设计的系统结构满足zyeeJJ=时,X轴所处位置不影响对方位轴o-za轴的转动惯量。

3地平式光电跟踪系统的动力学偶合

设俯仰轴、方位轴所处位置为α和β时的角速度为α和β。运动过程中地平式光电跟踪系统存在速度偶合和转矩偶合。

俯仰轴的角速度是由俯仰轴和方位轴两个旋转运动的叠加得到的;方位轴的角速度是由自身的旋转引起的。俯仰轴除了轴向的转矩外,还有两个相互垂直方向上的转矩传递给方位轴;方位轴上的转矩是由电机和俯仰轴传递来的力矩。

3.1俯仰轴与方位轴相对于地面坐标系的角速度

由于方位轴的转动使得俯仰轴的角速度在俯仰轴坐标系中有表达式为

当Y轴、X轴同时转动时,X轴的角速度为

3.2作用在俯仰轴与方位轴上的转动力矩

由动力学方程式(15)[5]可得作用在X轴上的转动力矩:

设作用在俯仰轴上的力矩矢量为,将式(14)代入式(15):

设作用在方位轴上的力矩矢量为,同理可得Y轴的动力学方程为

作用在俯仰轴上的转矩在方位轴坐标系中的投影为

所以作用在方位轴转动轴oza上的力矩为

作用在俯仰轴转轴oxe上的转矩为

式(19)、式(20)是地平式光电跟踪系统的动力学方程。

4 系统动力学仿真

在动力学仿真软件Adams中,用外径500mm、内径470mm、长1400mm的空心圆柱体代表地平式光电跟踪系统的方位轴,用外径400mm、内径380mm、长1000mm的空心圆柱体代表地平式光电跟踪系统的俯仰轴,所有材料均采用钢材料且不考虑摩擦建立系统模型进行动力学仿真;俯仰轴相对图1所示的俯仰轴坐标系统的转动惯量分别为

方位轴相对图1所示的方位轴坐标系统的转动惯量分别为

4.1 对方位轴转动轴上的动力学方程进行仿真

由式(19)和图2、图4、图6比较可知,当Jye=Jze时,由于总有Jxe=Jye,所以不论俯仰轴静止或运动,方位轴转动轴上的驱动力矩不受俯仰轴所处位置的影响。

由式(19)和图2、图3、图5比较可知,当Jye≠Jze时,方位轴运动情况相同的条件下其转动轴上的驱动力矩随着俯仰轴的位置或俯仰轴的转动速度的变化而改变。当β=20°/s2、α=15°/s且俯仰轴的转动角度α=45°时,方位轴的驱动力矩为101.7N·m,而没有俯仰轴对方位轴的扰动时方位轴的驱动力矩为103.34N·m,所以因扰动引起的Y轴驱动力矩的误差为1.5%,此误差较小的原因是该系统俯仰轴的相对惯性主轴的转动惯量(Ixx=Iyy=60.95kg⋅m2,Izz=58.91kg⋅m2)不大所致,当相差较大时,会有较大的挠动误差。

4.2 对俯仰轴转动轴上的动力学方程进行仿真

由式(20)和图8、图10可知,当Jye=Jze时,俯仰轴转动轴上的驱动力矩只受其本身角加速度的影响。

由式(20)和图8、图9、图10可知,当Jye≠Jze时,俯仰轴转动轴上的驱动力矩除受其本身角加速度的影响外,还受方位轴角速度与俯仰轴所处位置的影响,即两轴间存在运动偶合。当β=30°/s、α=5°/s2系统从运动了6s时,俯仰轴转动轴上的驱动力矩扰动误差为50%(无运动偶合时俯仰轴所需驱动力矩为5.3193N·m,存在运动偶合时X轴所需驱动力矩为-5.3193N·m)。

5 结论

理论分析和仿真表明,地平式光电跟踪系统跟踪目标时俯仰轴与方位轴之间通常存在运动偶合关系,系统的这种非线性关系按照线性处理有时会严重影响系统的跟踪精度,设计系统结构时,如果保证地平式光电跟踪系统的俯仰轴相对其各惯性主轴的转动惯量相等,可彻底解决俯仰轴与方位轴之间的运动偶合关系。

参考文献

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变速器虚拟样机仿真第6篇

野战救护车辆需要在特殊的环境下完成特定的医疗救护任务,并需要各种医疗设备辅助治疗,比如监护仪、呼吸机、输液泵、吸引器等。由于野外环境的特殊性和复杂性将使车辆受到振动或冲击作用,直接影响到车内医疗设备的性能及车内乘员的操作,进而影响到伤病员的救治效率[1]。

本研究以监护仪为例进行减振设计分析,一是与其他医疗设备相比,监护仪能够为医疗人员应急处理和进行救治提供依据,使并发症减到最小达到缓解并消除病情的目的;二是监护仪的质量适中,而输液泵较轻,吸引器与呼吸机较重,并且监护仪的需求量相比其他医疗设备稍高。通过仿真分析说明监护仪安装支架的减振作用,可为其他医疗设备安装支架的设计提供参考。研究过程采用Pro/E与ADAMS结合的虚拟样机技术[2],既不需要真实产品,也不必消耗材料和能量,与传统的设计思想相比,即反复生产、修改后对物理样机进行实验测试[3],具有显著的优越性。

1 材料与方法

1.1 模型的结构及建立

监护仪安装支架主要由底座、托板、钢丝绳弹簧[4,5](以下简称弹簧)、橡胶垫[6,7]、紧固带等构成,底座可以安装在车厢水平或垂直面上,同为“L”型的托板重叠在底座上,底座与托板之间安装弹簧,橡胶垫位于托板的表面,以降低监护仪与托板之间的摩擦,并配合弹簧[8,9]共同作用。

本研究中,主要考察车载式安装支架的动力学特性,因此将车辆视为一个整体,模拟为一个平台,将安装支架固定在平台上。由于安装支架是研究的重点,因此需要建立相对精确的模型。按照图纸的设计,由Pro/E Wildfire 3.0建立三维实体模型,尺寸、形状和几何匹配关系与设计图纸吻合。

1.2 模型传递

模型主要包括底座、托板、监护仪3部分。由于紧固带与橡胶垫的质量非常小,属于非刚性材质,仿真时可以将它们忽略。利用接口软件Mech/Pro将三维实体模型导入ADAMS环境中,在传递过程中没有产生图像损失,对结果无影响。导入ADAMS后的模型如图1所示。

1.3 激励信号

监护仪在实际工作环境中受到的机械力有各种形式,如振动、冲击、离心力、机构运动所产生的摩擦力等,其中危害最大的是振动和冲击。在考虑监护仪的减振和缓冲时,应了解实际工作环境中最恶劣的条件状况[10],即环境条件界限和零部件耐振[11](或抗冲)能力的最低强度(强度下限),在误差允许范围内模拟出监护仪受到的振动和冲击曲线,然后作为激励[12,13]施加在模型上进行仿真分析。

1.3.1 振动信号

正弦扫频振动测试是试验室常用的一种试验方法,是解决各种机械和结构振动问题的一个重要手段。《GJB150.16—86军用设备环境试验方法振动试验》中规定了军用设备振动试验办法,可用于评定设备或机构在其预期的运输和使用环境中的抗振能力。

在战斗环境下,野战救护车将经历恶劣的路面和原始地形,车体的支撑、结构与路面不平度综合作用对安装支架产生一种振动激励。在本研究中,振动激励信号采用GJB150.16—1986文件规定的正弦对数扫描方法,频率为5~500 Hz,对数扫描1次时间为7.5 min。

1.3.2 冲击信号

根据我国军用设备试验的要求以及结合野外环境实际情况,本研究中的冲击激励信号按照《GJB 150.18—1986军用设备环境试验方法冲击试验》执行。这种试验适用于地面设备在使用和装卸中预期可能遭受的非重复性冲击,可以考核、评定安装支架在冲击作用下的机械性能及结构强度是否达到设计要求。并且,还明确规定试验的严酷度,试验脉冲波形为半正弦波,峰值加速度A为20 g(g为重力加速度,9.8 m/s2),持续时间D为11 ms,速度变化量的表达式为:

1.4 仿真分析

为了获取监护仪安装支架的动力学特性,以及考察没有采取隔振措施的情况下监护仪的振动情况,分别将振动信号与冲击信号施加于模型上,测量监护仪的垂向加速度,以加速度的均方根值[14]作为评价指标。在后处理阶段,利用曲线统计运算功能,得到垂向加速度曲线的均方根值,再利用FFT(快速傅里叶变换)工具对曲线进行处理,得到加速度的幅频响应曲线。

1.5 优化设计

本研究中的安装支架以保护监护仪、降低监护仪所受振动为目的,为了获取更好的减振效果,对其进行优化设计。根据安装支架的结构,最多可容纳4个弹簧,因此在优化分析中,以弹簧个数由4依次减至1为实验组,以无弹簧为对照组,测量监护仪的垂向加速度,以加速度的均方根值作为评价指标,找到最理想、最匹配的一种结构。底座与托板均为“L”型,对照组与各实验组弹簧个数及安装位置详见表1。取得结果后对比出减振效果最好的一组,获取该组中弹簧的刚度系数与阻尼系数,为产品定型生产时选择弹簧提供指导依据。

2 结果

模拟分析结果如表2、表3、图2、图3所示,取2种激励下的一组图片为代表,表中具体列出对照组与各个实验组的数据,以均方根值为评价指标选出减振效果最好的一组,获取其中的弹簧参数。由于虚拟环境不存在物理实验中的各种误差,一旦将模型与激励固定,将产生固定的值,因此在分析结果时只能从数值来观察各组间的差异。图与表中加速度的单位均为mm/s2,刚度系数的单位为N·s/mm,阻尼系数的单位为N/mm,其中各组数据都是在绝对值的基础上计算得出。

3 讨论

3.1 振动信号与冲击信号造成的差异

比较垂向加速度的均方根值可知,半正弦脉冲激励产生的均方根值远大于正弦扫频信号,因为正弦扫频信号是根据大量的物理实验数据将车体的支撑、结构与路面不平度综合作用产生的一种振动作用以功率谱、函数的形式表现出来的一种信号,是一种统计形式;而半正弦脉冲代表设备在使用和装卸中可能遭受的非重复性冲击,具有瞬时性、突发性,且数值非常高,而此类突发性冲击在野外环境是必然存在的,也说明了振动强度随着外界路况变差而增强。

3.2 监护仪安装支架的减振效果

通过仿真分析,获得系统在2种激励下的响应,比较表2、表3中的均方根值,可得以下结论:

(1)对比实验组与对照组可知,采用钢丝绳弹簧减振器可以降低监护仪的振动强度。

(2)对比各实验组可知,当弹簧数量较少或较多时,系统减振效果均不明显,说明应结合安装支架的结构,合理地选用钢丝绳弹簧的数量,以能够承载托板与设备的质量为前提条件,以监护仪为例,3个钢丝绳弹簧为最佳,其他医疗设备可根据自身外形和质量适当增减弹簧个数。

(3)对比实验组3、4及实验组5、6可知,弹簧减振效果随着安装位置的改变而变化,底座与托板均为“L”型,在底座的水平面与竖直面2个方向均安置弹簧,此时的减振效果优于其他的安装方式。

(4)由于振动信号与冲击信号的差异,最终优化得到的弹簧参数不尽相同,然而按照图纸的设计安装支架中还包含有橡胶垫,并且实际环境的复杂性是虚拟环境不能比拟的,因此弹簧参数的细小差异可以忽略。

4 结语

变速器虚拟样机仿真第7篇

物流处理系统[1]由包装、码垛[2]、存储和运输四部分组成[1]。有研究表明：在产品整体的生产周期中，产品的加工时间占4%-8%，而后续的搬运、码垛、存储等物流操作则占到生产周期的90%[3,4,5]。由此可见，研制[1]高效率的码垛机器[6,10对提高产品的生产效率有非常重大的意义。

近年来，机器人码垛技术[4,5,6]发展迅速。按照机器人构型分类，码垛机器人可以分为直角型、SCARA型[7]和平行四边形连杆型[4]。世界上著名的机器人生产商如瑞典的ABB公司[8]、德国的KUKA公司[9]都在码垛机器人方面有不错的表现，但是，这些设备价格昂贵，成本较高不适应国内市场;鉴于此，研究一种响应速度快、负载能力强、价格低廉的自动化码垛机器人，具有非常重要的意义。

本文以龙门式码垛机器人为研究对象，根据生产计划和工程技术要求，对码垛机器人进行整体规划和布局，在此基础上建立虚拟样机。对托盘输送系统基于Solidworks Motion进行仿真分析，对样机生产线进行调试和试运行。

1 工艺技术要求与需求分析

1.1 龙门式码垛机器人工艺技术要求

龙门式码垛机器人可以码放三种不同规格的纸箱，纸箱尺寸和码放层数如表1所示。

在码垛过程中，成品垛的稳定性随其高度增加而不断降低;为了确保生产过程中，成品垛具有一定的稳定性，本文采用奇数层垛与偶数层垛镜像对称的码放形式;具体码放形式如图1所示。

1.2 码垛机器人需求分析

根据龙门式码垛机器人工艺技术要求对生产线进行需求分析。

龙门式码垛机器人的动作流程由五部分组成，分别是纸箱输入、纸箱排列、托盘供给、码垛和成品垛输出;具体分析如图2所示。

根据码垛机器人的技术要求，单层垛内的纸箱需要按照一定的形状规则码放，所以在纸箱输入线上增加了转箱和挡箱功能以排列纸箱的位置。

纸箱输送需求分析如图3所示。

纸箱经过输送、转箱和挡箱之后摆放成规则的形状，形成单层，单层纸箱由相应机构推送至下一工序，其需求分析如图4所示。

托盘供给系统需要定位托盘的位置，所以也需要位置检测和光电检测，需求分析如图5所示。

码垛的需求分析如图6所示。

2 虚拟样机设计

根据生产需要及设定的技术参数，对龙门式码垛机器人生产线进行总体设计及布局，对重要零部件进行校核;构建本系统虚拟样机模型。

2.1 总体设计及布局

2.1.1 确定工作空间

首先，确定生产线的高度。根据码垛机器人生产线码放的纸箱尺寸及码放的层数得到成品垛的高度。同时考虑到生产线运动件的活动空间、底座的高度、托架的高度及龙门横梁的高度，在充分保障各方面尺寸裕量的情况下，得生产线整体的高度。

接下来，确定生产线的宽度。经分析可知，生产线的宽度由以下四部分组成，分别为：纸箱宽度、码垛装置宽度、托盘输送线长度及成品垛工位宽度。在充分考虑各方面尺寸裕量的情况下，确定生产线整体的宽度。

最后，确定生产线的长度。生产线的长度主要包括码垛装置的长度、推箱装置的长度和缓冲区的宽度。综合考虑以上各个因素，在充分保证各系统工作空间的情况下，确定生产线的长度。

2.1.2 总体布局

生产线的总体布局主要根据码垛工序的先后顺序。布局如图7所示。

2.2 重要零部件设计与校核

横梁是码垛生产线中重要的部件，承受较大的载荷。为保证轴径设计合理，利用Solidworks Simulation对其进行校核。横梁加载如图8所示。

经过计算，得到横梁的位移和屈服应力分布图，如图9,10所示。

由图9可以得到以下结论：1)在静载荷作用下，轴的最大位移出现在轴两端的轴颈处。2)轴的最大位移为1.5mm。3)此位移在工程允许的范围之内。

由图10可以得到以下结论：1)在静载荷作用下，轴的应力主要分布在轴的两端，且越靠近端点应力越大;最大应力出现在左端点。2)最大应力值为62.0422Mpa，根据安全系数计算公式，可以得到该轴的安全系数为5.7。3)此安全系数满足工程需要。

3 托盘机运动仿真分析

托盘供给系统(如图11所示)是生产线中重要的受载部件和运动部件，其运动性能直接关系到生产线的运行。托盘供给系统主要包括托盘机的升降运动和托盘钩的抓放运动;其中，托盘机依靠大气缸工位与复位实现升降运动，托盘钩在小气缸的作用下实现抓放运动;就上述两种运动形式在Motion中进行运动学分析。

Solidworks Motion模块对装配体进行运动分析，主要步骤如下：

首先，把建好的模型(图11)导入Motion当中，添加位移驱动，设置仿真时间。

Motion分析得到了气缸的负载曲线(图12)、托盘的位移曲线(图13)、托盘的速度曲线(图14)和托盘的加速度曲线(图15)。气缸的负载曲线如图12所示。

由图12可以得出以下结论：1)气缸的负载随时间成线性递减关系，最大负载为4927N，最小负载为4830N。2)负载变化幅度不大，变化平稳，无突变现象。3)已知气缸压强P=0.5MPa，根据公式(1)可以计算出气缸的最小缸径。

由式(1)计算出气缸的最小缸径小于所选气缸缸径，气缸选型满足要求。

如图13、图14和图15所示分别为托盘的位移、速度和加速度曲线。由上述曲线可以得出以下结论：1)托盘的位移曲线是一条三次曲线，其运动过程是一个先加速后减速的过程，最大位移为250mm。2)托盘的速度曲线是一条开口向下，关于中间时刻对称的二次曲线，最大速度为94mm/s，出现在中间时刻。3)托盘的加速度曲线为一条负斜率的直线。4)托盘的运动过程没有速度突变，运行平稳，与实际运动情况相符。

托盘供给系统是码垛生产线重要的受载部件和运动部件，以上仿真曲线为确保生产线正常运行提供了理论依据;为气缸选型、支架结构设计和传动机构设计等提供了重要参考。

4 生产应用

4.1 调试

龙门式码垛机人配置上相应的控制系统就形成了龙门式码垛生产线。生产线在调试正常以后就可以投入生产，其中调试的内容主要包括：机械零点调整、纸箱输送线转箱和挡箱位置调整、托架移动调整和各传感器位置及参数调整。调试的目的是为了确保控制器和传感器参数相匹配，系统逻辑关系正确，机械系统复位、工位正常;除此之外，还要确保生产线运行平稳，无刚性冲击，无剧烈阵动，满足生产需要。

4.2 试运行

调试完成以后，以某品牌矿泉水为例，对码垛生产线进行试运行。纸箱在转箱气缸的作用下完成转箱,在滚筒输送线上被送往码垛区。码垛区收集一定数量的纸箱后，码成单层垛，由托盘机运送单层垛至等待区如图16所示。此时托盘机上升一个工位，返回至码垛区，等待下一次码垛。

如此往复若干次后，单层垛变成成品垛，如图17所示。成品垛由叉车运送至下一道工序。

试运行完成以后，生产线各方面运行良好，没有出现异常和不稳定现象。该龙门式码垛生产线已被投入企业使用。

5 结论

本文设计了一款用于纸箱码放的自动化码垛生产线，得到如下结论：

1)基于龙门式码垛生产线的工程技术要求，并结合生产需要，分析得出了码垛生产线的工作空间，在此基础上对生产线进行布局和规划，其中包括布局各子系统的位置关系，规划各子系统的逻辑关系，得到了生产线整体布局模型。

2)在整体布局和规划之后，对各子系统进行结构设计，得到了龙门式码垛机器人生产线的虚拟样机;对生产线中重要的部件进行基于Solidworks Simulation/Motion的有限元分析和运动学仿真。

3)生产线调试和试运行结果表明设计满足需求。

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