行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真-張磊

文章編號(hào):1004-2539(201210-0067-03行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真張磊曹巨江馮成國(guó)(陜西科技大學(xué),陜西西安710021摘要根據(jù)一種步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和行走軌跡,設(shè)計(jì)出了一個(gè)行星輪系機(jī)構(gòu)可滿足其要求,且該結(jié)構(gòu)輕巧緊湊,設(shè)計(jì)與計(jì)算簡(jiǎn)單方便、軌跡精確,為類似步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路,并通過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的可行性與可靠性,并指出了該行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)鍵詞行星輪步進(jìn)輸送軌跡DesignandSimulationofPlanetaryGearSteppingTransportationMechanismZhangLeiCaoJujiangFengChengguo(ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710021,ChinaAbstractBasedondesignrequirementsandwalkingtrackofasteppingtransportationmechanism,aplanetarygeartrainmechanismcanmeetitsrequirements,andthestructureislightandcompactisdesigned,thedesignandcalculationissimpleandeasy,locusisaccurate,Anewthoughtfordesignofsimilarsteppingtransportationmecha-nismisprovided.Bysimulation,itsfeasibilityandreliabilityofdesignisverified,itsapplicationoccasionsoftheplanetarygearsteppingtransportationmechanismispointout.KeywordsPlanetarygearSteppingtransportationLocus0引言步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)輸送物料,其過(guò)程要求物料直線間斷性前進(jìn)。針對(duì)預(yù)定曲線軌跡的步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu),為實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)特性,可用的機(jī)構(gòu)非常多,如多桿機(jī)構(gòu)、凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)、齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)等。行星輪系機(jī)構(gòu)的行星輪上的點(diǎn)坐標(biāo)軌跡形態(tài)很多,可實(shí)現(xiàn)許多預(yù)定軌跡的運(yùn)動(dòng)[1]。本文中我們采用行星輪系機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種預(yù)定曲線軌跡的步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的可行性,指出其應(yīng)用場(chǎng)合,為類似步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路[2]。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求與工作原理我們?cè)O(shè)計(jì)的步進(jìn)機(jī)構(gòu)的軌跡為如圖1所示的近似正方形,其邊長(zhǎng)S=400mm。該機(jī)構(gòu)在輸送過(guò)程中要盡量平穩(wěn),避免沖擊,而且推送板的高度要超過(guò)物體的重心高度,以避免物體在輸送過(guò)程中傾倒。要求結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),其必須完成4個(gè)工藝動(dòng)作:①推送板上升:推送板上升高度要超過(guò)物體的重心高度,避免物體在輸送過(guò)程中傾倒,以正常輸送物料;②推送板推動(dòng)物料:即推程階段,是步進(jìn)機(jī)構(gòu)的主要目的和動(dòng)作;③推送板下降:為回程做準(zhǔn)備,避免推送板回程時(shí)將已輸送的物料推回或推倒;④推送板回初始位置:即回程階段,是為下一循環(huán)運(yùn)動(dòng)做基礎(chǔ),以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的步進(jìn)循環(huán)推送物料。圖1步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)動(dòng)作示意圖1.2采用行星輪系機(jī)構(gòu)該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的4個(gè)工藝動(dòng)作由1個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)完67第36卷第10期行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2012.10.024成,其運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)為考慮軌跡為近似正方形的機(jī)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)問(wèn)題。行星輪系機(jī)構(gòu)的行星輪上的某點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡,滿足其要求,故我們?cè)O(shè)計(jì)的行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖2行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖該行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中桿2為原動(dòng)件,帶動(dòng)行星輪3轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)后,當(dāng)行星輪3和3′上的D點(diǎn)和D′點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為近似正方形后,將推送板用鉸鏈固定在D點(diǎn)和D′點(diǎn)上,即可達(dá)到該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的要求。其自由度F=3n-pL-pH=3×(2+2+1-2×(3+3-(1+1=3×5-2×6-2=1。圖3行星輪系機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)2運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)分析該行星輪系機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立坐標(biāo)系如圖3所示,并記桿2為H,則i3H=1-iH31=1z3ω3ωHθ3θH為使D點(diǎn)軌跡為近似正方形,則z1/z3=4,因?yàn)橹挥羞@樣才能使D點(diǎn)軌跡由四段周期性曲線組成。故i3H=1-z1/z3=θ3/θH=-3,則θ3=-3θH。設(shè)D點(diǎn)從圖3中的-π/4位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng),則其參數(shù)方程為xD=lACcos(θH-π/4+lCDcos(θ3-π/4=lACcos(θH-π/4+lCDcos(-3θH-π/4yD=lACsin(θH-π/4+lCDsin(θ3-π/4=lACsin(θH-π/4+lCDsin(-3θH-π/4根據(jù)Matlab的編程計(jì)算和圖形模擬,當(dāng)lAC/lCD≈7.5～8.0時(shí),D點(diǎn)軌跡為近似正方形。又推行板行程S束條件,經(jīng)過(guò)計(jì)算最終取lAC=228.75mm,lCD=29mm,則此時(shí)D點(diǎn)參數(shù)方程為xD=228.75cos(θH-π/4+29cos(-3θH-π/4yD=228.75sin(θH-π/4+29sin(-3θH-π/4運(yùn)用Matlab繪制其圖形,結(jié)果如圖4所示。圖4D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖像現(xiàn)根據(jù)以上約束關(guān)系確定齒輪1和齒輪3的齒數(shù)和直徑,由于r1-r3=lAC,即0.5mz1-0.5mz3=lAC,又z1/z3=4,現(xiàn)取m=2.5,則由以上兩個(gè)約束條件,經(jīng)過(guò)計(jì)算得z1=244,z3=61。故齒輪1的參數(shù)為:h＊a=1,c＊=0.25,m=2.5,z1=244,d1=610;齒輪3的參數(shù)為:h＊a=1,c＊=0.25,m=2.5,z3=61,d3=152.5。3運(yùn)動(dòng)分析與仿真3.1機(jī)構(gòu)建模與裝配運(yùn)用SolidWorksPremium2010的強(qiáng)大建模功能,分別建立了固定內(nèi)齒輪、連桿(行星架和行星輪的三維實(shí)體模型,然后完成了其裝配,裝配完成后運(yùn)用Solid-Works中運(yùn)動(dòng)算例的Motion分析[3],對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬,驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)的正確性,即圖3中的D點(diǎn)軌跡確實(shí)為近似的正方形,滿足該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,其裝配及軌跡仿真如圖5所示。圖5裝配及軌跡圖3.2運(yùn)動(dòng)分析在該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)中,推送板為剛體且做平動(dòng),故推送板上每一點(diǎn)的速度大小均相同,由于圖3中的D點(diǎn)也為推送板上的一點(diǎn),所以分析D點(diǎn)的速度和加速度大小即可。設(shè)行星架的轉(zhuǎn)速為n=12r/min,仿真時(shí)給行星架添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)將其看作源動(dòng)件,轉(zhuǎn)速為12r/min。然后運(yùn)用Motion分析中的結(jié)果和圖解功能模擬出圖3中D點(diǎn)的平均速度和加速度幅值如圖6所示(取t=5s,行星架剛好轉(zhuǎn)一周。由該步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的平均速度圖像和平均加速度圖像可以看出,在近似正方形軌跡的拐角處,其平均速度較小,平均加速度較大;在軌跡為近似直線的中間部分,其平均速度較大,平均加速度較小,且其在運(yùn)動(dòng)的,這68機(jī)械傳動(dòng)2012年些都是合理的。圖6平均速度和加速度圖像本文中所設(shè)計(jì)的行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu),其可以滿足一定的軌跡要求,但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度都有一定的變化,所以適用于輸送速度不是很高的場(chǎng)合。4結(jié)語(yǔ)對(duì)于預(yù)定軌跡的步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu),可以采用行星輪系機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),因?yàn)樾行禽喩系狞c(diǎn)的軌跡有多種形態(tài),這可以作為步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路和新方法,且通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析與仿真,最終也驗(yàn)證了該行星輪式步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)的可行性,并指出了其應(yīng)用場(chǎng)合。參考文獻(xiàn)[1]王洪欣,段雄.行星輪點(diǎn)軌跡的圖形特征與應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,20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