行星輪式步進輸送機構的設計與仿真-張磊

文章編號:1004-2539(201210-0067-03行星輪式步進輸送機構的設計與仿真張磊曹巨江馮成國(陜西科技大學,陜西西安710021摘要根據一種步進輸送機構的設計要求和行走軌跡,設計出了一個行星輪系機構可滿足其要求,且該結構輕巧緊湊,設計與計算簡單方便、軌跡精確,為類似步進輸送機構的設計提供了一種新的思路,并通過對該機構進行仿真,驗證了其設計的可行性與可靠性,并指出了該行星輪式步進輸送機構的應用場合。關鍵詞行星輪步進輸送軌跡DesignandSimulationofPlanetaryGearSteppingTransportationMechanismZhangLeiCaoJujiangFengChengguo(ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi'an710021,ChinaAbstractBasedondesignrequirementsandwalkingtrackofasteppingtransportationmechanism,aplanetarygeartrainmechanismcanmeetitsrequirements,andthestructureislightandcompactisdesigned,thedesignandcalculationissimpleandeasy,locusisaccurate,Anewthoughtfordesignofsimilarsteppingtransportationmecha-nismisprovided.Bysimulation,itsfeasibilityandreliabilityofdesignisverified,itsapplicationoccasionsoftheplanetarygearsteppingtransportationmechanismispointout.KeywordsPlanetarygearSteppingtransportationLocus0引言步進輸送機構輸送物料,其過程要求物料直線間斷性前進。針對預定曲線軌跡的步進輸送機構,為實現其運動特性,可用的機構非常多,如多桿機構、凸輪連桿組合機構、齒輪連桿組合機構等。行星輪系機構的行星輪上的點坐標軌跡形態(tài)很多,可實現許多預定軌跡的運動[1]。本文中我們采用行星輪系機構設計了一種預定曲線軌跡的步進輸送機構,并對其進行了運動分析,驗證其設計的可行性,指出其應用場合,為類似步進輸送機構的設計提供了一種新的思路[2]。1結構設計1.1設計要求與工作原理我們設計的步進機構的軌跡為如圖1所示的近似正方形,其邊長S=400mm。該機構在輸送過程中要盡量平穩(wěn),避免沖擊,而且推送板的高度要超過物體的重心高度,以避免物體在輸送過程中傾倒。要求結構為實現該步進輸送機構的運動目標,其必須完成4個工藝動作:①推送板上升:推送板上升高度要超過物體的重心高度,避免物體在輸送過程中傾倒,以正常輸送物料;②推送板推動物料:即推程階段,是步進機構的主要目的和動作;③推送板下降:為回程做準備,避免推送板回程時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)運動做基礎,以實現步進輸送機構的步進循環(huán)推送物料。圖1步進輸送機構動作示意圖1.2采用行星輪系機構該步進輸送機構的4個工藝動作由1個機構來完67第36卷第10期行星輪式步進輸送機構的設計與仿真DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2012.10.024成,其運動方案設計重點為考慮軌跡為近似正方形的機構的選型和設計問題。行星輪系機構的行星輪上的某點就可以實現預定的軌跡,滿足其要求,故我們設計的行星輪式步進輸送機構簡圖如圖2所示。圖2行星輪式步進輸送機構簡圖該行星輪式步進輸送機構簡圖中桿2為原動件,帶動行星輪3轉動。進行尺寸設計后,當行星輪3和3′上的D點和D′點運動軌跡為近似正方形后,將推送板用鉸鏈固定在D點和D′點上,即可達到該步進輸送機構的要求。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行星輪系機構的尺寸設計2運動尺寸設計分析該行星輪系機構的運動規(guī)律,建立坐標系如圖3所示,并記桿2為H,則i3H=1-iH31=1z3ω3ωHθ3θH為使D點軌跡為近似正方形,則z1/z3=4,因為只有這樣才能使D點軌跡由四段周期性曲線組成。故i3H=1-z1/z3=θ3/θH=-3,則θ3=-3θH。設D點從圖3中的-π/4位置開始運動,則其參數方程為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Matlab的編程計算和圖形模擬,當lAC/lCD≈7.5～8.0時,D點軌跡為近似正方形。又推行板行程S束條件,經過計算最終取lAC=228.75mm,lCD=29mm,則此時D點參數方程為xD=228.75cos(θH-π/4+29cos(-3θH-π/4yD=228.75sin(θH-π/4+29sin(-3θH-π/4運用Matlab繪制其圖形,結果如圖4所示。圖4D點運動軌跡圖像現根據以上約束關系確定齒輪1和齒輪3的齒數和直徑,由于r1-r3=lAC,即0.5mz1-0.5mz3=lAC,又z1/z3=4,現取m=2.5,則由以上兩個約束條件,經過計算得z1=244,z3=61。故齒輪1的參數為:h＊a=1,c＊=0.25,m=2.5,z1=244,d1=610;齒輪3的參數為:h＊a=1,c＊=0.25,m=2.5,z3=61,d3=152.5。3運動分析與仿真3.1機構建模與裝配運用SolidWorksPremium2010的強大建模功能,分別建立了固定內齒輪、連桿(行星架和行星輪的三維實體模型,然后完成了其裝配,裝配完成后運用Solid-Works中運動算例的Motion分析[3],對其進行運動模擬,驗證了上述設計的正確性,即圖3中的D點軌跡確實為近似的正方形,滿足該步進輸送機構的設計要求,其裝配及軌跡仿真如圖5所示。圖5裝配及軌跡圖3.2運動分析在該步進輸送機構中,推送板為剛體且做平動,故推送板上每一點的速度大小均相同,由于圖3中的D點也為推送板上的一點,所以分析D點的速度和加速度大小即可。設行星架的轉速為n=12r/min,仿真時給行星架添加旋轉馬達將其看作源動件,轉速為12r/min。然后運用Motion分析中的結果和圖解功能模擬出圖3中D點的平均速度和加速度幅值如圖6所示(取t=5s,行星架剛好轉一周。由該步進輸送機構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,且其在運動的,這68機械傳動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計的行星輪式步進輸送機構,其可以滿足一定的軌跡要求,但在運動過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合。4結語對于預定軌跡的步進輸送機構,可以采用行星輪系機構得以實現,因為行星輪上的點的軌跡有多種形態(tài),這可以作為步進輸送機構設計的新思路和新方法,且通過運動分析與仿真,最終也驗證了該行星輪式步進輸送機構的可行性,并指出了其應用場合。參考文獻[1]王洪欣,段雄.行星輪點軌跡的圖形特征與應用研究[J].機械設計與研究,2005,32(7:24-25.[2]張書杰.行星齒輪機構在攪拌球磨機中的應用[J].輕工機械,2009,27(6:91-93.[3]李大磊,丁天濤.基于SolidworksMotion的空間擺動機構的運動分析[J].制造業(yè)自動化,2011,33(11:70-71.收稿日期:20120308作者簡介:張磊(1988-,男,陜西西安市人,在讀碩士研究生2013年征訂啟事《機械設計與研究》(雙月刊★歡迎訂閱★歡迎賜稿★歡迎刊登廣告全國機械儀表類核心期刊★全國科技論文統計源期刊主管單位:教育部主辦單位:上海交通大學主要欄目:綜合評述,設計理論與方法,機電一體化技術,機構學與機械動力學,機械創(chuàng)新設計,工業(yè)設計,傳動技術,CAD/CAM/CAE,零部件設計,制造工藝與技術,測試與實驗技術,產品開發(fā),分析與設計,專題講座,等?！驀鴥瓤偘l(fā)行:上海市報刊發(fā)行局(郵發(fā)代號4-577全國郵局均可訂閱,也可直接向本刊郵購☆雙月刊大16開,每冊定價15.00元,全年90.00元☆雜志社地址:上海市華山路1954號上海交通大學內,郵編:200030☆E-mail:jofmdr@126.comj