一种翻转结构的仿真实例

张晓宁，尚 书

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)

目前在大尺寸触控面板贴附工艺中竖向贴合方式因其可以有效提升良品率已广泛为高世代液晶面板偏贴设备所取用，其中液晶玻璃的翻转机构一般为气缸驱动，占地面积大，调试不方便。本文基于偏置曲柄滑块机构的原理，提出一种由电机+丝杆驱动的翻转机构，该机构可以实现高负载情况下的平稳翻转，调试方便。该机构通过Solidworks Motion 插件功能进行仿真，可以有效求解电机运行过程中的最高扭矩以及丝杆的受力，从而有助于电机的选型和丝杆寿命的校核。

1 机构简介及工作原理

图1所示是一种偏置曲柄滑块机构，当对机构滑块部位施加合力Fa时，机构会绕固定铰链处旋转（图中箭头所示）。相应地图示2 是实际结构，当电机通过同步带驱动丝杆旋转时丝母会驱动运动副运动实现玻璃传输机构的翻转。由于伺服电机的速度特性曲线，电机的实际输出扭矩T 和丝杆推力Fa会随着压力角θ 一直在产生变化，如果用传统的数学手段该两项数值将很难求解，但如果利用solidworks motion 仿真功能求解这两个数值就会相对容易得多。

图1 机构简图

2 Solidworks Motion 简介

Solidworks Motion 是一个虚拟原型机仿真工具，借助在工业动态仿真分析软件领域占主动地位达25年之久的ADAMS 的强力支持，它可以对复杂的机构进行运动学和动力学仿真，可以得到机构的速度、加速度、作用力等，并通过数据、图表、动画等表现出来可以反映机构的运动特性，在物理样机研制出来之前，就指出其中的错误，为结构优化设计提供借鉴和参考。 本文就是利用Solidworks Motion 仿真功能对电机扭矩极值(Tmax)和丝杆推力极值(Famax)进行求解从而合理的选择电机和丝杆

3 需求定义

（1）能够实现0～90°的翻转角度；

（2）要求3 s 左右机构由水平翻转至竖直状态。

根据经验初步选择丝杆直径25 mm，导程20 mm，从三维模型中可知满足0～90°的翻转角度需要丝杆行程约为510 mm 。

4 仿真环境设置：

4.1 开启运动仿真插件

在Solidworks2011 版本中motion 功能已经集成在插件中，欲开启Motion 功能请依次点击“窗口-插件- 勾选Solidworks Motion”确定(见图3所示）；点击界面左下角“运动算例”选择第二步下拉框中“Motion 分析”。（见图4所示）（注：此步骤非常重要，有无“Motion 分析”决定是否能够进行仿真的关键）。

图3 Solidworks 插件选择框

图4 Solidworks Motion 分析框

4.2 仿真单位设置

按照图示5 所示依次点击“工具-选项-文档属性-单位一MMGS”

4.3 开始仿真

图5 仿真单位设置

上文提到求解机构翻转时电机的最大扭矩(Tmax)以及丝杆的最大推力（Famax)，可以方便的帮助我们确定电机和丝杆的选择是否合适。首先先给丝杆添加一个旋转电动机，根据伺服电机实际速度曲线（图示6）来输入电机数据。

按设计要求：t=3 s，加减速时间t0=0.5 s 丝杆导程Pb=20 mm（见图示7）。

在Solidworks Motion 界面输入电机速度曲线，完成旋转电机的设置（见图示8）。

图6 伺服电机速度曲线

图7 电机实际速度曲线

在机构翻转过程中，机构主要受到重力的影响，为了模拟实际情况，我们需要给机构添加重力。在motion 界面点击“引力输入”图标（见图示9），在引力输入界面（见图示10）对应的重力加速度框内输入重力加速度数值，这样就完成了对引力数值和方向的添加。

图8 旋转速度/ 时间曲线输入框

图9 motion 界面

图10 引力输入界面

输入完成后点击计算按钮开始仿真, 仿真完毕后可以根据结果输出电动机扭矩对时间的曲线以及丝杆推力对时间的曲线，此时可以方便看出Tmax=7.3 Nm(见图11）；Famax=2200 N（见图12）。

图11 电机扭矩T 对时间的曲线

图12 丝杆推力Fa 对时间的曲线

5 电机选择以及丝杆校核

5.1 电机选择

根据图11选择三菱HGSR152BJ 1.5kW 带抱闸伺服电机，电机惯量为18.2×10-4kg·m2

负载惯量比确认：负载惯量按照公式JL=；滚珠丝杆惯量为

其中m 为作用在导轨上的负载质量约为50 kg；Pb为丝杆导程初选20 mm；ρ 为丝杆密度=7900 kg/m3Lb为丝杆长度约为762 mm；Db为丝杆直径为25 mm

可以得出总负载惯量J=JI+JB=7.37×10-4kg·m2；负载惯量比=7.37/18.2=0.4 倍，远小于15 倍以内。

5.2 丝母容许负荷和丝杆寿命校核

寿命校核

其中：Ca为丝母动额定负荷10 500 N；fw为负荷系数；Fm为丝杆轴向负荷暂取Famax。

按照丝杆每分钟往复一次计算得出Lh==20556 h，由于丝杆受力Fa为变力，所以以上寿命是考虑丝杆的最低寿命，实际上远大于这个值。

6 结束语

应用Solidworks Motion 仿真功能可以方便对各种机构的动力学进行仿真，从而选择合理的外购件并且优化机械结构，在实际应用中选择外购件还要与价格和货期等因素相匹配，只有机构、成本、质量三者得到兼顾才能称之为优良的设计。

[1]陈超祥 胡其登.Solidworks Motion 运动仿真教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]来瞒虔.机械原理教学指南[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3]王颖张维强.基于ADAMS 的偏置曲柄滑块机构的运动学及动力学仿真[J].科学技术与工程，2010，10(32)：42-45.