圆柱度仪立柱系统设计及分析

2016-01-08冯颖,王雨,高东强等

机械与电子 2015年4期

关键词：仿真分析

圆柱度仪立柱系统设计及分析

冯颖，王雨，高东强，张希峰，杨磊，王伟

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 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：设计了圆柱度仪立柱系统的基本结构，包括带有传感器的横向装置和提供上下方向运动的竖直运动装置，用Pro/E建立其简化模型，导入ADAMS中进行仿真分析，获得了横向装置X，Y，Z方向的速度和加速度。结果证明了设计的正确与合理。

关键词：Pro/E；ADAMS；仿真分析；速度和加速度

中图分类号：TG83

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)04-0078-03

收稿日期：2014-12-22

基金项目：陕西省大学生创新创业训练项目(201410708915)

作者简介：冯颖(1994-)，女，山西吕梁人，研究方向为机械结构设计。

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

圆度与圆柱度误差是衡量回转体零件表面形状精确度的重要因素，也是保证零件互换性的重要条件，而且影响到回转体零件使用过程中的摩擦、磨损状况及运转的平稳性[1-3]。所以，以低成本实现圆度和圆柱度的高精度检测是现今国内机械制造行业中急需解决的问题，圆度和圆柱度精密测量仪的研制和开发意义重大。

圆柱度测量仪具有精密回转轴系和平行于回转轴轴线的精密直线导轨，可测量较高精度和高精度零件的圆柱度误差，直线导轨用于传感器和测量头的间断或连续的作平行于仪器工作台回转轴线的直线位移。因此，在圆柱度仪的设计研发中，立柱系统成为其中的重点。

1机械结构设计

1.1组成及工作原理

根据测量技术原理，将圆柱度测量仪分为3部分：精密立柱导轨、精密转台和控制系统。精密立柱系统主要包括竖直运动装置、横向运动装置，分别实现传感器测头竖直方向往返、左右往返运动；精密转台实现工作台的匀速旋转运动；控制系统实现各系统装置的自动控制和各顺序运动，以提高测量效率。其组成如图1所示。

图1　圆柱度仪组成

1.2立柱系统机械结构设计

根据圆柱度测量技术原理，将圆柱度测量仪精密立柱系统分为竖直运动系统和横向运动系统，分别实现传感器测头的竖直方向往返运动以及测头的左右往返运动。

按照上面所述精密立柱系统的要求，圆柱度仪立柱系统需要有2个方向的运动，可将立柱系统分为横向运动装置、竖直运动装置。整体结构设计如图2所示。

横向装置主要通过电机带动减速器运动，带动传动装置实现横向导轨左右运动，实现传感器测头的左右运动。

竖直运动结构通过电机带动减速器运动，减速器将运动传递给带轮，带轮通过同步带带动导轨滑套、横向装置及配重上下往复运动，实现传感器测头上下往复运动。

图2　整体模型

1.2.1　横向运动装置的设计

由于被测物体直径大小的不同，所以传感器测头要实现横向的左右往返运动，同时保证运行平稳和合适的速度。横向装置机构上下运动的稳定性和精确性决定了测量结果的精确度，运动部件的质量影响运动的平稳和精度，设计结构时要使质量尽量小。

横向装置三维模型和装配关系如图3所示。

图3　横向装置

采用中空形式的横向导轨，可以减小质量，同时缩减空间。采用精密滚珠丝杠传动，把丝杠的旋转运动转换成横向导轨的左右直线运动。丝杠被安装在横向导轨的中空空间内。减小了横向装置的总重量，减小了上下运动时运动部件质量对速度稳定性和精确性的影响，同时传动系统简便紧凑，传动系统的刚度高。

1.2.2　竖直运动装置的设计

线性模组又叫直线模组、直线滑台等，为直线导轨、滚珠丝杆直线传动等机构的自动化升级单元。实现负载的直线以及曲线运动，负载的自动化更灵活、定位更精准。

同步带直线模组具有定位精度高、磨损小、组装容易并具互换性等优点，所以采用同步带线性模组作为运动传动装置。将其简化为导轨、支座、连接装置、同步带和滑座等，简化后结构如图4所示。

采用直线模组来实现横向装置的上下往复运动，同步带连接导轨滑套和配重，使其实现上下往复运动。主动带轮及电机设计在下端靠近固定端的位置，使得振源靠近固定端，使电机等机构产生的振动对立柱导轨及横向装置运动的影响减小。

图4　竖直运动装置模型

2基于ADAMS的仿真分析

以横向结构的竖直方向的运动为例，运用ADAMS软件进行动力学分析。

a.建立模型。ADAMS建模功能较简单，所以运用Pro/E建立立柱系统实体模型。建模时对仿真结果影响不大的孔、底座等进行简化。

b.模型导入。Pro/E建立的模型不能直接导入到ADAMS，将文件保存为x_t格式文件，导入到ADAMS中即可以直接读出。

c.添加约束。在底板与大地间、立柱导轨与上下板间分别添加固定约束，2个带轮及传动齿轮分别添加旋转约束，传动齿轮间添加齿轮副，导轨与滑套接触处添加接触。

d.同步带处理。在仿真中同步带的处理方法常用的有2种：用有限元方法生成模态中性文件，将其处理为柔性体；将同步带处理为许多个小带块拼接而成，带块越多仿真越精确，带块间用转动副或衬套副进行连接。本次仿真中用第2种方法对同步带进行处理，并在每个带块与带轮间添加接触副。

e.添加驱动。与电机相连主动齿的旋转副添加驱动。

f.仿真设置与提取对象。分别测量横向装置(PART45)，在高速时，速度等于0.02 m/s，按照结构设计换算到电机转速为25 r/min；中速时，速度等于0.01 m/s，即电机转速12.5 r/min；低速时，速度等于0.005 m/s，即电机转速6.3 r/min，提取PART45在驱动速度时的速度和加速度。

在转速为25 r/min时，横向装置在X，Y，Z方向的加速度基本为零，在 X，Y方向的速度为零，Z向速度为0.02 m/s。

在转速为12.5 r/min时，横向装置在X，Y，Z方向的加速度基本为零，在X，Y方向的速度为零，在Z向的速度为0.01 m/s。

在转速为6.3 r/min时，横向装置在X，Y，Z方向的加速度基本为零，在X，Y方向的速度为零，在Z向的速度为0.005 m/s。

3结束语

设计了立柱系统的基本结构，用Pro/E软件建立简化模型，并运用ADAMS进行动力学分析，获得了速度和加速度，仿真结果表明设计是合理的、正确的。

充分发挥了Pro/E和ADAMS软件在建模和动力学仿真分析方面的优势，实现了复杂机构的建模和动力学仿真，很大程度上缩短了设计、研发的流程和时间，为进一步的设计和改进研发提供了参考依据。

参考文献：

[1]何凯．圆度和圆柱度测量虚拟仪器的开发．西安：陕西科技大学，2011．

[2]蒋寿伟，吕林森，邢国斌，等.新编形状和位置公差标注读解.北京：中国标准出版社，2000.

[3]马德锋，朱孔敏，邱明.基于LabVIEW的圆柱度误差测量软件设计.轴承，2007(11)：43-47.

[4]马金锋．陶瓷零件快速成型机及控制系统的设计与研究．西安：陕西科技大学，2014．

[5]何廷亮，马金锋，孙传林，等.新型陶瓷零件快速成型机设计.轻工机械，2013，31(4)：8-10.