张海燕等 基于COSMOSMotion的偏心齿轮机构运动仿真
基于COSMOSMotion的偏心齿轮机构运动仿真
张海燕,韩丽娜
(西安理工大学,西安710048)
摘要:介绍了三维机械设计软件SolidWorks及其二次开发,并基于SolidWorks建立了偏心齿轮变速机构的实体模型,运用COSMOSMotion对其进行了运动仿真,得出相应的运动曲线,将以电子表格形式存放的动画模拟数据和理论分析数据做了一定的对比和分析,提高机构设计的直观性。
关键词:偏心齿轮;变速机构;COSMOSMotion;仿真中图分类号:TS801.8;TS803 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2007)12-0147-03
MotionSimulationofEccentricGearMechanismMotionBasedonCOSMOSMotion
ZHANGHai2yan,HANLi2na
(Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048)
Abstract:3-DmechanicaldesignsoftwareSolidWorksanditssecondarydevelopmentwereintroduced.
BasedonSolidWorks,theentitymodeloftheeccentricgearmechanismwasbuilded,andthemotionofeccen2tricgearmechanismwassimulatedbyCOSMOSMotion.Themotioncurvesweregained,andacomparisonofthedatabetweensimulationandtheoreticalanalysiswasmadetoimprovethemechanicaldesignefficiency.
Keywords:eccentricgear;speedchangeablemechanism;COSMOSMotion;simulation
随着印刷机速度的不断提高,给纸速度也越来越高[1],高速运行的纸张到达前规定位时,冲击很大且容易造成纸边卷曲或回弹现象,影响定位精度。为了解决这个问题提高印刷质量,现代高速印刷机普遍采用变速输纸的方法,即纸张在输纸板上远离前规时高速移动,接近前规时速度变慢。这样,可使纸张缓慢地靠近并接触前规,减少了冲击力,增加了纸张定位的稳定性[3]。
当输纸机构工作时,主动力经链条传递到主动轴,同时带动同轴的偏心齿轮匀速转动。由于齿轮的偏心,使其与活动齿轮的啮合点与轴心的距离呈周期性变化,从而将主动力由匀速转化为非匀速,再传递到输送带主带辊,继而带动输送带和纸张变速运动,适应现代印刷高速度、高质量的要求。
角速度ω(rad/s),偏心距e(mm),齿轮半径R(mm),则通过分析偏心齿轮数学模型,求得啮合点A处的线速度:
V=ω
αe+R+2eRcos
22
θ/R)。其中:α=θ+arcsin(esin
假设已知3个齿轮节圆直径相等,根据齿轮啮合原理可得从动轮的角速度:
ωs=V/R=ω
2
α/Re+R+2eRcos
θecos2
θ)2R-(esin
22
对上面的式子求导得角加速度:5s=α-ωesinαe+R+2eRcos
2
2
1+利用VB6.0编制程序,给出一组参考数据(e=21.5mm,Rπrad/s),绘制从动轮的角速度、=52.5mm,ω=2角加速度曲线,见图2、3。
1 机构运动特性理论分析
在平面坐标系中,假设OA与X轴之间的夹角π),OA与偏心为θ(0～2
齿轮半径R之间的夹角为β,偏心齿轮半径R与
X轴夹角为α,见图1。
图1 偏心齿轮数学模型
图2 角速度曲线
图3 角加速度曲线
Fig.1Themathematicalmodel
ofeccentricgear
Fig.2Thecurveoftheangularvelocity
Fig.3Thecurveoftheangularacceleration
已知偏心齿轮转动收稿日期:2007207220
作者简介:张海燕(1957-),女,北京人,西安理工大学教授,主要研究方向为印刷工程。
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包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVol.28No.122007.12
由图可见,传送带主带辊在从动轮的带动下带动纸张周期性地向前变速运行。
2 偏心齿轮机构的建模与仿真分析
2.1 机构建模
在建立偏心齿轮变速机构的三维模型时,根据机构简单且不是柔性体两大特点采用自下而上的设计方法,建模步骤如下:
首先通过VBA程序调用SolidWorks的二次开发接口API提供的对象、方法、属性进行齿轮的参数化建模[6-7]。
然后建立2个杆件的实体模型(2杆件长度与齿轮的分度圆直径相等)。
最后将3个齿轮、2个杆件放入同一装配图中,得到变速机构的三维实体模型,见图4。
2.2 仿真分析
图4 偏心齿轮变速机构三维模型
图6 旋转副属性设置
Fig.6Thedefinedpropertiesofrevolutejoint
Fig.4The3-Dmodeloftheeccentricgearmechanism
1)在SolidWorks中打开偏心齿轮装配体,添加配合关系(4个重合、3个同心、2个距离),见图5。建立配合关系的同
图7 3D碰撞定义
Fig.7Thedefinitionof3Dcontact
图5 SolidWorks中的配合关系
Fig.5ThefittinginSolidWorks
时自动设定零件为静止或运动,系统则自动将SolidWorks装配树映射到COSMOSMotion的约束中。
2)添加机构动力源———偏心齿轮机构主动角速度,见图6。同理给齿轮3(用于输出动力的零件)添加一旋转副,绕固
图8 设定3D碰撞
Fig.8Theenactmentof3Dcontact
定点选转,角速度、角加速度大小则由前面的理论推力为依据。
3)添加3D碰撞,设置相互碰撞的2个零件为变速机构-
偏心齿轮1-1、变速机构-齿轮2-1,见图7。
选中Contact标签,设置碰撞冲击力与摩擦力,见图8。
4)机构的运动仿真及速度分析———选择运动仿真控制面
板,设定参数见图9。
右击Velocity选项,设定测量速度的部件为从动轮,见图
10。
5)绘制速度幅值曲线,并将结果数据输出保存为3.csv
图9 仿真参数的设定
Fig.9Thedefinitionofsimulationparameters
mm/s,经过计算可知输出角速度的最大值为10.68rad/s,最小
到电子表格Excel中,见图11、12。
由图可知,速度最大值为560.83mm/s,最小值为144.28
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张海燕等 基于COSMOSMotion的偏心齿轮机构运动仿真
图10 设定速度选项
Fig.10Thedefinitionofvelocity
图13 数据结果对比
Fig.13Thecomparativeresultsofthedata
10m/s～0.4574m/s,可见理论分析与运动仿真结果相一致。4 结 语
图11 速度曲线
-4
本文对印刷机械常用的变速机构———偏心齿轮机构的运动特性进行了理论分析,并在SolidWorks进行三维建模、装配、以及在COSMOSMotion中完成机构运动仿真,最后以曲线、数据表格的形式输出仿真结果,得到相应的运动曲线,这样可以便于掌握机构的位移、速度、加速度等动力学参数,分析机构运动的可靠性。
Fig.11Thecurveofthevelocity
图12 数据表格
Fig.12Thedataform
值为2.748rad/s。
可见,用COSMOSMotion进行仿真可以看到整个机构在运动过程中的情况,得到机构在运动过程中的速度曲线以及Ex2
cel格式的数据表格。
参考文献:
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3 对比理论分析与仿真结果数据
通过VB6.0编程计算,将偏心齿轮变速机构的理论分析过程以代码的形式输入,从动轮的角速度、角加速度则以曲线的形式输出,并将计算结果以数据.txt的形式存储。双击.exe,程序运行见图13。
其中:1—角速度X轴分量曲线;2—角速度Y轴分量曲线;3—角加速度曲线。
左侧Listview控件存放运动仿真分析数据(前述的.csv文件),经过代码转化最终输出为角速度曲线,见图13中的4,最大值为10.68rad/s,最小值为2.748rad/s。
5—偏心机构的理论角速度曲线,最大值为8.856rad/s,最
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小值为3.71rad/s。
通过比较分析可知,理论速度和仿真速度绝对误差值范围
-4为2.216×10m/s～0.1384m/s,相对误差值范围为5.491×
业出版社,2002.
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