曲柄滑塊機(jī)構(gòu)經(jīng)常被用于裹包機(jī)中驅(qū)動(dòng)裹包執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)停留的往復(fù)移動(dòng),該機(jī)構(gòu)是連桿機(jī)構(gòu)的特殊形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)動(dòng)形式比較多樣。曲柄滑塊的設(shè)計(jì)一般采用圖解法與解析法,文獻(xiàn)中對(duì)圖解法進(jìn)行了介紹,該方法比較繁瑣且精確度差,文獻(xiàn)提出的解析法比較精確但要求有較深厚的理論基礎(chǔ),推廣難度較大。筆者應(yīng)用Creo Parametric提供的行為建模功能結(jié)合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果,提出了進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。行為建模功能在包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常廣泛,其主要思路是設(shè)定約束目標(biāo),然后設(shè)定模型參數(shù)的范圍,通過(guò)迭代計(jì)算得到產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的問(wèn)題描述
以偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例,其位移工況見(jiàn)圖1。
圖1 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位移簡(jiǎn)圖
滑塊在C0點(diǎn)時(shí)處于最近位置,在C1點(diǎn)時(shí)為最遠(yuǎn)位置,曲柄軸的偏距為e,曲柄的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,連桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,滑塊的行程為S,現(xiàn)在已知偏距e和行程S,確定L1和L2,并使得最小傳動(dòng)角最大,圖1所示的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角為:
假設(shè)e=200mm,S=800mm,現(xiàn)要求確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄與連桿的長(zhǎng)度,要求機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角最大,并且滑塊與曲柄軸心的最大距離不超過(guò)1200mm。
提出了應(yīng)用Creo Parametric中的行為建模功能進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,該方法的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。
圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的建模與分析
2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的骨架模型創(chuàng)建
基于Creo Parametric的Top-Down設(shè)計(jì)方法,首先創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的骨架模型,然后在骨架模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的骨架模型見(jiàn)圖3,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型見(jiàn)圖4,通過(guò)骨架模型控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以為后續(xù)的模型優(yōu)化帶來(lái)極大的便利,骨架模型被優(yōu)化后,相應(yīng)模型的尺寸也會(huì)隨之再生。為使得后續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)取整,在此設(shè)置尺寸屬性,使得尺寸的小數(shù)位數(shù)為0。
圖3 骨架模型(mm)
圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型
2.2 創(chuàng)建滑塊位移測(cè)量特征
為得到滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的行程,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)滑塊位移的測(cè)量特征DISTANCE:ANALYSIS_DIS-TANCE_1,見(jiàn)圖5;瑝K位移為平面ASM_RIGHT與DTM1之間的距離。
圖5 創(chuàng)建距離測(cè)量分析特征
2.3 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析
進(jìn)入Creo Parametric的“機(jī)構(gòu)”模塊,在曲柄軸上添加伺服電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)的速度為36r/s,見(jiàn)圖6。對(duì)模型進(jìn)行分析,類型為“位置”的機(jī)構(gòu)分析Analysis-Definitionl,運(yùn)行時(shí)間為20s,并運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果保存下來(lái)。
圖6 定義伺服電動(dòng)機(jī)
2.4 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析
在Creo Parametric的“標(biāo)準(zhǔn)”建模環(huán)境下,創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析,見(jiàn)圖7,運(yùn)動(dòng)分析的參數(shù)選擇,距離分析特征DISTANCE:ANALYSIS_DISTANCE_1。運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中,距離分析特征在運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)的變化規(guī)律曲線見(jiàn)圖8。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析時(shí),在結(jié)果參數(shù)中將MAX_DISTANCE運(yùn)動(dòng)中獲得的最大參數(shù)值)和MIN_DIS-TANCE運(yùn)動(dòng)中獲得的最小參數(shù)值)的創(chuàng)建值修改為“是”,見(jiàn)圖9。
圖7 定義運(yùn)動(dòng)分析
圖8 滑塊位移-時(shí)間變化曲線
圖9 定義運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果參數(shù)
3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1 創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)約束
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為:
其中最小傳動(dòng)角γmin,滑塊的行程S,需要?jiǎng)?chuàng)建單獨(dú)的分析特征。
1)創(chuàng)建滑塊行程分析特征。同樣創(chuàng)建一個(gè)關(guān)系分析特征,關(guān)系式為:D=MAX_DISTANCE:FID_ANALYSISl-MIN_DISTANCE:FID_ANALYSIS1,其中D為滑塊行程,關(guān)系式的含義為運(yùn)動(dòng)分析的滑塊最大位移減去最小位移。
2)創(chuàng)建最小傳動(dòng)角分析特征。單擊創(chuàng)建一個(gè)關(guān)系分析特征,A=acos((d12:0+d5:0)/d3:0),見(jiàn)圖10。其中4為最小傳動(dòng)角,d2:0為曲柄長(zhǎng)度,d5:0為偏距值,d3:0為連桿長(zhǎng)度。
圖10 創(chuàng)建最小傳動(dòng)角分析特征
3.2 進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
在Creo Parametric的“標(biāo)準(zhǔn)”建模環(huán)境下,單擊,在圖11所示的“優(yōu)化/可行性”對(duì)話框中,選擇設(shè)計(jì)目標(biāo)為最小傳動(dòng)角分析特征“A:ANALYSIS3”,目標(biāo)類型為“最大化”;設(shè)計(jì)約束設(shè)定為行程分析特征“D:ANALYSIS2=800”和滑塊的最大位移分析特征“MAX_DISTANCE:ANALYSIS1”;設(shè)計(jì)變量選擇骨架模型中的曲柄長(zhǎng)度尺寸與連桿長(zhǎng)度尺寸,并設(shè)定曲柄長(zhǎng)度尺寸d2:ASMOO01_SKEL的取值范圍為[350,500],連桿長(zhǎng)度尺寸d3:ASM0001_SKEL的取值范圍為[600,1000]。
圖11 曲柄滑塊優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)話框
系統(tǒng)經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算后得到圖12所示的“優(yōu)化目標(biāo)收斂圖”,并對(duì)模型尺寸進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖13。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后曲柄長(zhǎng)度為385mm,連桿長(zhǎng)度為832mm,此時(shí)最小傳動(dòng)角為45.37°。
圖12 優(yōu)化目標(biāo)收斂
圖13 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果(mm)
4 結(jié)論
通過(guò)Creo Parametric的行為建模功能與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的配合應(yīng)用,非常方便地對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,該方法在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中具備很高的推廣價(jià)值。
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本文標(biāo)題:基于Creo Parametric的包裝機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
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