0 引言

    槽輪機構(gòu)是一種常用的間歇運動機構(gòu),在各類自動化機械中使用廣泛，尤其是帶有轉(zhuǎn)盤工作臺的自動包裝機、自動灌裝機等設(shè)備中。目前槽輪機構(gòu)建模主要有兩類方法，第一類是直接建模，屬于自底向上的設(shè)計方法，即先建立零件模型再建立裝配模型。此種方法不可實現(xiàn)參數(shù)化，在設(shè)計參數(shù)變更或者發(fā)生零件干涉時就需要調(diào)整，因此重復工作量較大，效率不高。第二類是利用高級編程語言進行二次開發(fā)，可實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動，設(shè)計效率高，但一線工程技術(shù)人員難以掌握。針對該問題，可利用自頂向下的方法實現(xiàn)一種快捷有效且能實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動的建模方法。

    自頂向下設(shè)計是指在應(yīng)用3D設(shè)計軟件進行機械部件設(shè)計過程中，先進行部件整體結(jié)構(gòu)、零件布局及相互間位置關(guān)系等方面的整體考慮，并應(yīng)用相應(yīng)的簡單元素(如點、線、基準面等)在軟件中進行表示，作為后續(xù)細節(jié)設(shè)計的“參照”。自頂向下設(shè)計能從整體加以把握，在設(shè)計一開始就明確零件之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)模型能與設(shè)計參數(shù)動態(tài)匹配。

    以SolidWorks軟件為平臺，從裝配體入手分析槽輪和撥輪的幾何尺寸及幾何約束關(guān)系，先通過建立布局文件來定義設(shè)計參數(shù)，再利用多實體方法建模，最后導出零件模型并進行裝配，如此整個機構(gòu)的參數(shù)都從布局文件中繼承，從而實現(xiàn)整套機構(gòu)的參數(shù)化。

    1 槽輪機構(gòu)幾何參數(shù)關(guān)系分析

    以最常用的徑向槽均勻分布的外槽輪機構(gòu)為例，如圖1。

    首先根據(jù)工作要求確定槽輪的槽數(shù)Z和撥輪的銷數(shù)n；再根據(jù)受力分析和實際所允許的安裝空間來確定中心距L和圓銷半徑r。，最后按照圖1所示的幾何關(guān)系，即可推導出各尺寸的幾何關(guān)系：

    其中r0應(yīng)根據(jù)強度校核來取值，建模時可先按經(jīng)驗取r=0.1R。

    2 參數(shù)化建模具體方法

    2 . 1 整體思路分析

    自頂向下方法最關(guān)鍵的思路就是分析幾何參數(shù)及各種約束的繼承關(guān)系。

    首先建立用于布局零件格式文件。在SolidWorks零件建模環(huán)境中，利用方程式可以將之前推導的槽輪幾何關(guān)系加以定義，輔助草圖的幾何約束，可以將槽輪和撥輪之間的相互關(guān)系完全確定。采用多實體建模方法分別建立兩者實體模型，即在同一個零件格式文件中將槽輪和撥輪建成2個獨立實體。

    將布局零件中的2個實體，分別導出保存為獨立的零件模型。這樣2個零件的數(shù)據(jù)就從布局零件中繼承下來，當布局零件中的參數(shù)變更時，零件就會相應(yīng)地改變。最后建立裝配體模型，按照裝配關(guān)系將槽輪和銷輪進行裝配，由此設(shè)計數(shù)據(jù)進一步繼承到最終的裝配文件中。裝配完可以利用數(shù)字仿真技術(shù)對設(shè)計加以分析和驗證，全過程如圖2所示。

    圖2 自頂向下建模的數(shù)據(jù)繼承關(guān)系

    2 . 2 確定布局草圖

    由整體思路分析可知，布局文件確定了槽輪機構(gòu)所有建模參數(shù)，而所有參數(shù)集中體現(xiàn)在布局草圖中。

    先在方程式中定義全局變量，L、Z、n、r0、R、S、h，其中初始變量L取初值l00，Z取4 。再繪制布局草圖來確定槽輪的1/Z部分和撥輪之間的幾何約束關(guān)系，如圖3(a)所示。

    草圖具體尺寸和幾何約束關(guān)系如下: 1)線段長度標注為L ;2)線段AC長度標注為S ;3)線段BC長度標注為R; 4 )槽口線寬度標注為r。; 5 )槽口線中心距標注為h; 6 )2個同心圓中的小圓直徑標為2·R·0.85。

    最終草圖繪制效果如圖3(b)所示。

    2 . 3 槽輪機構(gòu)建模過程

    建模過程可分為9個步驟:1)將ACD線框轉(zhuǎn)換實體引用到新的基準面中，再拉伸成實體，為便于后續(xù)的陣列操作，可在4 點拉伸一個小圓柱體，如圖4 (a); 2 )以4 點為中心，對上一步拉伸的三角形實體進行陣列，陣列個數(shù)為變量Z ，如圖4(b); 3 )將布局草圖中的槽口線轉(zhuǎn)換實體引用，并以此對上一步建立的實體進行切除，如圖4(c);4)以A點為中心，對上一步切除特征陣列，陣列個數(shù)為變量Z ，如圖4(d);5)將布局草圖中的小圓轉(zhuǎn)換實體引用，并以此對上一步建立的實體進行切除，如圖4(e);6)以A點為中心，對上一步切除特征陣列，陣列個數(shù)為變量Z ，如圖4(f )，至此槽輪實體已建成;7 )以BC為圓心繪制槽口線拉伸，再以C為圓心，繪制半徑為r0的圓，拉伸形成銷，如圖4(g); 8 )將布局草圖中的小圓轉(zhuǎn)換實體引用，并拉伸形成止動圓弧，如圖4(h);9)根據(jù)Z在止動圓弧上開出豁口，如圖4(i);至此，槽輪實體和撥輪實體已經(jīng)完成建模。

    圖4 建模過程

    最后再以撥輪中心陣列撥輪的銷和止動圓弧缺口2個切除特征，陣列個數(shù)為變量n。分別將槽輪和撥輪轉(zhuǎn)存為2個獨立的零件文件，再進行裝配，即完成建模過程。

    2 . 4 變更參數(shù)驗證模型

    分別給定3組參數(shù)驗證模型。第一組:Z= 4，n= l ; ;第二組:Z= 6，n=2。每次只需在布局零件文件的方程式里修改相應(yīng)的變量，再更新模型即可，如圖5(c)。

    經(jīng)過驗證，可實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動的槽輪機構(gòu)裝配模型就已經(jīng)建成。

    3 模型運動仿真分析

    基于SolidWorks的motiom分析模塊，可以及時對設(shè)計方案進行運動仿真分析。對此前得到的3組模型，均給定同樣的參數(shù)，撥輪轉(zhuǎn)速為12 r/min，仿真時間5 S，查詢槽輪的角速度仿真結(jié)果，如圖6所示。

    圖6 仿真分析結(jié)果

    對仿真結(jié)果進行歸一化處理。撥輪轉(zhuǎn)速為12 r/min，即72°/s，由此可得Z=4時，槽輪最大角速度與撥輪角速度比值約等于2.4;當Z=6時，比值約等于1。分析結(jié)果與文獻吻合，說明本文探索的建模方法可保證機構(gòu)運動精度。

    4 結(jié)語

    基于自頂向下設(shè)計方法，以SolidWorks軟件為平臺，從槽輪機構(gòu)裝配體入手，分析槽輪和撥輪的幾何尺寸及幾何約束關(guān)系。最終實現(xiàn)槽輪機構(gòu)模型的參數(shù)化驅(qū)動，并利用數(shù)字仿真技術(shù)對運動特性加以驗證�；�于自頂向下設(shè)計方法，能大幅提高效率，對于工程實際有很現(xiàn)實的意義。

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