一新型機(jī)電限位機(jī)構(gòu)的仿真分析

2013-06-17  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

大型光電跟蹤測(cè)量設(shè)備在現(xiàn)代化靶場(chǎng)中是獲取外彈道數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的最基本的測(cè)量手段之一,主要是采用地平式兩軸結(jié)構(gòu)跟蹤架,水平軸和鏡筒安裝在垂直軸上,通過(guò)水平軸和垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)0-80°。半球面范圍的目標(biāo)跟蹤和軌跡測(cè)量。傳統(tǒng)的光電跟蹤測(cè)量設(shè)備中,為保護(hù)鏡筒,水平軸安裝有液壓限位機(jī)構(gòu),而垂直軸可以連續(xù)旋轉(zhuǎn),沒(méi)有限位機(jī)構(gòu)。在某一大型光電跟蹤測(cè)量設(shè)備中,根據(jù)系統(tǒng)的使用要求,為了保護(hù)信號(hào)電纜導(dǎo)線不被破壞,研制了一機(jī)電式限位機(jī)構(gòu),此限位機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直軸系第一次能夠通過(guò)回轉(zhuǎn)零點(diǎn),而第二次被限位,實(shí)現(xiàn)了700°.的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)垂直軸系的自由旋轉(zhuǎn)。
   
限位機(jī)構(gòu)的安裝位置和性能要求決定了其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,盡管設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中已經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析和反復(fù)推敲,但對(duì)于機(jī)構(gòu)工作的可靠性,設(shè)計(jì)、加工裝調(diào)帶來(lái)的誤差大小以及是否會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)階段來(lái)預(yù)料到的問(wèn)題等仍然沒(méi)有十分把握,另外限位過(guò)程中碰撞對(duì)相關(guān)零件的影響也是無(wú)法估測(cè)的,接傳統(tǒng)方法只有等樣機(jī)試制出來(lái),通過(guò)破壞性實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得 。若利用CAD/CAE 軟件對(duì)該限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析,檢查限位過(guò)程中限位機(jī)構(gòu)中零件間的干涉情況,觀察相關(guān)零件和機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的變形和應(yīng)力圖,就可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)備加工前對(duì)機(jī)構(gòu)中潛在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1 限位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

限位機(jī)構(gòu)主要有移動(dòng)座、緩沖彈簧、滑動(dòng)撞塊、V 形擋塊、固定座、擋塊定位組件等組成,如圖1 示。

    
移動(dòng)座安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上,大小彈簧安裝在移動(dòng)座的兩個(gè)移動(dòng)撞塊之間,隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng),固定座和V 形擋塊固定在基座上;垂直輸系可以通過(guò)限位零點(diǎn)(第一次), V 形擋塊的右擋角翹起;當(dāng)垂直輸系旋轉(zhuǎn)第二周到達(dá)限位零點(diǎn)時(shí)與V 型擋塊碰撞,進(jìn)行限位,垂直軸系最大可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)700°。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)緩沖彈簧和V 型擋塊的設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)具體工作原理和設(shè)計(jì)理念,限于篇幅,將在另外的文章中做詳細(xì)介紹。

2 限位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真
   
根據(jù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙利用UG 中[Modeling] 模塊進(jìn)行建模,利用[ Assembly] 模塊根據(jù)零件間的位置關(guān)系進(jìn)行裝配,限位機(jī)構(gòu)的三維模型如圖2 示。

    利用UG 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真主要有兩種途徑叫:

    (1)直接利用UG 的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊[ Mechanism] 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

    (2) 通過(guò)修改裝配(或零件)參數(shù)或重新定位零件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

在這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真中,移動(dòng)組件隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,利用第一種方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,會(huì)使仿真變的比較煩瑣,并且主要考慮的是V 型擋塊和移動(dòng)組件間在限位過(guò)程的相互位置關(guān)系,要觀察他們之間的子涉情況,因此利用第二種方法通過(guò)修改裝配參數(shù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真中,修改滑動(dòng)撞塊和V 型擋塊之間的距離,重新定位滑動(dòng)撞塊來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真主要發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)在限位過(guò)程中,滑動(dòng)撞塊與V 型擋塊要進(jìn)行碰撞,碰撞時(shí)他們之間的相互位置圖如圖3 示。從圖中可以看出碰撞時(shí)撞偏了,對(duì)于大型光電設(shè)備,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大,這樣碰撞不但不能進(jìn)行緩沖限位,還會(huì)對(duì)限位機(jī)構(gòu)造成破壞;
   
(2) 在垂直軸第一次通過(guò)限位零點(diǎn)和第二次緩沖限位過(guò)程中, V 型擋塊要與移動(dòng)座發(fā)生嚴(yán)重的干涉;

    
(3) 在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,固定座外面的護(hù)蓋要與轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生干涉。通過(guò)對(duì)以上運(yùn)動(dòng)仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析, (1) , (2)兩點(diǎn)主要是由V 型擋塊的位置與滑動(dòng)撞塊不協(xié)調(diào)引起的,只要適當(dāng)?shù)难鼗膹较蛳蛲庖苿?dòng)V 型擋塊使之達(dá)到滑動(dòng)撞塊的位置,就能解決這兩個(gè)問(wèn)題。因此在固定座和基座之間添加了一個(gè)10mm 厚的弧形墊板,此時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,除了V型擋塊和移動(dòng)座內(nèi)壁有輕微的干涉外,其他部位都能順利通過(guò)。這樣即使在實(shí)際加工裝配后由于誤差引起干涉,可以調(diào)節(jié)V 型擋塊兩邊的兩個(gè)2mm 厚的墊圈,并且可以對(duì)V 型擋塊發(fā)生干涉部分進(jìn)行輕微的手工修磨。固定座外安裝的護(hù)蓋主要是保護(hù)擋快和美觀的作用,只要減小其上邊極面的伸出尺寸,問(wèn)題(3) 就能解決。

3 限位機(jī)構(gòu)及其相關(guān)零件的有限元分析

3.1 緩沖限位載荷的簡(jiǎn)化

利用UG 中[ modeling]模塊對(duì)整個(gè)跟蹤測(cè)量設(shè)備進(jìn)行建模,利用UG 中[ Analysis] 模塊計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)部分(包括轉(zhuǎn)臺(tái)水平軸系和鏡筒等)的質(zhì)量M 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I 。在緩沖限位過(guò)程中,彈簧的壓縮最大不會(huì)超過(guò)80mm ,對(duì)一個(gè)半徑為784mm 的圓來(lái)說(shuō),這只是很小的一段,為了求解的方便,把緩沖這一段簡(jiǎn)化成一直線的減速運(yùn)動(dòng),即把轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化在彈簧的位置,
   , I為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,所以,式中, s 為彈簧的壓縮量;

    F 為彈簧的壓力, F=Ks;由于兩個(gè)彈簧并聯(lián), K=k1+k2,k1、k2, 分別是大、小彈簧的剛度,因此得:

    
由此可以得出作用力與時(shí)間的關(guān)系,并根據(jù)垂直軸系限位前的初速度得到參數(shù)c 1 、c2, 以及緩沖載荷的作用時(shí)間。

3.2 限位機(jī)構(gòu)的有限元分析

在得到緩沖載荷與時(shí)間的關(guān)系后.就可以分別對(duì)移動(dòng)組件和固定組件進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,這樣既簡(jiǎn)化了模型,又減少了計(jì)算代價(jià)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是MSC. Nastran 的強(qiáng)項(xiàng)之一,因此利用MSC. Patran/Nastran 來(lái)對(duì)限位機(jī)構(gòu)和相關(guān)零件進(jìn)行有限元分析。分析時(shí)各個(gè)零件的材料屬性如表1 。

    (1)固定組件的有限元分析

在對(duì)固定組件進(jìn)行有限元建模時(shí),除了對(duì)影響不大的螺紋孔和倒角進(jìn)行簡(jiǎn)化外,也忽略了對(duì)分析中沒(méi)有什么影響的護(hù)蓋和擋塊定位組件。對(duì)于各個(gè)零件間的接觸裝配關(guān)系根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和零件間的作用力傳遞關(guān)系對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并或用MPC( Multi - Point Constraint) 進(jìn)行連接。設(shè)定邊界條件時(shí),除了限定固定座和基座連接的螺釘上節(jié)點(diǎn)的自由度外,也對(duì)接觸面上一些節(jié)點(diǎn)相應(yīng)方向的自由度進(jìn)行約束。

垂直軸系達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速時(shí),限位機(jī)構(gòu)在這時(shí)限位承受的沖擊力最大,圖4 是固定組件限位時(shí)的應(yīng)力變形圖。固定座和基座連接的螺釘?shù)膽?yīng)力最大,超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度約50% .但由于仿真沒(méi)有確切的考慮固定座和基座之間的接觸和摩擦力,所以實(shí)際情況下螺栓的應(yīng)力要小于仿真結(jié)果。但從仿真中可以看出螺栓組之間應(yīng)力的分配,對(duì)承受應(yīng)力比較大的兩邊的螺栓進(jìn)行加強(qiáng)。固定組件中的另一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)是連接軸,在仿真中可以發(fā)現(xiàn)它的最大應(yīng)力僅為300Mpa ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度。

    
    (2) 移動(dòng)組件的有限元分析
   
移動(dòng)組件主要有移動(dòng)座、大小彈簧和滑動(dòng)撞塊組成,在對(duì)移動(dòng)組件進(jìn)行有限元建模時(shí),主要是要考慮移動(dòng)座和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的連接螺釘?shù)膹?qiáng)度,而緩沖載荷由彈簧通過(guò)滑動(dòng)撞塊傳遞到移動(dòng)座上,因此只對(duì)移動(dòng)座和連接螺釘建模,螺釘和移動(dòng)座間通過(guò)節(jié)點(diǎn)的合并來(lái)傳遞作用力,通過(guò)限定螺釘上節(jié)點(diǎn)的自由度來(lái)設(shè)定邊界條件。在最大速度限位時(shí),移動(dòng)組件的應(yīng)力變形圖如圖5 。從圖中可以看出,載荷主要有下面的螺釘承擔(dān),而兩邊的螺釘承受的應(yīng)力最大,但最大應(yīng)力為489Mpa,小于材料的抗拉強(qiáng)度。并且在實(shí)際中考慮到螺釘?shù)念A(yù)緊、移動(dòng)件和轉(zhuǎn)臺(tái)之間的摩擦力,螺釘承受的應(yīng)力要比仿真結(jié)果小。

3.3 其他相關(guān)部件的有限元分析

在進(jìn)行限位過(guò)程中,沖擊力還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)、基座和調(diào)平機(jī)構(gòu)等部件的精度造成影響,有時(shí)可能是破壞性的,而轉(zhuǎn)臺(tái)、基座和調(diào)平機(jī)構(gòu)的精度直接關(guān)系著光電設(shè)備的跟蹤測(cè)量精度,因此對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行有限元分析確定沖擊對(duì)其的影響是十分有必要的。分別對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)部件和基座組件進(jìn)行有限元建模,在對(duì)垂直軸系最大速度限位的情況下分別進(jìn)行分析,分析結(jié)果如表2 示。作用下,承受的最大應(yīng)力都小于材料的抗拉強(qiáng)度,在材料的彈性的變化范圍內(nèi),因此限位機(jī)構(gòu)限位時(shí)不會(huì)對(duì)設(shè)備其他的部件造成破壞,對(duì)設(shè)備的精度影響不大。

4 結(jié)論

常規(guī)的轉(zhuǎn)向限位機(jī)構(gòu)最大只能有(0 - 360°)的旋轉(zhuǎn)范圍,而這種新型機(jī)電限位機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)(0 -700°)范圍內(nèi)垂直軸系的自由旋轉(zhuǎn),因此在結(jié)構(gòu)和原理上都要比常規(guī)的限位機(jī)構(gòu)復(fù)雜的多。利用CAD/CAE 軟件分別對(duì)該新型限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析,根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析結(jié)果,對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),這種新型限位機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)工作可靠,對(duì)整個(gè)設(shè)備精度的影響很小,可以滿足系統(tǒng)的使用和性能要求。該限位機(jī)構(gòu)己成功應(yīng)用于大型光電設(shè)備,在設(shè)備工作過(guò)程中該機(jī)構(gòu)能夠?yàn)樵O(shè)備主控系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前位置和到位信息,并且利用該限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行限位碰撞后,對(duì)設(shè)備的主鏡光路系統(tǒng)、垂直輸系以及調(diào)平機(jī)構(gòu)等相關(guān)結(jié)構(gòu)的精度影響不大。

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