CN107633152A - 基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法 - Google Patents

基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法 Download PDF

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胡鑫喆
姚成豪
高永全
洪学明
唐慧颖
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Abstract

本发明涉及一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法，利用Creo、ADAMS的虚拟建模仿真功能，只需改变虚拟模型的设计参数或相对位置参数即可进行运动仿真，无需建立物理模型，降低试验成本，缩短生产周期，节省加工制造费用；该方法为弧面分度凸轮机构设计的干涉检查提供了数据参考，为弧面分度凸轮机构的装配间隙补偿及数控加工的误差修正提供理论依据，该方法结合工程应用，对弧面分度凸轮机构进行运动学分析，高效、精准的得出运动特性曲线，为以后弧面分度凸轮的优化设计提供重要的参考。

Description

基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法
技术领域
本发明属于弧面分度凸轮机构运动学仿真技术领域，特别是涉及一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法。
背景技术
弧面分度凸轮机构包括弧面分度凸轮、分度盘以及滚子，弧面分度凸轮工作廓面为空间不规则曲面很难用常规的机械制图方法表达，而且弧面分度凸轮机构的传动过程复杂，如用传统的分析法、图解法、实验法等方法求解其运动学特性，需要大量的人力物力，并且需求解繁琐的计算公式，计算结果精确度差，运动学分析结果不直观。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、基于Creo软件建立弧面分度凸轮机构的弧面分度凸轮模型、分度盘模型以及滚子模型，并装配，以*.x_t的格式保存输出；
步骤2、将步骤1中的*.x_t格式的装配模型导入ADAMS软件中，并添加模型属性，建立弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型；2.1)添加材料属性：分别设置弧面分度凸轮及分度盘的材料属性为steel；2.2)添加运动副：根据弧面分度凸轮机构的运动特性，在ADAMS/View模块中，运用2Bodies-1Location的方法，分别在弧面分度凸轮和分度盘上分别设置转动副R1和R2；2.3)添加驱动：添加旋转驱动MOTION_1于转动副R1，MOTION_1的方向与弧面分度凸轮的转向一致；2.4)添加刚体接触力：分别先后选中弧面分度凸轮和分度盘的滚子，在两者之间添加接触力CONTACT_1；
步骤3、运用ADAMS/Simulation模块对步骤2中建立好的弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型进行仿真参数设定，并进行运动学仿真：3.1)设置仿真控制参数，对弧面分度凸轮机构的仿真时间、计算步长、仿真类型进行设定；
步骤4、输出运动学仿真结果：在ADAMS/PostProcessor模块中建立弧面分度凸轮机构中分度盘的角速度运动学曲线，并以*.GIF格式保存输出。
本发明还可以采用如下技术措施：
基于Creo软件弧面分度凸轮的建模方法，按如下步骤进行：
步骤1-1、弧面凸轮机构坐标系的建立：分别建立弧面分度凸轮机构的固定坐标系O1-X1Y1Z1和固定坐标系O2-X2Y2Z2，固定坐标系O1-X1Y1Z1的原点O1位于凸轮转动中心处，固定坐标系O2-X2Y2Z2的原点O2位于分度盘的转动中心处；其中固定坐标系O1-X1Y1Z1中坐标轴X1的方向平行于O2O1且与其同向，Z1的方向由右手定则确定，即右手紧握凸轮轴，四指指向与凸轮转向相同，此时拇指所指方向即为Z1方向；固定坐标系O2-X2Y2Z2中坐标轴X2的方向平行于O2O1且与其同向平行于O2O1且与其同向，Y2的方向平行于Z1且与其同向；建立动坐标系o1-x1y1z1和动坐标系o2-x2y2z2，动坐标系o1-x1y1z1固连于凸轮并随凸轮的转动而转动，动坐标系o1-x1y1z1的原点o1位于凸轮的转动中心处，动坐标系o1-x1y1z1坐标轴x1、y1、z1的初始方向分别与固定坐标系O1-X1Y1Z1的坐标轴X1、Y1、Z1相同；动坐标系o2-x2y2z2固连于分度盘并随分度盘的转动而转动，动坐标系o2-x2y2z2的原点o2位于分度盘的转动中心处，动坐标系o2-x2y2z2坐标轴x2与分度盘转子No.2的自转轴线共线，方向由o2指向分度盘转子No.2，坐标轴z2平行于Z2且与其同向；当凸轮转动角度为θ时，x1与X1之间的夹角为θ；x2与X2之间的夹角为；
步骤1-2、建立坐标系间的RPY旋转坐标变换矩阵：
动坐标系o1-x1y1z1在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为：其中sθ表示sinθ，cθ表示cosθ，其余同理；动坐标系o2-x2y2z2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的RPY旋转坐标变换矩阵为：定坐标系O2-X2Y2Z2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为
步骤1-3、建立弧面分度凸轮啮合点的坐标变换约束方程并求解
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标变换约束方程：
其中，为分度盘上的啮合点P2在动坐标系o2-x2y2z2中的直角坐标值；
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标变换约束方程
P1＝R(X1,90°)·P2+T (2)
其中，P1为凸轮上的啮合点在定坐标系O1-X1Y1Z1中的表示， 为P1在动坐标系o1-x1y1z1中的坐标值；T＝[-|O1O2| 0 0]T＝[-a 0 0]，a为凸轮中心与分度盘中心之间的距离；
将坐标变换约束方程(1)带入(2)中，求解矩阵方程，得到凸轮工作廓线上啮合点的坐标值：
步骤1-4、建立弧面分度凸轮三维模型
通过步骤3所得的工作廓线上啮合点的坐标值建立工作廓线三维曲线，借助Creo软件的曲线拟合功能，将工作廓线拟合成曲面，对上述曲面进行缝合，得到凸轮三维实体模型。
本发明具有的优点和积极效果是：本方法利用Creo、ADAMS的虚拟建模仿真功能，只需改变虚拟模型的设计参数或相对位置参数即可进行运动仿真，无需建立物理模型，降低试验成本，缩短生产周期，节省加工制造费用；该方法为弧面分度凸轮机构设计的干涉检查提供了数据参考，为弧面分度凸轮机构的装配间隙补偿及数控加工的误差修正提供理论依据，该方法结合工程应用，对弧面分度凸轮机构进行运动学分析，高效、精准的得出运动特性曲线，为以后弧面分度凸轮的优化设计提供重要的参考。
附图说明
图1是弧面分度凸轮机构运动学仿真方法流程图；
图2是弧面分度凸轮传动机构原理图；
图3是分度盘角速度运动学曲线；
图4是弧面分度凸轮建模方法流程图；
图5是弧面分度凸轮机构原理图；
图6是弧面分度凸轮工作廓线三维曲线图；
图7是弧面分度凸轮工作廓线拟合实体图；
图8是弧面分度凸轮三维模型图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图3，一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、基于Creo软件，建立弧面分度凸轮机构零部件模型并装配，以*.x_t的格式保存输出；
请参阅图4至图8，基于Creo的弧面分度凸轮机构中弧面分度凸轮建模方法，按如下步骤进行：
步骤1-1、弧面凸轮机构坐标系的建立：分别建立弧面分度凸轮机构的固定坐标系O1-X1Y1Z1和固定坐标系O2-X2Y2Z2，固定坐标系O1-X1Y1Z1的原点O1位于凸轮转动中心处，固定坐标系O2-X2Y2Z2的原点O2位于分度盘的转动中心处；其中固定坐标系O1-X1Y1Z1中坐标轴X1的方向平行于O2O1且与其同向，Z1的方向由右手定则确定，即右手紧握凸轮轴，四指指向与凸轮转向相同，此时拇指所指方向即为Z1方向；固定坐标系O2-X2Y2Z2中坐标轴X2的方向平行于O2O1且与其同向平行于O2O1且与其同向，Y2的方向平行于Z1且与其同向；建立动坐标系o1-x1y1z1和动坐标系o2-x2y2z2，动坐标系o1-x1y1z1固连于凸轮并随凸轮的转动而转动，动坐标系o1-x1y1z1的原点o1位于凸轮的转动中心处，动坐标系o1-x1y1z1坐标轴x1、y1、z1的初始方向分别与固定坐标系O1-X1Y1Z1的坐标轴X1、Y1、Z1相同；动坐标系o2-x2y2z2固连于分度盘并随分度盘的转动而转动，动坐标系o2-x2y2z2的原点o2位于分度盘的转动中心处，动坐标系o2-x2y2z2坐标轴x2与分度盘转子No.2的自转轴线共线，方向由o2指向分度盘转子No.2，坐标轴z2平行于Z2且与其同向；当凸轮转动角度为θ时，x1与X1之间的夹角为θ；x2与X2之间的夹角为；
步骤1-2、建立坐标系间的RPY旋转坐标变换矩阵：
动坐标系o1-x1y1z1在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为：其中sθ表示sinθ，cθ表示cosθ，其余同理；动坐标系o2-x2y2z2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的RPY旋转坐标变换矩阵为：定坐标系O2-X2Y2Z2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为
步骤1-3、建立弧面分度凸轮啮合点的坐标变换约束方程并求解
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标变换约束方程：
其中，为分度盘上的啮合点P2在动坐标系o2-x2y2z2中的直角坐标值；
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标变换约束方程
P1＝R(X1,90°)·P2+T (2)
其中，P1为凸轮上的啮合点在定坐标系O1-X1Y1Z1中的表示， 为P1在动坐标系o1-x1y1z1中的坐标值；T＝[-|O1O2| 0 0]T＝[-a 0 0]，a为凸轮中心与分度盘中心之间的距离；
将坐标变换约束方程(1)带入(2)中，求解矩阵方程，得到凸轮工作廓线上啮合点的坐标值：
步骤1-4、建立弧面分度凸轮三维模型
通过步骤3所得的工作廓线上啮合点的坐标值建立工作廓线三维曲线，借助Creo软件的曲线拟合功能，将工作廓线拟合成曲面，对上述曲面进行缝合，得到凸轮三维实体模型。
步骤2、将步骤1中的*.x_t格式的装配模型导入ADAMS软件中，并添加模型属性，建立弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型，如图2所示：2.1)添加材料属性：分别设置弧面分度凸轮及分度盘的材料属性为steel；2.2)添加运动副：根据弧面分度凸轮机构的运动特性，在ADAMS/View模块中，运用2Bodies-1Location的方法，分别在弧面分度凸轮和分度盘上分别设置转动副R1和R2，转动副R1和R2均相对于固定的机架转动；2.3)添加驱动：添加旋转驱动MOTION_1于转动副R1，MOTION_1的方向与弧面分度凸轮的转向一致，设定旋转驱动的转速为设定弧面分度凸轮传动机构的运动周期为12s；2.4)添加刚体接触力：分别先后选中弧面分度凸轮和分度盘的滚子，在两者之间添加接触力CONTACT_1，接触类型选择刚体对刚体(Solid to Solid)；
步骤3、运用ADAMS/Simulation模块对步骤2中建立好的弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型进行仿真参数设定，并进行运动学仿真：1)设置仿真控制参数，设定运动学仿真的仿真时间为24s，运动学计算步长为5000，仿真类型为静平衡状态；
步骤4、输出运动学仿真结果：在ADAMS/PostProcessor模块中建立弧面分度凸轮机构中分度盘的角速度运动学曲线，如图3所示，并以*.GIF格式保存输出。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、基于Creo软件建立弧面分度凸轮机构的弧面分度凸轮模型、分度盘模型以及滚子模型，并装配，以*.x_t的格式保存输出；
步骤2、将步骤1中的*.x_t格式的装配模型导入ADAMS软件中，并添加模型属性，建立弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型；2.1)添加材料属性：分别设置弧面分度凸轮及分度盘的材料属性为steel；2.2)添加运动副：根据弧面分度凸轮机构的运动特性，在ADAMS/View模块中，运用2Bodies-1Location的方法，分别在弧面分度凸轮和分度盘上分别设置转动副R1和R2；2.3)添加驱动：添加旋转驱动MOTION_1于转动副R1，MOTION_1的方向与弧面分度凸轮的转向一致；2.4)添加刚体接触力：分别先后选中弧面分度凸轮和分度盘的滚子，在两者之间添加接触力CONTACT_1；
步骤3、运用ADAMS/Simulation模块对步骤2中建立好的弧面分度凸轮机构仿真虚拟样机模型进行仿真参数设定，并进行运动学仿真：3.1)设置仿真控制参数，对弧面分度凸轮机构的仿真时间、计算步长、仿真类型进行设定；
步骤4、输出运动学仿真结果：在ADAMS/PostProcessor模块中建立弧面分度凸轮机构中分度盘的角速度运动学曲线，并以*.GIF格式保存输出。
2.根据权利要求1所述的基于Creo、ADAMS环境的弧面分度凸轮机构运动学仿真方法，其特征在于：基于Creo软件弧面分度凸轮的建模方法，按如下步骤进行：
步骤1-1、弧面凸轮机构坐标系的建立：分别建立弧面分度凸轮机构的固定坐标系O1-X1Y1Z1和固定坐标系O2-X2Y2Z2，固定坐标系O1-X1Y1Z1的原点O1位于凸轮转动中心处，固定坐标系O2-X2Y2Z2的原点O2位于分度盘的转动中心处；其中固定坐标系O1-X1Y1Z1中坐标轴X1的方向平行于O2O1且与其同向，Z1的方向由右手定则确定，即右手紧握凸轮轴，四指指向与凸轮转向相同，此时拇指所指方向即为Z1方向；固定坐标系O2-X2Y2Z2中坐标轴X2的方向平行于O2O1且与其同向平行于O2O1且与其同向，Y2的方向平行于Z1且与其同向；建立动坐标系o1-x1y1z1和动坐标系o2-x2y2z2，动坐标系o1-x1y1z1固连于凸轮并随凸轮的转动而转动，动坐标系o1-x1y1z1的原点o1位于凸轮的转动中心处，动坐标系o1-x1y1z1坐标轴x1、y1、z1的初始方向分别与固定坐标系O1-X1Y1Z1的坐标轴X1、Y1、Z1相同；动坐标系o2-x2y2z2固连于分度盘并随分度盘的转动而转动，动坐标系o2-x2y2z2的原点o2位于分度盘的转动中心处，动坐标系o2-x2y2z2坐标轴x2与分度盘转子No.2的自转轴线共线，方向由o2指向分度盘转子No.2，坐标轴z2平行于Z2且与其同向；当凸轮转动角度为θ时，x1与X1之间的夹角为θ；x2与X2之间的夹角为；
步骤1-2、建立坐标系间的RPY旋转坐标变换矩阵：
动坐标系o1-x1y1z1在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为：其中sθ表示sinθ，cθ表示cosθ，其余同理；动坐标系o2-x2y2z2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的RPY旋转坐标变换矩阵为：定坐标系O2-X2Y2Z2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的RPY旋转坐标变换矩阵为
步骤1-3、建立弧面分度凸轮啮合点的坐标变换约束方程并求解
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O2-X2Y2Z2中的坐标变换约束方程：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <mi>&amp;phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mi>z</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>c&amp;phi;x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>s&amp;phi;y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>s&amp;phi;x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>c&amp;phi;y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mi>z</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，为分度盘上的啮合点P2在动坐标系o2-x2y2z2中的直角坐标值；
建立分度盘上啮合点P2在定坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标变换约束方程
P1＝R(X1,90°)·P2+T (2)
其中，P1为凸轮上的啮合点在定坐标系O1-X1Y1Z1中的表示， 为P1在动坐标系o1-x1y1z1中的坐标值；T＝[-|O1O2| 0 0]T＝[-a 0 0]，a为凸轮中心与分度盘中心之间的距离；
将坐标变换约束方程(1)带入(2)中，求解矩阵方程，得到凸轮工作廓线上啮合点的坐标值：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>c&amp;theta;c&amp;phi;x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>c&amp;theta;s&amp;phi;y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>-</mo> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msup> <mi>s&amp;theta;c&amp;phi;x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>s&amp;theta;s&amp;phi;y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>c</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>s&amp;phi;x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>c&amp;phi;y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
步骤1-4、建立弧面分度凸轮三维模型
通过步骤3所得的工作廓线上啮合点的坐标值建立工作廓线三维曲线，借助Creo软件的曲线拟合功能，将工作廓线拟合成曲面，对上述曲面进行缝合，得到凸轮三维实体模型。
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