搜索一新型機電限位機構的仿真分析
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
大型光電跟蹤測量設備在現(xiàn)代化靶場中是獲取外彈道數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的最基本的測量手段之一,主要是采用地平式兩軸結構跟蹤架,水平軸和鏡筒安裝在垂直軸上,通過水平軸和垂直軸的轉動來實現(xiàn)0-80°。半球面范圍的目標跟蹤和軌跡測量。傳統(tǒng)的光電跟蹤測量設備中,為保護鏡筒,水平軸安裝有液壓限位機構,而垂直軸可以連續(xù)旋轉,沒有限位機構。在某一大型光電跟蹤測量設備中,根據(jù)系統(tǒng)的使用要求,為了保護信號電纜導線不被破壞,研制了一機電式限位機構,此限位機構能夠實現(xiàn)垂直軸系第一次能夠通過回轉零點,而第二次被限位,實現(xiàn)了700°.的轉動范圍內垂直軸系的自由旋轉。
限位機構的安裝位置和性能要求決定了其結構比較復雜,盡管設計人員在設計中已經過仔細的分析和反復推敲,但對于機構工作的可靠性,設計、加工裝調帶來的誤差大小以及是否會出現(xiàn)設計階段來預料到的問題等仍然沒有十分把握,另外限位過程中碰撞對相關零件的影響也是無法估測的,接傳統(tǒng)方法只有等樣機試制出來,通過破壞性實驗來獲得 。若利用CAD/CAE 軟件對該限位機構進行運動仿真和有限元分析,檢查限位過程中限位機構中零件間的干涉情況,觀察相關零件和機構關鍵部位的變形和應力圖,就可以使設計人員在設備加工前對機構中潛在的問題進行改進和優(yōu)化。
1 限位機構的結構和工作原理
限位機構主要有移動座、緩沖彈簧、滑動撞塊、V 形擋塊、固定座、擋塊定位組件等組成,如圖1 示。
移動座安裝在轉臺上,大小彈簧安裝在移動座的兩個移動撞塊之間,隨轉臺一起轉動,固定座和V 形擋塊固定在基座上;垂直輸系可以通過限位零點(第一次), V 形擋塊的右擋角翹起;當垂直輸系旋轉第二周到達限位零點時與V 型擋塊碰撞,進行限位,垂直軸系最大可以連續(xù)旋轉700°。機構的設計主要是對緩沖彈簧和V 型擋塊的設計,機構具體工作原理和設計理念,限于篇幅,將在另外的文章中做詳細介紹。
2 限位機構的運動仿真
根據(jù)機構的設計圖紙利用UG 中[Modeling] 模塊進行建模,利用[ Assembly] 模塊根據(jù)零件間的位置關系進行裝配,限位機構的三維模型如圖2 示。
利用UG 進行運動仿真主要有兩種途徑叫:
(1)直接利用UG 的機構運動模塊[ Mechanism] 對機構進行運動仿真。
(2) 通過修改裝配(或零件)參數(shù)或重新定位零件進行運動仿真。
在這個運動仿真中,移動組件隨轉臺一起轉動,轉臺內部的結構比較復雜,利用第一種方法進行運動仿真,會使仿真變的比較煩瑣,并且主要考慮的是V 型擋塊和移動組件間在限位過程的相互位置關系,要觀察他們之間的子涉情況,因此利用第二種方法通過修改裝配參數(shù)來進行運動仿真。在這個運動仿真中,修改滑動撞塊和V 型擋塊之間的距離,重新定位滑動撞塊來進行運動仿真。通過運動仿真主要發(fā)現(xiàn)有以下幾個問題:
(1)在限位過程中,滑動撞塊與V 型擋塊要進行碰撞,碰撞時他們之間的相互位置圖如圖3 示。從圖中可以看出碰撞時撞偏了,對于大型光電設備,轉動慣量很大,這樣碰撞不但不能進行緩沖限位,還會對限位機構造成破壞;
(2) 在垂直軸第一次通過限位零點和第二次緩沖限位過程中, V 型擋塊要與移動座發(fā)生嚴重的干涉;
(3) 在轉動過程中,固定座外面的護蓋要與轉臺發(fā)生干涉。通過對以上運動仿真中出現(xiàn)的問題進行分析, (1) , (2)兩點主要是由V 型擋塊的位置與滑動撞塊不協(xié)調引起的,只要適當?shù)难鼗膹较蛳蛲庖苿覸 型擋塊使之達到滑動撞塊的位置,就能解決這兩個問題。因此在固定座和基座之間添加了一個10mm 厚的弧形墊板,此時進行運動仿真,除了V型擋塊和移動座內壁有輕微的干涉外,其他部位都能順利通過。這樣即使在實際加工裝配后由于誤差引起干涉,可以調節(jié)V 型擋塊兩邊的兩個2mm 厚的墊圈,并且可以對V 型擋塊發(fā)生干涉部分進行輕微的手工修磨。固定座外安裝的護蓋主要是保護擋快和美觀的作用,只要減小其上邊極面的伸出尺寸,問題(3) 就能解決。
3 限位機構及其相關零件的有限元分析
3.1 緩沖限位載荷的簡化
利用UG 中[ modeling]模塊對整個跟蹤測量設備進行建模,利用UG 中[ Analysis] 模塊計算出轉動部分(包括轉臺水平軸系和鏡筒等)的質量M 和轉動慣量I 。在緩沖限位過程中,彈簧的壓縮最大不會超過80mm ,對一個半徑為784mm 的圓來說,這只是很小的一段,為了求解的方便,把緩沖這一段簡化成一直線的減速運動,即把轉動部分的質量完全轉化在彈簧的位置,
, I為系統(tǒng)的轉動慣量,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間的關系,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間。
3.2 限位機構的有限元分析
在得到緩沖載荷與時間的關系后.就可以分別對移動組件和固定組件進行瞬態(tài)動力學分析,這樣既簡化了模型,又減少了計算代價。結構動力學分析是MSC. Nastran 的強項之一,因此利用MSC. Patran/Nastran 來對限位機構和相關零件進行有限元分析。分析時各個零件的材料屬性如表1 。
(1)固定組件的有限元分析
在對固定組件進行有限元建模時,除了對影響不大的螺紋孔和倒角進行簡化外,也忽略了對分析中沒有什么影響的護蓋和擋塊定位組件。對于各個零件間的接觸裝配關系根據(jù)經驗和零件間的作用力傳遞關系對節(jié)點進行合并或用MPC( Multi - Point Constraint) 進行連接。設定邊界條件時,除了限定固定座和基座連接的螺釘上節(jié)點的自由度外,也對接觸面上一些節(jié)點相應方向的自由度進行約束。
垂直軸系達到的最大轉速時,限位機構在這時限位承受的沖擊力最大,圖4 是固定組件限位時的應力變形圖。固定座和基座連接的螺釘?shù)膽ψ畲?超過材料的抗拉強度約50% .但由于仿真沒有確切的考慮固定座和基座之間的接觸和摩擦力,所以實際情況下螺栓的應力要小于仿真結果。但從仿真中可以看出螺栓組之間應力的分配,對承受應力比較大的兩邊的螺栓進行加強。固定組件中的另一個薄弱環(huán)節(jié)是連接軸,在仿真中可以發(fā)現(xiàn)它的最大應力僅為300Mpa ,遠遠小于材料的抗拉強度。
(2) 移動組件的有限元分析
移動組件主要有移動座、大小彈簧和滑動撞塊組成,在對移動組件進行有限元建模時,主要是要考慮移動座和轉臺之間的連接螺釘?shù)膹姸?而緩沖載荷由彈簧通過滑動撞塊傳遞到移動座上,因此只對移動座和連接螺釘建模,螺釘和移動座間通過節(jié)點的合并來傳遞作用力,通過限定螺釘上節(jié)點的自由度來設定邊界條件。在最大速度限位時,移動組件的應力變形圖如圖5 。從圖中可以看出,載荷主要有下面的螺釘承擔,而兩邊的螺釘承受的應力最大,但最大應力為489Mpa,小于材料的抗拉強度。并且在實際中考慮到螺釘?shù)念A緊、移動件和轉臺之間的摩擦力,螺釘承受的應力要比仿真結果小。
3.3 其他相關部件的有限元分析
在進行限位過程中,沖擊力還會對轉臺、基座和調平機構等部件的精度造成影響,有時可能是破壞性的,而轉臺、基座和調平機構的精度直接關系著光電設備的跟蹤測量精度,因此對相關部件進行有限元分析確定沖擊對其的影響是十分有必要的。分別對轉臺部件和基座組件進行有限元建模,在對垂直軸系最大速度限位的情況下分別進行分析,分析結果如表2 示。作用下,承受的最大應力都小于材料的抗拉強度,在材料的彈性的變化范圍內,因此限位機構限位時不會對設備其他的部件造成破壞,對設備的精度影響不大。
4 結論
常規(guī)的轉向限位機構最大只能有(0 - 360°)的旋轉范圍,而這種新型機電限位機構能夠實現(xiàn)(0 -700°)范圍內垂直軸系的自由旋轉,因此在結構和原理上都要比常規(guī)的限位機構復雜的多。利用CAD/CAE 軟件分別對該新型限位機構進行運動仿真和有限元分析,根據(jù)運動仿真和有限元分析結果,對機構進行了相應的改進。通過仿真結果可以發(fā)現(xiàn),這種新型限位機構機構工作可靠,對整個設備精度的影響很小,可以滿足系統(tǒng)的使用和性能要求。該限位機構己成功應用于大型光電設備,在設備工作過程中該機構能夠為設備主控系統(tǒng)提供旋轉軸的當前位置和到位信息,并且利用該限位機構進行限位碰撞后,對設備的主鏡光路系統(tǒng)、垂直輸系以及調平機構等相關結構的精度影響不大。
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