超磁致伸缩制动器的虚拟样机实现

马宏伟,余 震,杨艳芳

(1武汉理工大学物流工程学院,湖北 武汉 430063;2武汉科技大学机械自动化学院,湖北 武汉 430081)

虚拟设计技术广泛应用于航空航天、工程机械、汽车制造等广泛的领域[1].本文以超磁致伸缩制动器为研究对象,应用Solidworks三维建模软件完成对超磁致伸缩制动的虚拟样机零件和整机的建模和装配,为进一步的研究打下基础.

1 超磁致伸缩致动器的二维装配模型

超磁致伸缩制动器主要由驱动系统、控制系统、冷却系统以及连接装置组成(图1)[2-3].

图1 超磁致伸缩制动器装配图

2 超磁致伸缩制动器虚拟样机设计

2.1 零部件参数化建模

确定超磁致伸缩致动器的整体设计方案后,应用Solidworks三维建模软件对其零部件进行建模,并对其进行参数化设计.在超磁致微驱动致动器虚拟设计中参数化建模的零件有:超磁致伸缩材料(GMM)棒、内套筒、预压弹簧、线圈骨架、冷却水管、壳体、输出轴、弹性薄板等.

GMM棒是超磁致伸缩致动器中最主要的原件,为超磁致伸缩致动器提供动力.运用Solidworks三维建模软件对其进行参数化建模(图2),可对其尺寸进行优化.

图2 GMM棒

预压弹簧用来在初始时刻对GMM棒施加一定的压力,调节预压力可以使GMM棒在磁场的作用下获得最大的输出位移.在建预压弹簧的模型时,首先选择一个基准面绘制一个圆,其直径是弹簧的截面直径;再以该圆为轮廓做螺旋扫描,螺旋间距和总高根据实际需要来定,指定螺旋扫描为等间距扫描,即可完成预压弹簧的三维建模(图3).

输出轴用来把GMM棒的长度变化传递给车刀,实现车刀的微进给.输出轴(图4)上设有键槽,以保证在输出位移时输出轴不会转动而影响输出精度.

图4 输出轴

2.2 超磁致伸缩制动器的虚拟装配

虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节,是零件模型按约束关系进行重新定位的过程,在虚拟技术领域和仿真领域得到了广泛的应用[4].在虚拟装配中,装配关系是零件之间相对位置和配合关系,反映了零件之间的相互约束及相对运动.Solidworks中的配合分为标准配合和高级配合,其中应用最广泛的是标准配合(如平行、重合、垂直等);当需要机构运动模拟时就用到高级配合,此时需要加一些动力辅助装置(如线性马达、旋转马达、线形弹簧和引力).在虚拟样机的装配中,要考虑零件的装配顺序以及装配的约束关系等,首先要确定各个部件装配的先后顺序,再确定需要哪几个配合关系可以实现2个零件的完全配合.

在超磁致伸缩致动器虚拟装配中,首先装配其输出装置,再装配其检测装置,最后装配其动力装置.装配时选中壳体为装配基体,首先通过同轴心和端面距离的设定完成调节螺母与壳体的配合;其次通过同轴心和端面距离的设定完成调节螺母和输出轴的配合;最后通过同轴心完成预压弹簧和输出轴的配合,这样就完成了整个输出装置的装配.在对检测装置和动力装置装配的过程中主要也是采用同轴心和面与面之间的配合.超磁致伸缩致动器完整装配见图5.

图5 超磁致伸缩致动器装配图全剖视图

3 结束语

应用Solidworks对超磁致伸缩致动器进行虚拟设计,可以更加准确地确定其设计尺寸,加快设计进度,同时可以保存成Parasolid(＊.x t)格式并导入ANSYS有限元分析软件对其进行分析,加快设计研究进度,为以后的研究打下良好的基础.

[1]陈定方,罗亚波.虚拟设计[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]YU Zhen,YUAN Sha,ZHENG Hui,et al.Design of Super-precision Micro-feed Tool CarrierBased on GMM.ICMET 2009[C].China:BeiJing,2009,8(11):19-24.

[3]刘 坤,余 震,郑 慧,等.利用特征建模技术的微细机械加工虚拟系统[J].湖北工业大学学报,2010,25(4):61-63.

[4]Zhengyan Zhang,Dingfang Chen,Min Feng.Dynamics Model and Dynamic Simulation of Overhead Crane Load Swing Systems Based on the ADAMS[A]//The 9th International Conference on Computer-aided Industrial Design&Conceptual Design:484-487.