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1、基于COSMOSMotion拉伸用曲柄压力机的运动分析摘要：本文研究了在SolidWorks平台上进行拉伸用曲柄压力机机构建模与运动仿真分析的方法。从而使多杆机构的运动分析直观、简单和精确，大大提高多杆机构的设计精度和效率。关键词：曲柄滑块机构；仿真；COSMOSMotion；SolidWorks1引言多杆机构具有四杆机构常常难以实现的一些功能，可以更好地满足实际设计需要。但由于多杆机构尺寸参数多，运动要求复杂，因而其设计及运动分析也较困难1,2。SolidWorks是款非常优秀的3D CAD软件，功能强大，它可以精确且快捷地建立各种复杂机构的仿真模型，随后即可应用其集成的CAE插件COSMO
2、SMotion，详尽地对机构模型进行运动和动力学分析，且不需要编程，获得机构中各构件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，跟踪零件的运动轨迹，并以动画、图形、表格等多种形式表示分析结果，以此可指导修改机构的设计，减少总体设计时间，实现高效开发的目的3,4。本文以12.5t拉伸用曲柄压力机为例，利用08版SolidWorks/COSMOSMotion软件来建立该压力机机构的运动学模型，对其进行仿真分析。该压力机工作参数为：滑块行程为640mm，最大工作行程为360mm，滑块行程次数为l6次/分，电机功率5kW。其机构运动简图如图1所示。可见，该机构由一曲柄摇杆机构和一曲柄滑块机构串联而成，曲
3、柄摇杆机构的连杆充当曲柄滑块机构中的曲柄。机构的自由度等于1。BCO2AO1FED图1 12.5t压力机机构运动简图Fig.1 Motion schematic diagram of crank press mechanism2应用COSMOSMotion进行运动分析的实现过程2.1 创建实体零件 根据图1给出的尺寸，用SolidWorks对各杆件进行三维造型。由于只是涉及运动分析，故在创建杆件实体零件时，只要杆长符合尺寸要求即可，截面尺寸和形状可以自定。图2为创建好的曲柄O1A的三维模型。利用SolidWorks尺寸驱动特点，只要修改曲柄长度，将尺寸210改为摇杆O2B的长度520，其他尺寸
4、不变，就可得到零件摇杆O2B。同理得到连杆CD。图3为滑块的三维模型。考虑到各杆件建好模后，还需要装配到一起形成机构，故将形成铰链副的圆柱孔其直径应一致，这里均定为25mm；构成移动副的滑块内腔截面尺寸应与机架EF的截面尺寸相同。 图2 曲柄的三维模型 图3 滑块的三维模型 Fig.2 Crank modeling Fig.3 Slider modeling 2.2 创建装配体 将前面完成的零件逐一插入，通过添加重合、平行、垂直、相距等配合功能，按图1所示尺寸调整好用作机架的3个零件之间的位置后，将它们设为固定。SolidWorks中的固定零件自动映射为COSMOSMotion中的静止零件。为
5、了便于装配，可通过移动、旋转、局部放大操作。每个铰链副是通过添加重合配合和同心配合来实现的，一个同心配合和一个重合配合映射成一个旋转副。将滑块内腔相互垂直的两个平面与机架EF相对应的两个相互垂直的外表面分别进行重合配合，便映射为移动副。图4为完成好的机构装配体。图4 压力机机构装配体Fig.4 Assembly of crank press mechanism2.3 仿真2.3.1 为机构的主动件添加驱动由于该机构的自由度为1，故主动构件数只有一个，即曲柄O1A。根据滑块的行程次数可知曲柄的转速为l6转/分。利用马达工具钮为曲柄添加驱动，并设置驱动参数为：等速、16RPM（转/分），逆时针方向
6、转。注意驱动应添加在与机构运动平面平行的曲柄的一个面上。2.3.2 添加滑块的工作阻力滑块在向左的工作行程中，在拉伸的前后段各有一段约0.22H的非工作距离，H为滑块的行程，工作阻力曲线如图5所示。滑块向右的空回行程没有工作阻力。为添加滑块的工作阻力，先进行一次仿真，以确定滑块的行程。仿真时间等于曲柄转动角度除以曲柄转速，这里只模拟曲柄转动两周，因此仿真时间=2/16=0.125min=7.5s。图5 滑块工作阻力曲线Fig.5 Work load curve of slider由于在创建机构装配体时添加的配合，已自动映射为COSMOSMotion中的连接，因此，为曲柄添加了驱动并调整好仿真时
7、间后，就可进行仿真。仿真自动计算完毕后，单击结果和图解按钮，按图6设置参数并确定，便可获得滑块质心X方向位置曲线，如图7所示，得到滑块行程H=-1000-（-1671）=671mm。图6 显示滑块质心X方向位置曲线的参数设置Fig.6 Parameter setting of X orientation location of slider centroid图7 滑块质心X方向位置随时间变化曲线Fig.7 Simulation curve of X orientation location of slider centroid 由图5可知，工作阻力是多段函数，故用IF函数来添加，IF函数语法为
8、：IF（表达式1：表达式2，表达式3，表达式4） 如果表达式1的值小于0，IF函数返回表达式2的值；如果表达式1的值等于0，返回表达式3的值；如果表达式1的值大于0，返回表达式4的值。0.22H=0.22671=148mm，根据滑块质心位置曲线（图7）可以确定，滑块从工作行程开始位置（即滑块位于最右端）向左移动148mm位移，需要时间约为2.71s；滑块移动离最左端148mm时，需要时间约为3.71s。因此，当压力机满负荷工作（即工作载荷为12.5t）时，滑块受到的工作阻力随时间的变化如下：0t2.71，F=0 2.71t3.71，F=122.5KN 3.71t6.46，F=0 6.46t7.
9、46，F=122.5KN 7.46t7.5，F=0所以工作阻力函数可表示为：IF(time-2.71:0,122500,IF(time-3.71:122500,0,IF(time-6.46:0,122500,IF(time-7.46:122500,0,IF(time-7.5:0,0,0)在滑块的左端面施加以上函数形式的作用力，力的方向为指向端面。添加好滑块受到的工作阻力后，再次进行仿真。3仿真结果及分析通过仿真，可以获得各构件的位置、速度、加速度以及受力情况。图7、图8和图9分别为滑块的位置、速度、加速度曲线。单击图中任一位置，将有红色垂直线标出该位置，便于找出对应的X、Y位置。同时机构也运行
10、到与该时刻相对应的位置，如图4所示。为便于定量分析，也可将仿真结果输出到Excel电子表格。由滑块质心位置曲线（图7）可以看出，滑块由最右极限位置运动到最左极限位置所需时间为t1=4.468-2.234=2.234s，返回行程时间为t2=6.024-4.468=1.556s，故可求得行程速比系数表明机构具有较强的急回特性，而平面四杆机构一般难以达到这么大的急回特性。图8为滑块的速度曲线。可见，在滑块刚进入工作行程初期，速度逐渐加快，随后趋于稳定，维持在322mm/s左右。均匀的工作速度可以保证拉伸工件对速度平稳的要求，有利于工件获得高质量的加工表面及光洁度。而且拉伸速度低可使金属充分变形，使其
11、晶粒细密，同时也保证了工件的壁厚均匀一致。空回行程时速度变化比较大，最高速度为740mm/s。空回行程运行快，有利与节约加工时间。根据滑块速度曲线，在最大工作行程保持不变的情况下，适当调整拉伸前后段的非工作距离（即将拉伸前非工作距离适当延长，延长到0.24H，而拉伸后非工作距离适当减小，减小到0.20H），这样可使工作速度更加平稳。从滑块的加速度曲线（图9）也可看出，在滑块的工作时间段，加速度变化是较小的。在未考虑惯性力影响的情况下，曲柄受到的阻力矩如图10所示。在机构的下死点位置（图11）附近时，曲柄受到的阻力矩较小，表明机构具有很大的机械利益，满足拉伸工作的需要。假设压力机的机械效率为0.
12、8，则电动机传给曲柄的力矩为Nmm表明驱动力矩是足够的。据此，从节能角度考虑，可适当减小电机的功率。当曲柄转动一周时，连杆上C点的运动轨迹如图4和图11所示。图8 滑块质心速度随时间变化曲线Fig.8 Simulation curve of speed of slider centroid图9 滑块质心加速度随时间变化曲线Fig.9 Simulation curve of acceleration of slider centroid图10 曲柄受到的阻力矩曲线Fig.10 Simulation curve of moment forced on the crank图11 机构的下死点位置Fi
13、g.11 Location of lower dead center of crank press mechanism4结 语采用SolidWorks方便快捷地创建了拉伸用压力机机构的装配体，并用SolidWorks的集成插件COSMOSMotion对其进行运动和动力学仿真分析，得出：（1）该机构具有很大的急回特性，行程速比系数达到1.93；（2）在工作行程内，滑块速度较均匀，能满足拉伸工件对速度平稳的要求；（3）通过适当调整拉伸前后段的非工作距离，可使滑块的工作速度更加平稳；（4）从节能角度考虑，可适当减小电机的功率。运用这种方法可以提高平面多杆机构设计及分析效率，为创新设计、缩短产品设计周期、节约产品成本，提供了一种切实有效的手段和方法。参考文献1 孙桓，陈作模，葛文杰主编. 机械原理M.北京:高等教育出版社，2006.2 忽晓东用机构直连法作多杆机构的运动分析J .机械工程师2007年第3期:9596.3 张晋西，郭学琴编著SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计M北京：清华大学出版社，20074 叶修梓，陈超祥主编COSMOS高级教程：COSMOSMotionM北京：机械工业出版社，2008.6
