基于CATIA的新型隔振器的3D结构设计

第16卷第5期2004年5月计算机辅助设计与图形学学报JOURNAL OF COMPU TER 2AIDED DESIGN &COMPU TER GRAPHICSVol 116,No 15May ,2004原稿收到日期:2003206206;修改稿收到日期:20032072081本课题得到广西自然科学基金(0310007)资助1戴命和,女,1971年生,硕士,讲师,主要研究方向为CAD 制造、电子机械与现代设计1孙　宁,男,1961年生,博士研究生,教授,主要研究方向为机械设计及理论、CAD 制造、机电工程测量及控制1李文勇,男,1976年生,博士研究生,讲师,主要研究方向为机械优化设计、CAD 制造1应用荟萃基于CATIA 的新型隔振器的3D 结构设计戴命和　孙　宁　李文勇(桂林电子工业学院机电与交通工程系　桂林　541004)摘要　利用CA TIA 软件的互动性实现新型变刚度隔振器的计算机辅助3D 结构设计,并对零部件的加工过程和隔振器的运动过程进行了动态仿真1仿真效果表明:此隔振器的设计是令人满意的,提高了隔振器的精度,降低了成本,缩短了设计与试制的周期1关键词　CA TIA ;结构设计;隔振器;变刚度中图法分类号　TH112;TP391173D Structure Design of a N e w Type Vibration Isolator Using CATIADai Minghe Sun Ning Li Wenyong(Depart ment of Mechi nery Elect ronic and Transportation Engi neeri ng ,Guili n U niversity of Elect ronic Technology ,Guili n 541004)Abstract 3D structure design of parts ,assembly ,simulating its working process as well as the parts machining process are fulfilled totally with CA TIA 1The final simulation outcome indicates that the de 2sign is perfect ,satisfying the required precision ,reducing cost ,shortening the design cycle and altering the manufacturing mode 1K ey w ords CA TIA ;structure design ;vibration isolator ;nonlinear stiffness1　引 言在现代设计中,考虑对振动与冲击的防护已显得非常重要,传统意义的线性抗振系统不能满足许多现代设备的高要求,其主要原因是简单的弹簧抗振系统会出现外界激振频率等于抗振系统固有频率的情况1此时,抗振系统不但不能减振,而且还要发生共振,使设备很容易损坏1而在设计时要想把固有频率远离激振频率又是很难办到的,因为现实中的激振往往是宽频带的,总有一个频率分量与固有频率相等1非线性减振技术就是把抗振系统中的弹性元件的刚度和阻尼设计成非线性变化的,以达到在振动过程中减小振动响应和避免共振的目的1本文所涉及的就是一种新型变刚度隔振器的结构设计,该隔振器利用抗振系统的变刚度特性实现宽频带无共振峰,通过(模拟)仿真该减振器的性能达到了先进隔振器的水平1本文中的隔振器的结构设计是根据新型隔振器的原理设计[1]提供的弹性零件参数、机构尺寸参数、凸轮轮廓曲线参数等实现的1本文利用CA TIA (Computer Aided three 2dimensional Interactive Ap 2plication )(V5R8)的互动性在整个设计过程进行不断的修改、模拟运动和模拟分析,直到达到设计本身的要求1当用CA TIA 软件修改任何一个零部件时,由该软件自动生成的三视图和立体图也会随零件和装配的改变而作相应的变化,CA TIA 的这种动态设计大大地提高了设计的成功率并缩短了设计本身的周期12　新型隔振器的机构运动简图和设计参数确定 新型隔振器的机构简图[2]如图1所示,机构中构件1,2,3,8组成曲柄滑块机构;构件3,4,8组成凸轮机构;构件5是铰支杆1铰支杆由可变支点C 支撑,可变支点C 由凸轮的廓线控制变化1可变支点由于杠杆原理使机构具有变刚度特性,弹簧9或其他弹性元件安装在构件7上构成减振系统1取构件5处于水平位置、OB 处于水平位置、C 点为凸轮推杆的最大位移时为振动的平衡位置1当机架8有基础振动时,安装在构件1的被隔振设备10会发生振动位移,这个位移使弹簧的变形量与机构的受力相协调,所以构件1所具有的刚度不等于弹簧刚度,而是一个变化的当量刚度,这个当量刚度的大小是指构件1产生单位位移增量时为克服弹簧力和机构力所需施加力的增量[3]1图1　隔振器机构简图211　当量刚度规律的确定本文中型号隔振器的设计,要求被隔振设备的质量为1kg ,最大振动位移为4mm 1选取机构中的弹簧刚度为0125kg/mm ,通过振动响应分析和优化[425],选取K d =k (x <1),K d =k (1+x 4)(x ≥1)作为变刚度规律,其仿真隔振效果加速度均方根值为116g (一般设备要求小于5g ),位移最大隔振系数为11194,避免了共振1212　凸轮推杆运动规律选取凸轮的基圆半径为15mm ,根据结构要求选取平衡位置时可变支点C 到构件1和构件7的距离相等(此时当量刚度等于弹簧的刚度);然后将刚度变化规律引入当量刚度计算公式,反求凸轮的推杆位移和凸轮转角与振动位移的对应关系(如果凸轮的压力角过大时,重新选取凸轮的基圆半径),计算所得的凸轮转角(δ)与对应的凸轮推程(S )之间的关系如图2所示1本文设计的隔振器是利用凸轮精确控制刚度变化规律的,因此在整个机构设计中凸轮的设计非常重要1用传统作图法设计凸轮廓线误差大且很难达到要求的精度,本文采用计算机绘制凸轮廓线,并且使振动位移的离散点的间隔取为011mm,这样就可以很精确地求出凸轮廓线1图2　凸轮推杆位移线图213　机构尺寸的确定根据隔振器结构设计准则[1,6]和设计要求,选取新型机构的曲柄和连杆的长度L AB =12mm ,L BO=7mm 1一般情况下,希望凸轮的工作转角越大越好,所以取L BO 比最大振动位移量稍大一些1此时,图2凸轮的工作转角为75177°,其中,正位移的工作转角为20183°,负位移的工作转角为50194°;近停程角为19128°,远停程角为264195°,凸轮处于这两位置时为不变刚度13　新型隔振器的结构设计减振器是由一个曲柄滑块机构和凸轮机构组成的组合机构1很明显,机构的各杆件长度以及凸轮的理论廓线计算误差会影响机构的运动轨迹,进而影响减振器的减振与隔振效果1本文采用CA TIA 对新型隔振器进行的互动性设计和动态模拟,验证了本文设计隔振器设计的正确性,确保了设计的一次成功,其设计过程如图3所示1图3　设计流程图311　零件实体建模本文用CA TIA 的Part Design 模块设计隔振器的各个零部件,包括基座、凸轮、螺栓、螺母、连杆、滑827计算机辅助设计与图形学学报2004年套、滑轨、滑轮等,它们都是根据此隔振器的形状特点和特殊需要先进行草图设计,然后进行实体造型设计1此隔振器的关键、复杂部件是凸轮,其设计过程如下:先在CA TIA 中的sketch 草图环境下根据图2所示的凸轮推杆位移线图画凸轮的廓线,然后进入实体造型模式,进行拉伸就形成了凸轮初体1该凸轮带槽要进行几次拉伸和挖孔,所以要进行几次草图设计和实体造型设计[7]1在凸轮设计过程中要特别注意保证凸轮的封闭型式,它直接影响减振器的隔振效果1本文所设计的凸轮如图4所示1图4　凸轮实体建模是结构设计技术的基础,为完成装配、工程制图、机构的模拟运动、机构的运动分析等各零部件结构设计,需要直接应用已建立的实体模型1312　零件的组装隔振器机构的所有零部件都设计完成以后,选取CA TIA 的DMU K inematics 模块进行零件组装1DMU K inematics 模块可以组装复杂结构,并且在此环境下的组装结构的模拟运动是实际结构运动形式的真实的动态反映1在DMU K inematics 环境下进行组装凸轮机构时,先固定凸轮基座,将螺栓的轴线移到与基座孔的轴线方向上,选中螺栓与基座接触的两个面(一个是螺栓的,一个是基座的);螺母与凸轮组装时和螺栓与凸轮的组装一样,也是约束轴线和接触面,再将螺母和螺栓刚性联接后,凸轮机构就组装好了1这时,可以检查装配模型是否存在尺寸干涉,因为单独的零部件汇总在一起时不可避免地会出现一定的装配问题,如发现结构或尺寸不合适的零件,可用CA TI 2A 软件的互动性非常方便地进行修改1因为零件设计和组装设计可以进行切换,而且某个零件修改了,整个机构会自动地作相应的修改,这给设计带来了极大的方便[7]1凸轮机构组装完成以后,系统就可以模拟凸轮机构的运动1这时如果发现轮廓失真或不满足工作条件要求时,系统可以进到Part Design 模块进行更改,然后再组装、动态仿真、更改,直到运动效果满意为止1图5所示为隔振器的3D 结构设计图,图中带有方槽的上下移动杆用于安装被隔振设备,圆柱体上下移动杆用于安装弹簧1图5　隔振器的3D 结构图313　工程制图用CA TIA 进行结构设计时,可以非常方便地得到与实体模型协调一致的2D 工程图,而且当实体模型改变时,2D 工程图形和尺寸标注都会同步自动更新,保证与3D 图形一致,减小因模型改变二维图更新所需时间1CATIA 的2D 与3D 图的方便转换可以从根本上杜绝传统的二维工程图设计尺寸矛盾、丢线等常见错误,从而保证二维工程图的正确无误14　动态仿真机构组装以后,可以在DMU kinematics 环境下动态模拟机构的运动过程[7]1在模拟运动过程中,更改凸轮每步走的幅度和构件1的最大位移值,选择最合适的参数,然后开始录制运动过程,生成avi 文件1录制结束后再打开录制好的文件,查看模拟效果,若不理想则重录1反复录制以后,若还是发现机构运动过程与实际运动不符合或发生了干涉等情况时,就应该进一步修改零件,直到运动效果令设计者满意为止1本文用CA TIA 进行隔振器设计时,动画模拟了零件的加工过程和机构的运动过程,结果令人满9275期戴命和等:基于CA TIA 的新型隔振器的3D 结构设计意1图6所示为凸轮滑块机构在DMU K inematics 环境下仿真的两个运动位置结构图1图6　凸轮滑块机构的不同运动位置结构图 在设计零件时,动画模拟了凸轮的加工过程,像凸轮这样复杂的零件,模拟加工过程时发现轮廓失真就要进行修改,这时系统进行更改能大大地降低设计周期15　结 论本文用CA TIA 对新型隔振器的3D 结构进行设计,特点如下:在设计过程中对凸轮的加工过程和整个机构的运动过程进行了动态仿真,其运动效果非常理想,大大提高了设计的可靠性1在整个设计过程中,利用CA TIA 的互动性进行不断的修改、模拟运动和模拟分析,直到达到设计本身的要求1组装以后修改任何一个零件时,系统自动生成的立体图和三视图也会自动相应更新,这使得设计者摆脱了传统的二维设计的局限性,又很好地体现、验证、丰富、完善设计人员的设计意图,并且可在产品投标报价之时,将未来产品的外观、造型、技术性能及特点介绍给用户,使产品更具有竞争力1利用CA TIA 进行结构设计的另一个特点是结构紧凑1本文利用CA TIA 强大的设计功能进行新型隔振器的设计,从实体设计、机构组装到模拟运动、模拟分析等,将传统的机械设计与现代的计算机辅助设计进行了有机的结合1不仅使设计过程本身变得生动,并使设计人员在方案设计阶段就能在计算机上看到产品的三维立体图像,完成产品的虚拟制造,可以最大限度地减小设计失误、降低成本、缩短设计周期、提高设计质量、增强产品的市场竞争力,使得设计能够满足现代社会对产品周期的要求1参　考　文　献[1]Sun Ning ,Li Guixian 1Design of a kind of new typed anti 2vibra 2tion and anti 2shock mechanism which can realize characteristics of variable stiffness [J ]1Journal of Machine Design ,2000,17(7):16～19(in Chinese )(孙　宁,李瑰贤1一种能实现变刚度特性的新型抗振冲机构设计[J ]1机械设计,2000,17(7):16～19)[2]Sun Ning ,Li Guixian 1Application of a new mechanism to resist vibration and shock in vibration isolator designing [J ]1Machine Design and Research ,2000,(2):50～51(in Chinese )(孙　宁,李瑰贤1变刚度组合机构及其在隔振器设计中的应用[J ]1机械设计与研究,2000,(2):50～51)[3]Sun Ning ,et al 1A precision machine design for electronic e 2quipment to resist vibration and shock [J ]1Journal of Apparatus and Instrument ,1999,(Suppl ):74～76(in Chinese )(孙　宁,等1一种用于电子设备抗振冲的精密机构设计[J ]1仪器仪表学报,1999,(增刊):74～76)[4]Sun Ning ,Li Guixian 1A simple method for generating the sim 2ulating signals of random vibration [J ]1Journal of Vibration and Shock ,2000,19(2):50～51,63(in Chinese )(孙　宁,李瑰贤1随机振动信号的一种简单模拟方法[J ]1振动与冲击,2000,19(2):50～51,63)[5]Sun Ning ,Li Guixian 1Application of neural net in the design of vibration isolator for electronic equipment [J ]1Machine Design ,2001,18(7):113～114(in Chinese )(孙　宁,李瑰贤1神经网络在电子设备隔振器设计中的应用[J ]1机械设计,2001,18(7):113～114)[6]Wang Jianshi 1Electronic Equipment Structure Design Manual [M ]1Beijing :Publishing House of Electronics Industry ,1993(in Chinese )(王健石1电子设备结构设计手册[M ]1北京:电子工业出版社,1993)[7]Cao Zhixiong ,et al 1CATIA Operation Example [M ]1Beijing :Science Press ,2001(in Chinese )(曹智雄,等1CATIA 实作范例[M ]1北京:科学出版社,2001)37计算机辅助设计与图形学学报2004年。