【正文】 本設(shè)計中由于分盤機(jī)零件較多，而且有重復(fù)零件，配合關(guān)系復(fù)雜，某些零件尺寸不易確定，因此采用自頂向下和自下向頂相結(jié)合的設(shè)計方法。裝配時首先確定設(shè)備機(jī)架作為主體零件首先導(dǎo)入進(jìn)裝配 體，再 依次導(dǎo)入其他零件。導(dǎo)入零件后 ，要使零件間達(dá)到精準(zhǔn)的配合，必須建立準(zhǔn)確的裝配約束 ，系統(tǒng)在配合菜單下提供了包括角度、重合、同軸心、距離、平行、垂直、相切、鎖定 8 種標(biāo)準(zhǔn)配合和對稱、寬度等 6 種扣式電池分盤機(jī)的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 16 高級配合以及齒輪、凸輪等 5 種機(jī)械配合，可以使用這些配合精確地放置實體，這些約束使 建立 的裝配體更接近 于 實際裝配體。在整個裝配過程中可以應(yīng)用子裝配體的方法，即將具有 一定 裝配關(guān)系的 部分 結(jié)構(gòu)預(yù)先裝配起來，作為一個裝配體在加入到主裝配體中，這使裝配關(guān)系更加有層次性，亦可在主裝配體中對子裝配體進(jìn)行編輯。不過在 SolidWorks 中，是把子裝配體 看作 是一個固 定的剛體來導(dǎo)入的，這樣在之后的運動仿真中子裝配中 的零件不能相互移動，解決方法是改變子裝配體的屬性中的求解方式，將 剛性改為柔性，使其靈活。 對于結(jié)構(gòu)中尺寸不易確定或者與其他零件有約束關(guān)系的零件，可以使用自上而下的設(shè)計方法，在裝配體中生成新的零件。下面以設(shè)備下部分滾珠絲杠固定板與機(jī)架相連接的四根連接桿為例，簡要介紹裝配體中創(chuàng)建新零件的方法： 這四根連接桿在之前的設(shè)計中是不好確定其具體 長度的，即使初步確定了連接桿長度，如果絲杠長度發(fā)生變化，那么之前建立的連接桿模型就是錯誤的，需要重新裝配，給設(shè)計帶來了一定的麻煩， 這時需 采用在裝配體中創(chuàng)建新零件的方法。點擊【插入】→【新零件】，系統(tǒng)提示選擇創(chuàng)建零件的草圖繪制平面，選擇絲杠下固定板的上表面為草繪平面，如 圖 所示。 圖 選擇草繪平面 在草繪中繪制一個圓與四周的一個螺栓定位孔同心 ， 約束好設(shè)計尺寸 后根據(jù)所繪制圓進(jìn)行拉伸，如 圖 所示在拉伸對話框中方向一欄選擇“成形到一面”，選擇機(jī)架平臺的下表面為成形終止面，點確定完成模型拉伸。 在此基礎(chǔ)上再對連接桿進(jìn)行其他的特征建模，如中心連接螺紋孔，下端螺紋端等，即完成了在裝配體中的連接桿建模。以此種方法建立好模 型后，無論絲杠的長度 在后續(xù)設(shè)計中如何改變，連接桿的長度都 會隨之改變， 且 有效的連接長度總是固定板到機(jī)架的距離， 并 隨四周固定孔位置 變化 而改變。最后保存模型是選擇裝 配體外保存模型。這種自上而下的設(shè)計方法靈活、準(zhǔn)確，免去了很多 麻煩，給整個設(shè)計過程帶來了便捷。草繪平面 17 另外，在裝配其他三根連接桿時，也沒有必要一根一根的進(jìn)行裝配，選擇 特征驅(qū)動零部件整列，要陣列的零部件為已經(jīng)建立好的 連接桿，驅(qū)動特征選擇四周的孔特征，即可完成其余三根連接桿的裝配，并且裝配體隨孔特征而變化 圖 拉伸對話框 根據(jù)以上所述建模方法，所裝配 好的扣式電池自動分盤機(jī)的三維模型如 圖 所示。 圖 自動分盤機(jī)模型前視圖 扣式電池分盤機(jī)的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 18 圖 自動分盤機(jī)模型左視圖 圖 自動分盤機(jī)正等軸測視圖 分盤機(jī)構(gòu)模型運動仿真 SolidWorks 運動仿真 在建立好機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計模型后，進(jìn)行模型運動仿真是十分必要的，不僅能夠真實的模擬機(jī)構(gòu)在實際工作中的運動狀態(tài)，而且在仿真過程中能夠檢測之前的設(shè)計的不 19 足之處，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。 SolidWorks 提供了基于模型運動的運動算例用以實現(xiàn)裝配體的運動仿真，可將諸如光源和 相機(jī)透視圖之類的視覺屬性融合到運動算例中。運動算例不更改裝配體模型或其屬性，只在于模擬并動畫給定模型規(guī)定的運動，并可以使用 SolidWorks 配合，在建模運動時約束零部件在裝配體中的運動。 SolidWorks 定義了三種模式的運動算例 [21]： (1) 運動動畫：在此 算例中可以使用動畫來模擬裝配體的運動以及裝配爆炸順序。具體的實現(xiàn)方式是通過 設(shè)定 不同時間點的 鍵碼點 來確定不同零部件的位置 。SolidWorks 使用插值 計算 來定義鍵碼點之間裝配體零部件的運動。 (2) 基本運動：可使用基本運動在裝配體上模擬 馬達(dá)、彈簧、接觸以及引力 ?；具\動在計算運動時考慮到質(zhì)量，而且計算速度快，所以可將之用來生成基于物理 的模擬 演示性動畫。 (3) 運動分析（使用 SolidWorks Motion 插件）：運動分析在裝配體上精確模擬和分析運動單元的效果（包括力、彈簧、阻尼以及摩擦）。運動分析使用計算能力強(qiáng)大的動力求解器，在計算中考慮到材料屬性和質(zhì)量及慣性，并且可使用運動分析來標(biāo)繪模擬結(jié)果供進(jìn)一步分析。 在設(shè)計過程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真的目的主要有兩個：一是對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行干涉與碰撞檢查。通過對機(jī)構(gòu)裝配模型的運動分析，觀察在機(jī)構(gòu)中是否干涉，對干涉檢查結(jié)果進(jìn)行顯示，以實現(xiàn)對 模型的設(shè)計改進(jìn)。二是機(jī)構(gòu)運動仿真結(jié)果分析。通過施加模型的運動驅(qū)動以及模擬運動過程中的外力因素，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)運動仿真，并對其選定部件的速度、加速度、力等結(jié)果進(jìn)行分析，以改善設(shè)計選型。具體采用哪種運動算例要根據(jù)設(shè)計的實際情況 而定 ，若不考慮質(zhì)量以及外力等因素，只求模型的運動動畫以及演示裝配關(guān)系的話可以采用基本的動畫算例。若考慮到質(zhì)量、摩擦、引力等多種因素，則可使用運動分析算例， 此時 需調(diào)用 SolidWorks motion 插件，在此運動算例中，提供了模擬運動中多種外力影響因素，并且具有最強(qiáng)大的計算能力。 分 盤機(jī)運動學(xué)仿真分析 在運動算例模塊中預(yù)先加載 Cosmosmotion 插件才能實現(xiàn)運動分析算例。Cosmosmotion 是 SolidWorks 設(shè)計軟件中專門用于運動仿真的模塊，在 Cosmosmotion模塊中，設(shè)計人員可以在產(chǎn)品的物理樣機(jī) 做成前 ，通過建立虛擬模型進(jìn)行運動仿真。它能盡可能真實的模擬零部件在運動時的情況。通過運動模擬，設(shè)計人員可以完成關(guān)鍵零部件選型計算、運動干涉檢查、復(fù)雜零部件設(shè)計規(guī)劃、分析運動受力等工作。 在SolidWorks2021 之前的版本，運動分析是以 Cosmosmotion 插件的模式獨 立存在的，在 09 版本之后，此插件已實現(xiàn)了與 SolidWorks 軟件的徹底融合，只要在選項中將其加載，就可以在模型中進(jìn)行 運動仿真分析 。 扣式電池分盤機(jī)的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 20 運動分析算例運行時， 軟件顯示界面的左側(cè)是裝配體的 Motion 結(jié)構(gòu)樹，中間顯示不同零部件的運動時間節(jié)點 。常用的 運動仿真 功能包括添加 碰撞 約束、添加力、輸出 計算 曲線及輸出動畫等。運用 運動 算例進(jìn)行物體的運動學(xué) 仿真 分析大致 可 分為以下幾步進(jìn)行 [22]： (1) 創(chuàng)建裝配體模型，對各個零部件進(jìn)行正確合理的裝配，建立裝配約束關(guān)系。對于不參與運動仿真的零部件盡量的完全固定住，減少冗余的約束 。 (2) 設(shè)定零件 之間的驅(qū)動關(guān)系， 在運動部件上 施加直線或者旋轉(zhuǎn)馬達(dá)動力?？紤]各種摩擦、阻尼、引力、碰撞等影響因素。 (3) 設(shè)置正確的仿真參數(shù)，進(jìn)行運動算例計算，運動仿真。 (4) 輸出所需要的仿真結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計。 本節(jié)中，采用運動分析算例來 對 升降盤機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真，從而驗證電機(jī)選型，并可以在運動仿真中檢查運動過程的干涉。 (1) 添加約束 在裝配模塊下直接進(jìn)入仿真環(huán)境，選擇運動分析算例，根據(jù)升降盤運動的實際情況，分配 零件之間不同的約束關(guān)系。升盤絲杠由絲桿轉(zhuǎn)動帶動螺帽的上下運動，再 通過各個零部件之間的約束關(guān)系來模擬升降盤 裝 配關(guān)系 。 SolidWorks 中通過約束定義零件運動，而約束指的 是剛性物體之間的連接或相對運動。運動算例中的約束都是理想化的、剛性的，在 SolidWorks 裝配體中建立的裝配配合關(guān)系，進(jìn)入仿真環(huán)境后依然可以作為約束來約束零件，所有的配合關(guān)系都視為一個運動約束，即約束映射。這也就是 SolidWorks Motion 中運動分析計算快捷的原因之一，避免了在導(dǎo)入其他運動分析軟件后配合關(guān)系都丟失而又重新建立約束關(guān)系的麻煩。 運動副的類型一方面有軟件根據(jù)零件的特征來自主判斷，另一方面要求設(shè)計者裝配時必須清楚零件的預(yù)計運動 特性，選擇適當(dāng)?shù)呐浜霞s束，根據(jù)升降盤機(jī)構(gòu)運動特點，選擇導(dǎo)桿與直線軸承之間為移動副，滾珠絲桿與螺帽之間為螺旋副。 (2) 運動副設(shè)置 在確立各運動副相互之間的運動約束，使其符合運動的邏輯順序之后，可通過鼠標(biāo)的拖曳來觀察各運動副之間的關(guān)系，然后利用碰撞干涉檢查來檢查各運動副的裝配。要盡可能真實的模擬機(jī)構(gòu)在運動中的情況，還要定義運動約束之間各零件的相互影響，將相互接觸或運動中能夠接觸到的零件定義為 3D 接觸，如果零件之間沒有定義接觸的話，在運動過程中零件與零件之間會相互穿過， 3D 接觸即把零件定義為剛性，以傳遞驅(qū)動。 3D 接觸屬性包括定義零件材質(zhì)、定義摩擦以及彈性屬性。零件材料可以直接在零件屬性中指定，當(dāng)選擇了材料后，自動生成零件的密度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)等參數(shù)。亦可以在定義 3D 接觸時來指定材料，以導(dǎo)桿與直線軸承為例，其材質(zhì)指定為 Steel(Dry)，其動態(tài)摩擦速度 VK=，動態(tài) 21 摩擦系數(shù)從 μ K=，靜態(tài)摩擦速度 VS=10mm/s，靜態(tài)摩擦系數(shù) μ S=，剛度為，指數(shù) ，最大阻尼 (mm/s)，穿透度 ，恢復(fù)系數(shù) 。具體的接觸定義見 圖 。 圖 3D 接觸設(shè)置 （ 3）驅(qū)動與負(fù)載設(shè)置 在之前的虛擬裝配中，已經(jīng)利用機(jī)械配合關(guān)系定義了滾珠絲桿與絲杠螺帽之間的螺旋裝配關(guān)系，即絲桿的轉(zhuǎn)動能驅(qū)動螺帽上下運動， 如此在 進(jìn)行運動仿真時，即可在絲桿上施加驅(qū)動，來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的作用。 SolidWorks Motion 之中驅(qū)動有兩種：直線馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，來對基本運動進(jìn)行定義。本節(jié)中施加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，可以定義馬達(dá)的類型與速度。 在升盤結(jié)構(gòu)中，托板上方放置空電池盤，實際的運動仿真中可以用施加在托板的力來代替空電池盤重量。運動分析算 例中提供了線性力和扭轉(zhuǎn)力兩種類型 的載荷 ，在此例中可施加向下的恒定力來實現(xiàn)負(fù)載，具體的驅(qū)動與負(fù)載設(shè)置見 圖 和 圖 。 扣式電池分盤機(jī)的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 22 圖 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)設(shè)置 圖 負(fù)載力設(shè)置 (4) 仿真與結(jié)果分析 在設(shè)置好驅(qū)動與負(fù)載后，即可進(jìn)行仿真分析，其中設(shè)置仿真參數(shù)包括基本的運動參數(shù)和解算器參數(shù)。運動分析每秒幀數(shù)設(shè)為 25，此值乘以動畫的長度 即為 要捕捉的總幀數(shù)。 3D 接觸分辨率和精確接觸的精度采用算例中默認(rèn)值，當(dāng)然，這些值 設(shè)置的越高，仿真結(jié)果也越精確，但是計算速度也越慢。在設(shè)置好基本參數(shù)后， 即可進(jìn)行仿真求解，在運動仿真過程中，觀察模型的動作，如果不滿足要求可以修改仿真參數(shù)。 如圖 是分盤機(jī)運動仿真圖示。 如在出現(xiàn)碰撞干涉或者裝配錯誤， SolidWorks Motion會直觀的顯示出來， 方便 對干涉部分進(jìn)行修改。觀察升盤絲桿運動規(guī)律，對馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行曲線輸出。具體步驟是點擊 結(jié)果和圖解圖標(biāo)，設(shè)置需要得到的數(shù)據(jù)類型，選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，則可得到馬達(dá)的轉(zhuǎn)動力矩參數(shù)曲線。 圖 升盤運動仿真 23 圖 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)仿真力矩曲線 圖 是運動仿 真分析得出的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)力矩曲線，分析可知，在仿真 運動過程中，馬達(dá) 輸出力矩在 — M 之間，滿足選用步進(jìn)電機(jī)的保持力矩的范圍，如果再選更小型號的電機(jī)，則不能滿足使用要求。 SolidWorks Motion 中進(jìn)行運動仿真也可以根據(jù)結(jié)果需要設(shè)置目標(biāo)零部件的位移、速度、加速度曲線等。 本章小結(jié) 本章首先根據(jù)在企業(yè) 所 調(diào)研的典型的分盤結(jié)構(gòu)，汲取其 設(shè)計 優(yōu)點 ，對分盤機(jī)主要的分盤機(jī)構(gòu)和升降盤機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 設(shè)計，并利用 SolidWorks 設(shè)計軟件對其 進(jìn)行了建模，并對主要的元件進(jìn)行了選型。然后將建好了零件模型進(jìn)行 裝配成虛擬樣機(jī)，期間采用了自上而下和自下而 上的裝配設(shè)計方法。在形成虛擬樣機(jī)之后，進(jìn)入 SolidWorks Motion 仿真環(huán)境進(jìn)行了運動仿真，對主要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真曲線輸出，優(yōu)化設(shè)計。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行運動仿真，提高設(shè)計性能，減少了設(shè)計中的錯誤，節(jié)省了設(shè)計周期。同時，利用 SolidWorks 軟件進(jìn)行造型仿真，也對下一步的分盤機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計 、 機(jī)電一體化聯(lián)合仿真工作打下基礎(chǔ)。 扣式電池分盤機(jī)的實體模型監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究 24 25 第三章 分盤機(jī) 電氣 控制系統(tǒng)設(shè)計 隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子 技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域已有了翻天覆地的變化，工業(yè)機(jī)械設(shè)備由 原先的繼電器控制向著更高的自動化、智能 化控制發(fā)展。 可編程控制器 （ PLC） 將計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體， 越來越多的用于工業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng) ，它具 有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、組織靈活、編程簡單、維修方便等諸多優(yōu)點， 成為工業(yè)領(lǐng)域的三大支柱技術(shù)（ PLC、機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)）之一 [23]。 導(dǎo)師一直以來所致力研究的鋰錳扣式電池組裝生產(chǎn)線自動化程度高，運用了大量的傳感器、電磁閥及步進(jìn)、伺服電機(jī)，動作頻繁復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運算速度 都有比較高的 要求， 故需 選取 PLC 作為生產(chǎn)線控制系統(tǒng)核心。本課題中研究的電池自動分盤機(jī)作為生產(chǎn)線的一部分，要求同 前部分設(shè)備使用同一控制系統(tǒng)，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣復(fù)雜。本文對分盤機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，提出了一種多個可編程控制器之間的協(xié)同編程方法，具有一定的指導(dǎo)意義，