基于UG的涡流硬度检测台的研制与仿真分析 -(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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1、主机 2、检测探头 3、打标系统 4、工件 5、升降台
6、控制面板 7、机架 8、气动系统 9、PLC控制器 10、托架
图1 UG建立三维模型

4、检测台的仿真与分析
对该硬度检测台的仿真主要使用UG软件提供的UG/MOTION模块和UG/SCENARIO FOR STRUCTURES模块进行动力学仿真和有限元分析，可以方便快捷地得到产品可视化效果和一些重要数据。检测台在检测过程中由于升降台运动到传感器时会对探头护圈有个冲击力作用，所以要设计好升降台速度，以避免冲击力过大而损坏护圈，从而影响检测结果。根据仿真所得数据对虚拟样机进行实验评价，大大简化了物理测试实验过程，有效地缩短产品的开发周期，大幅度低产品的开发成本。

4.1、检测台的动力学仿真
在UG/MOTION模块里建立运动学模型，由于研究的是升降台与传感器护圈的接触问题，所以只对主要部件分别建立连杆和约束。建立的约束为：升降台与气缸间的滑动副；传感器对地固定；螺钉与护圈的圆柱副；护圈与升降台的3D接触副。3D接触副中的参数设置根据手册查得：STEEL与POLYURETHENE-HARD的接触刚度为3807.762N/mm，阻尼为1.52N－sec/mm,力指数为2，凹陷深度为0.1mm。采用不同速度来对机构进行动力学仿真分析来得到升降台与探头护圈之间的瞬间碰撞力数值。速度值如图3、4所示，用Step函数写入升降台运动副中，护圈与升降台产生的碰撞力如图5、6所示。

图3 速度1

图4 速度2

采用图3速度运行时间为5秒，护圈受力为1000N；用图4速度则运行时间为10秒，护圈受力为250N，这就需要考虑到底选用哪个方案比较合适的问题，既要保证检测速度又不能损坏仪器，所以采用有限元方法将得到的这些数据用在对护圈结构分析及连接螺钉的校验中。

图5 速度1产生的碰撞力

图6 速度2产生的碰撞力

4.2、检测台的有限元分析
在UG/SCENARIO FOR STRUCTURES模块中由前面动力学分析得到的结果，可以对检测台中的主要部件进行进一步分析。
4.2.1、轴承座的模态分析
轴承座在工作过程中要承受交变、振动及冲击等载荷，所以有必要对其进行模态分析。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼和模态振型。利用UG/SCENARIO FOR STRUCTURES前后处理器和StructuresP.E解算器对轴承座进行固有频率和固有振型的计算。采用10节点四面体单元(Tetral10)，对轴承座4个孔加固定的边界约束后的前六阶固有频率及具体振型如图7所示。从前六阶模态分析看，主要是圆柱部分的变形，振型最大发生在第五阶，频率为1.249e4HZ，最大位移为1.427mm。这一阶模态对工件动态特性影响较大，在实际工作中应尽量避开该频率以免轴承座损坏。

图7 轴承座前六阶振型

4.2.2、护圈的有限元分析
在动力学分析部分已经得到了不同速度引起冲击力的数值，下面就将在结构分析模块对护圈应力应变进行考察，以选取合适的进给速度。在护圈中心圆柱部分加固定约束，护圈底面加相应的面载荷，得到的护圈应力应变如图8所示。从图中可以看出，当护圈底面受250N力时应变最大位移值为8.157e-3mm，应力最大为4.486e-1Mpa；当受力为1000N时，对应的应变最大位移值为3.263e-2mm，应力最大为1.794Mpa。POLYURETHENE-HARD材料的屈曲强度为82Mpa，两种方案都远远满足要求。另外，前面所提到的检测距离要求在0.l~0.2mm，在这两种情况下都能满足，护圈的变形没有超出范围。看来选用方案(1)(即护圈受力1000N，进给时间为5s)较合适，可还需要对护圈与探头连接螺钉进行校验，看是否也满足要求。
4.2.3、螺钉的有限元分析
设计方案中用3个GB845-85十字槽盘头自攻螺钉均布在护圈圆柱部分，与托架相连接。下面就将用上述数据对这3个螺钉进行校验。对模型进行简化，只提取1/4的模型，边界约束条件为：里圈为托架支杆加固定约束；外圈为护圈底面加面力，其值为碰撞力的1/4；护圈与螺钉约束x、z轴自由度；图9所示为护圈受力1000N，250N时的螺钉应力图。螺钉选用材料为Q235，屈服极限为235Mpa，取安全系数n=2，所以许用应力[σ]=117.5Mpa。在图a)中，螺钉所受应力σmax=4.334Mpa，σmax>[σ]，明显超出了许用范围；而方案(2)下螺钉所受应力为σmax=7.649 Mpa，σmax<[σ]满足强度要求。所以，即便是采用方案(1)能够加快进给速度，但螺钉所受的冲击超出许用范围不能采纳，相反方案(2)虽然进给速度较方案(1)要慢，但保证了螺钉的设计要求，所以应该选用方案(2)(即进给时间为10s)对检测台进行设计。

图9 1000N下螺钉应力应变

5、结论
本检测台的设计基于虚拟样机技术，利用UG软件的强大功能并充分发挥建模、运动分析、结构分析各个模块的特点，很好地模拟了检测过程中存在的接触碰撞问题，分析比较所得到的结果数据，选择合适的设计方案，检验了设计的合理性。采用UG软件对产品投产前虚拟样机的设计与分析检验，从而有效地缩短了开发周期及减少开发成本，取得了很好的实际效果。