在 Ansys Motion 中创建链式伸缩臂的分步指南

介绍

链传动在负载和/或运动要远距离传递的机器中非常多产，例如，在两个平行轴之间。链条驱动系统的设计需要了解载荷传递和运动学如何影响链条张力、轴轴承中的悬臂载荷、轴应力和运动质量等。使用 Ansys Motion，可以轻松回答上述所有问题以及更多问题。在本文中，我们将提供在 Ansys Workbench Mechanical 中使用 Ansys Motion 和 Links Toolkit 创建链驱动伸缩臂组件的分步说明。

模型设置

开始组装

我们将用作起点的模型如下所示：

 

顶部（绿色）伸缩臂相对于固定底座滑动。从动链轮和从动链轮由链条连接，未显示，但要使用 Motion Links Toolkit 创建，该链条将固定在标明为“固定到链”的柱子上。此处，所有实体都是刚性的（在 Motion 中默认为），但如果需要，可以作为柔性实体进行分析。底座和伸缩臂由两个无摩擦的平移接头连接;如果需要，可以将摩擦效应添加到模型中的任何关节中。

链传动

链传动将使用 Ansys Motion Links Toolkit 在 Ansys Workbench 中生成。因此，将定义一组虚拟链接，这些链接将为 Links Assembler 提供有关链如何连接的信息。定义虚拟链接后，添加链轮尺寸和间距以及接触定义基本上就是生成链所需的全部内容。以下分步说明详细介绍了链生成过程。

虚拟链接

虚拟链接是一对 1 个内链节和一个 1 个外链节，其中嵌入了连接定义。虚拟链接对分析没有帮助，因此它们通常被放置在空间中，并在定义后隐藏起来。以下是外部和连接的虚拟链接的图像：

 

为了连接链接，两个虚拟链接都需要具有相同方向的关联坐标系，其中 Z 轴为旋转轴，位于链接的中心。下图显示了示例模型中使用的虚拟坐标系：

 

最后，需要一个 命名选择 来定义将接触链轮的链节的面，定义如下：

 

链轮

链传动中的每个链轮还需要一个坐标系，该坐标系的 Z 轴沿旋转轴，XY 平面穿过齿的中心平面。链轮坐标系如下所示：

 

此外，将与链节接触的链轮齿槽面需要收集在命名选择中，定义如下：

 

 

Links Toolkit 菜单

下图显示了使用 Mechanical 中 Motion Ribbon 选项卡中的 Links Toolkit 菜单创建的对象：

 

路径

由于链传动中有两个链轮，因此需要有两个具有相同 Direction 的 Path 对象，在本例中为 Counterclockwise。链轮的 Radius 是节距半径。以下两个图像显示了 Driving sprocket 和 driven sprocket Path 对象的定义：

 

 

段

线段为 Links Assembler 提供必要的尺寸、接触区域和坐标系。外部段和连接段的定义如下所示：

 

Segment Length 是连杆销钉中心轴之间的距离，Segment Heights （1 和 2） 是连接坐标系与连接连杆外表面之间的距离。在这种情况下，连接连接的总宽度为 8.72 mm，因此 段高度 被视为一半，因为连接坐标系为质心。

链接汇编器

定义 Paths 和 Segments 后，Links Assembler 将所有内容拼接在一起并构建链几何图形。下图显示了如何在 Links Assembler 中填充 Paths 和 Segments 表：

 

填充这些表后，在创建几何体之前，Links Assembler 仍将不完整。但是，几何图形的创建将等待 Path to Segment Contact 和 Segment to Segment Connections 对象定义完毕。

Segment Contact 的路径

路径 Segment Contact 定义如以下两个图像所示：

 

Segment 到 Segment 连接

Segment to Segment Connections 定义链接的连接方式。对于具有两个单独链接的链，需要两个 Segment to Segment Connection （SSC） 对象。在这两个 SSC 对象中，连接类型 Joint 或 Contact 应相同。当类型 = 关节时，使用衬套关节;这些允许在不使用柔性体的情况下在链条中应用一些灵活性。下图显示了默认的衬套刚度值，我们在此示例中使用该值：

 

最后，Reference 和 Mobile 段的定义如下所示，请注意，它们在每个相应的 SSC 对象中只是相反的：

 

创建链接几何图形

现在，所有必需的对象都已定义完毕，并且要创建链几何图形。在这里，我们看到为此示例创建了 180 个链接。

 

创建链条几何图形后，最好检查链轮齿是否与链条正确对齐，以避免初始过度穿透。在我们的示例模型中，零件变换用于将链轮旋转到正确的位置。

运动定义和伸缩臂连接

此时，链轮链组件完成。现在，有必要定义驱动链条并提供伸缩臂运动的关节和运动驱动器。

关节

需要以下铰接来完成机构布局：

驱动链轮到 Rail Revolute
从动链轮到轨道旋转
扶轨到基座平移
Rail 到 Slider 平移
基地到地面	体到地面，未显示

 

驱动链轮运动功能和关节载荷属性

在这个例子中，我们将规定驱动链轮的旋转接头的角速度。这是通过使用函数表达式将 Joint Load Properties 添加到关节来实现的，该表达式以数学方式定义角速度。我们规定它的函数表达式如下所示：

 

接下来，我们插入一个 Joint Load Properties 对象，其中包含以下详细信息：

 

最后，我们创建另一个 Function Expression 来输出驱动链轮的角速度，该角速度可以作为 Custom Result 后处理对象进行检索。定义和详细信息如下所示：

 

然后，可以使用 Custom Result 对象获取本节顶部图中显示的图形。此外，这种函数表达式/自定义结果方法是获取任何感兴趣的运动学或动力学量的方法，其详细信息请参阅《运动预处理器指南》。

联系人属性 （可选）

在 Ansys Motion 中，Contact Properties 和 Contact Friction Properties 允许对接触行为进行可选的微调。在此示例中，添加了 Contact Properties 和 Contact Friction Properties （接触摩擦属性），几乎使用了所有默认值，其详细信息如下所示：

 

检查链运动

在将链条连接到底座和伸缩臂之前，最好运行仿真以检查链条传动是否按预期工作。这是一个显示功能链传动的视频：

 

将链条连接到底座和伸缩臂

要将链条连接到底座和伸缩臂，只需在链节和基座面之间创建固定体-体关节即可。两个关节定义如下所示，请注意，尽管很难看到，但链节和基座的两个相对面都被选中了：

 

这样就完成了模型设置。

最终结果

结论

在本博客中，我们提供了使用 Ansys Motion Links Toolkit 创建链传动的分步过程。此外，我们还详细介绍了如何利用链传动来驱动伸缩臂。本文展示了使用 Ansys Motion 创建刚体动力学模型是多么简单;相同的程序可用于创建皮带传动系统。最后，此过程可以根据需要轻松扩展到两个以上的链轮（或滑轮）。