楊 雷，郭大宏，李亞彬，臧鐵鋼

(1.天奇自動(dòng)化工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于ADAMS的自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

楊 雷1，郭大宏1，李亞彬2，臧鐵鋼2

(1.天奇自動(dòng)化工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187)(2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了提高自適應(yīng)摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎性能，針對(duì)轉(zhuǎn)彎力矩，建立了摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的靜力學(xué)模型，運(yùn)用ADAMS的動(dòng)力學(xué)仿真功能對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎性能和系統(tǒng)的可靠性。

自適應(yīng)摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)彎性能；靜力學(xué)建模；運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，規(guī)模化制造越來越普及，對(duì)自動(dòng)化輸送物流的需求也越來越大。如在汽車生產(chǎn)裝備系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的物流運(yùn)輸方式如帶式、板式和懸掛式物流系統(tǒng)都存在不能轉(zhuǎn)彎、噪聲大和修理不便等問題。而自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)物流方式的多種缺陷，具有高效、柔性、節(jié)能、低噪和便于維修的特點(diǎn)，大大地提高了輸送系統(tǒng)的速度和效率[1，7-8]。

自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是便于轉(zhuǎn)彎，因而其應(yīng)用面很廣，適應(yīng)各種復(fù)雜的地形。然而自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎時(shí)存在明顯的死區(qū)和死點(diǎn)阻力矩較大等缺陷，這主要是由轉(zhuǎn)彎力矩的變化引起的，而影響轉(zhuǎn)彎力矩的因素有很多，如桿長(zhǎng)、軌道轉(zhuǎn)彎半徑、復(fù)位彈簧、擺臂長(zhǎng)度和摩擦機(jī)構(gòu)在軌道上的位置等。因此，可建立靜力學(xué)模型進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性分析、對(duì)自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化桿長(zhǎng)結(jié)構(gòu)等，以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎性能，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及靜力學(xué)模型

自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是采用摩擦輪作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的多維驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它采用多個(gè)摩擦輪分布在軌道上驅(qū)動(dòng)摩擦桿鏈，能適應(yīng)轉(zhuǎn)彎和上下坡等復(fù)雜路段，是一種能連續(xù)高效地傳輸物品的自動(dòng)化物流系統(tǒng)。

自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由軌道、運(yùn)輸桿鏈、多個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器和電控系統(tǒng)等組成。在對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，大部分機(jī)構(gòu)對(duì)仿真結(jié)果沒有影響，因此可以對(duì)現(xiàn)有的自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用UG強(qiáng)大的三維建模功能，建立自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)彎道的靜力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

2.1ADAMS機(jī)構(gòu)導(dǎo)入和建立運(yùn)動(dòng)副

UG作為一個(gè)專業(yè)的CAD建模軟件，可以很方便地建立該摩擦驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)的模型，并按照要求把它們按相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系裝配好。ADAMS/View提供的模型數(shù)據(jù)交換接口有Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等，根據(jù)已建立好的靜力學(xué)模型，可以用最常用的和不容易失真的Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

將模型導(dǎo)入ADAMS后，有些地方不一定符合要求，可以對(duì)模型進(jìn)行合并、求差、求交等，建立一些簡(jiǎn)單的點(diǎn)、曲線和坐標(biāo)等，以輔助運(yùn)動(dòng)約束的建立。加載好約束后的模型如圖2所示。

圖2 ADAMS建立的摩擦驅(qū)動(dòng)模型

2.2摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分布位置對(duì)轉(zhuǎn)彎特性的影響

對(duì)于自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最大的問題在于其轉(zhuǎn)彎死點(diǎn)，因此研究摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的彎道運(yùn)動(dòng)性能至關(guān)重要。對(duì)軌道轉(zhuǎn)彎特性有影響的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是進(jìn)入彎道前一段、彎道中一段和出彎道的一段，如圖3所示。它們?cè)诓煌奈恢脤?duì)轉(zhuǎn)彎特性的影響各不一樣。

圖3 轉(zhuǎn)彎特性分析圖

當(dāng)連系桿通過這些輪時(shí),所受的轉(zhuǎn)彎力矩主要由主摩擦輪和從動(dòng)摩擦輪對(duì)桿扭矩形成，而力矩是由兩輪的壓力和兩輪在延桿方向上間距的乘積所得，兩輪之間的壓力是由復(fù)位彈簧施加的，大小基本不變，所以轉(zhuǎn)彎力矩的變化要取決于兩輪在桿的方向上的間距的變化[2-3，5]。

摩擦桿所受轉(zhuǎn)彎力矩

(1)

式中：FN為彈簧力的大??；LAB為兩輪在桿方向的距離。

對(duì)圖2中的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到輪組1、輪組2和輪組3的間距LAB變化情況，分別如圖4,5,6所示。

從上面的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可知，摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在軌道上的不同位置，對(duì)轉(zhuǎn)彎力矩的影響各不相同[4，6]，當(dāng)LAB>0時(shí)，摩擦桿受阻力臂作用；當(dāng)LAB<0時(shí)，摩擦桿受助力臂作用。第1輪組和第3輪組在彎道之外，其LAB的峰值相對(duì)較小，而第2輪組LAB的峰值很大，說明摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝位置越靠近彎道中間，越有利于桿的轉(zhuǎn)彎。如果彎道半徑太小不宜放置摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)盡量將摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)放在第1輪組處，這樣有利于桿轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生助力臂作用。

圖4 第1輪組間距變化曲線

圖5 第2輪組間距變化曲線

圖6 第3輪組間距變化曲線

2.3桿鏈中桿的長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)彎特性的影響

根據(jù)上面的仿真結(jié)果可知，不同的軌道半徑，可以靈活地分布摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),使其達(dá)到最好的性能。同時(shí)摩擦桿的長(zhǎng)度對(duì)桿在彎道時(shí)的轉(zhuǎn)彎特性也有很大的影響，保持圖2中軌道的半徑不變，縮短桿的長(zhǎng)度形成新的桿鏈，如圖7所示，分析其轉(zhuǎn)彎特性。

對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到桿通過輪組1、輪組2和輪組3時(shí)的各輪組間距變化曲線，如圖8，9，10所示。

將圖4，5，6和圖8，9，10進(jìn)行對(duì)比可知，短桿鏈兩輪間距明顯比長(zhǎng)桿鏈小，說明在軌道半徑一定時(shí)，桿的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎力矩的大小，而且桿在經(jīng)過第1輪組向第2輪組過渡時(shí)，由圖8，9可知，它們相結(jié)合時(shí)更不易產(chǎn)生較大的阻力臂，轉(zhuǎn)彎的死點(diǎn)也就不易形成，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎性能得到提高。

圖7 短桿鏈摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖8 短桿鏈第1輪組間距變化曲線

圖9 短桿鏈第2輪組間距變化曲線

綜上所述，在設(shè)計(jì)或改進(jìn)自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的彎道半徑，然后靈活地設(shè)計(jì)摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安放位置，再調(diào)整桿鏈中桿的長(zhǎng)度，使桿在整個(gè)彎道的力矩變化不存在死點(diǎn)，從而保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎性能最佳。

圖10 短桿鏈第3輪組間距變化曲線

3 結(jié)束語

本文對(duì)自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，找出了傳統(tǒng)摩擦系統(tǒng)的缺陷，得出了軌道的半徑、桿的長(zhǎng)度和摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安放位置對(duì)轉(zhuǎn)彎特性有一定影響的結(jié)論。但該研究工作還可以進(jìn)一步地拓展和深入，可以對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行細(xì)化、進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、進(jìn)行全系統(tǒng)性能分析等，在后續(xù)的研究工作中，可挑選更多相關(guān)影響因素，生成更為豐富和精準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)一步提高自適應(yīng)性摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

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TheDynamicsAnalysisofAdaptiveFrictionDriveSystemBasedonADAMS

YANG Lei1,GUO Dahong1,LI Yabin2,ZANG Tiegang2

(1.Jiangsu Miracle Logistics System Engineering Co., Ltd. , Jiangsu Wuxi, 214187, China)(2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

In order to increase the turning performance in adaptive friction drive system, it establishes the statics model of existing friction drive system based on the turning torque, analyzes the statics and kinematics characteristics based on ADAMS, provides the improvement structure. This increases the turning performance and reliability.

Adaptive Friction Drive System; Turning Performance; Static Modeling; Kinematics Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.04.004

2014-03-28

楊雷(1969—)，男，遼寧海城人，天奇自動(dòng)化工程股份有限公司工程師，碩士，主要從事自動(dòng)化物流裝備的研究。

TH772

A

2095-509X(2014)04-0014-03