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        胎面翻轉機構的翻轉分析及ADAMS仿真

        2017-02-21 20:51:10殷國良尤波許家忠
        哈爾濱理工大學學報 2016年6期
        關鍵詞:仿真

        殷國良 尤波 許家忠

        摘要:作為輪胎胎面拾取系統(tǒng)的重要組成部分,胎面翻轉機構翻轉胎面的效果直接影響胎面質(zhì)量及生產(chǎn)效率.給出一種新型胎面翻轉機構,為了探討影響翻轉效果因素及影響關系,對胎面翻轉過程進行了運動學分析,從理論上推斷出不同參數(shù)對翻轉效果產(chǎn)生的影響;并利用機械動力學仿真軟件ADAMs建立了胎面翻轉機構仿真模型,通過改變翻轉速度、摩擦系數(shù)等參數(shù),對胎面翻轉過程進行了不同控制條件下的仿真.研究了翻轉速度、摩擦系數(shù)等因素對翻轉效果的影響規(guī)律,為翻轉電機選型、確定翻轉速度控制規(guī)律以及翻轉機構摩擦系數(shù)和材料的選擇提供了參考和依據(jù)。

        關鍵詞:胎面翻轉機構;運動學分析;ADAMS;仿真

        DoI:10.15938/j.jhust.2016.06.019

        中圖分類號:TP391.9

        文獻標志碼:A

        文章編號:1007-2683(2016)06-0100-06

        0.引言

        隨著自動化程度的提高,笨拙的由人工在輪胎胎面生產(chǎn)線上收取胎面的方式正逐步被淘汰,取而代之的是輪胎胎面自動收取系統(tǒng),它不僅可以降低工人的勞動強度,提高生產(chǎn)效率,還能提高胎面的質(zhì)量,胎面翻轉機構作為輪胎胎面自動收取系統(tǒng)的一部分,負責把原生產(chǎn)線擠壓出來的覆面朝下的胎面翻轉180°,使之覆面朝上,落到承接裝置上,目前國內(nèi)外胎面翻轉機構大多依賴真空吸盤的吸附作用,在胎面翻轉過程中,通過將吸盤抽成真空,產(chǎn)生的吸附力吸住胎面,從而保證胎面被平穩(wěn)的翻轉,然而由于單個吸盤的吸附面積及產(chǎn)生的吸附力較小,因此必須采用大量密集分布的吸盤才能滿足要求,這無疑增加了生產(chǎn)成本及維護難度,難以滿足當今企業(yè)發(fā)展的要求,因此對不依賴吸盤的胎面翻轉機構的研究便顯得很有價值。

        ADAMS(automatic dynamic analysis of mechani-cal systems)軟件是基于虛擬樣機技術的多體動力學仿真軟件,它可以使產(chǎn)品設計不依賴于實體樣機,給設備的調(diào)試和實驗數(shù)據(jù)的分析帶來極大方便,本文以ADAMS軟件建立一種沒有吸盤的胎面翻轉機構模型,通過控制翻轉速度、摩擦系數(shù)等參數(shù)對胎面翻轉過程進行運動仿真,分析翻轉速度、摩擦系數(shù)等因素對翻轉效果的影響,得出影響規(guī)律,為尋找胎面最佳翻轉效果提供依據(jù)。

        1.胎面翻轉機構的工作原理及運動學分析

        1.1工作原理

        本文設計和研究的胎面翻轉機構結構簡圖如圖1(a)所示,工作時電機驅動翻轉機構旋轉180°,使胎面從水平位置翻轉180°之后落到承接裝置上,翻轉過程中應保證胎面相對托架不存在分離、墜落、滑動等情況,或者胎面與托架之間雖有分離、滑動情況,但趨勢很小,不影響正常翻轉,整個翻轉過程應穩(wěn)定可靠的進行,使胎面平穩(wěn)的完成翻轉動作,達到最佳翻轉效果,翻轉過程運動簡圖如圖1(b)所示。

        1.2翻轉過程運動學分析

        翻轉過程中不同階段胎面受力情況各不相同,因此,對翻轉過程不同階段胎面受力及運動情況進行分析,確定其受力及運動情況隨翻轉角度變化的規(guī)律,為最佳翻轉過程的運動規(guī)劃提供一定的參考和依據(jù),具體可以將胎面翻轉過程分為3個階段,小于90°階段,等于90°階段,90°~180°階段。

        1.2.1小于90°階段

        胎面翻轉角度小于90°階段受力情況如圖2所示。

        由此可知,翻轉機構加減速時間之比應足夠大,以克服90°之后胎面重力加速度對胎面翻轉的影響,使支持力N保持不小于0的狀態(tài)足夠長,以使胎面盡可能晚的從翻轉機構上脫落;同時應通過增大翻轉角速度和摩擦系數(shù)等參數(shù),以增加胎面翻轉所需的向心力,保證胎面與翻轉機構之間相對滑動趨勢最小,從而達到最佳的翻轉效果。

        1.3運動學分析總結

        通過以上的運動學分析可推測,翻轉速度、摩擦系數(shù)、翻轉過程中加減速時間之比是影響翻轉效果的主要因素.速度越大,則翻轉所需的向心力越大,胎面才不會因為向心力不足而從翻轉機構上滑落;摩擦系數(shù)越高,則所能提供的向心力越大,越能滿足最佳翻轉過程的需要;翻轉過程中加減速時間之比越大,則胎面重力加速度對翻轉的影響越小,翻轉效果越佳。

        2.胎面翻轉機構建模與仿真分析

        2.1仿真模型的建立

        由于ADAMS軟件對復雜機構建模的效果差、速度慢,因此沒有必要按照胎面翻轉機構的實體形狀對其進行建模,這里對胎面翻轉機構進行結構簡化,在ADAMS軟件中,分別用四個長方體構件作為胎面翻轉機構的翻轉托架、外側擋板、胎面翻轉之后的承接裝置及胎面,并按照實際情況對各部件的位置進行分配。

        2.2約束和驅動的添加

        實體模型建立完成之后,根據(jù)胎面翻轉機構各部件之間的連接關系和實際工況添加約束和驅動,在翻轉機構和大地之間添加旋轉副(joint)和電機驅動(motion),用于帶動翻轉機構繞著中心點旋轉;在翻轉機構和胎面間添加接觸力(contact),用于模擬實際接觸狀態(tài);最終建立的胎面翻轉機構仿真模型如圖5所示,其中水平方向為坐標系的x軸,豎直方向為坐標系的Y軸。

        2.3仿真與結果分析

        通過改變電機的速度(在motion中改變)及胎面與翻轉機構問的摩擦系數(shù)u(在接觸力contact中改變),對不同翻轉速度及摩擦系數(shù)下的胎面翻轉過程進行運動仿真,通過ADAMS的Measure建立兩個測量,分別為胎面相對翻轉機構在x軸方向上偏移量的測量AX,以及胎面外側相對翻轉機構在y軸方向上偏移量的測量AY,在ADAMS/PostProces-sor中加載不同摩擦系數(shù)及翻轉速度下的測量曲線,并進行對比分析,研究不同因素對翻轉效果的影響規(guī)律。

        2.3.1摩擦系數(shù)對胎面翻轉效果的影響

        將仿真模型中motion速度函數(shù)設置為STEP(time,0,0d,1,300d)+STEP(time,1,0d,1.2,-300d),仿真時間設為1.3秒,仿真步數(shù)設為200步,對摩擦系數(shù)為0、0.5、20三種情況下的翻轉過程分別進行仿真,研究在翻轉速度曲線相同的情況下,摩擦系數(shù)對翻轉過程產(chǎn)生的影響,得到的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示(其中,JOINT 1-angle為翻轉角度,turn-t001.CM_Angular_Velocity.Mag為翻轉速度,horizon-taldistance為AX,verticaldistance為AY)。

        由圖可知,摩擦系數(shù)為0時,當翻轉角度為10°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為350mm;摩擦系數(shù)為0.5時,當翻轉角度為50°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為150mm;摩擦系數(shù)為20時,當翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為75mm。

        可以看出,在翻轉速度曲線一致的情況下,摩擦系數(shù)越高,翻轉過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后,偏移量AY越小,翻轉效果俞佳。

        仿真結果驗證了動力學分析的正確性:摩擦系數(shù)越大,胎面所受到垂直于翻轉方向的最大靜摩擦力越大,則胎面所受到的指向翻轉中心的合力越趨近于翻轉所需的向心力,越能滿足翻轉過程中對向心力的要求,從而有效降低胎面相對翻轉機構滑落的趨勢,增強翻轉效果。

        另外,由圖可以看出,隨著摩擦系數(shù)的增大,翻轉終止位置偏差AX也隨之增大,這是由于隨著摩擦系數(shù)的減小,仿真過程中胎面脫離翻轉機構的時間也越早,胎面向外拋離的趨勢也會增大,由于翻轉機構外側擋板的存在,阻擋了胎面拋離的路徑,使胎面貼近外側擋板落下,因而翻轉終止位置偏差也越小,但翻轉過程中胎面脫離現(xiàn)象卻十分明顯,對翻轉過程產(chǎn)生嚴重影響。這也表明“摩擦系數(shù)越大,翻轉效果俞佳”是正確的。

        2.3.2速度峰值對胎面翻轉效果的影響

        將摩擦系數(shù)設置為20,分別進行如下仿真,1)將motion速度函數(shù)設置為STEP(time,0,0d,1,300d)+STEP(time,1,0d,1.2,-300d),仿真時間為1.3s,仿真步數(shù)為200步;2)motion函數(shù)為STEP(time,0,0d,0.6,500d)+STEP(time,0.6,0d,0.72,-500d),仿真時間0.73s,仿真步數(shù)為200步;3)motion函數(shù)為STEP(time,0,0d,0.35,900d)+STEP(time,0.35,0d,0.4,-900d),仿真時問為0.4s,仿真步數(shù)為200步;研究在摩擦系數(shù)及翻轉電機加減速趨勢相同的條件下,翻轉速度峰值對翻轉過程產(chǎn)生的影響,得到的數(shù)據(jù)曲線如圖7所示(其中,JOINT 1-angle為翻轉角度,tumt001.CM-Angular-Velocity.Mag為翻轉速度,horizontaldis-tanee為AX,verticaldistance為△Y)。

        由圖可知,速度峰值為300°/s時,當翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為75mm,AX最終值為150mm;速度峰值為500°/s時,當翻轉角度為120°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為35mm,AX最終值為25mm;速度峰值為900°/s時,當翻轉角度為160°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為27mm,AX最終值為5mm。

        可以看出,在摩擦系數(shù)及翻轉電機加減速趨勢相同的情況下,翻轉速度峰值越高,翻轉過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后,偏移量△x及AY越小,翻轉效果俞佳。

        仿真結果驗證了動力學分析的正確性:翻轉速度越小,則胎面翻轉所需向心力也越小,當所需向心力小于作用在胎面上、垂直于翻轉路徑且指向翻轉中心的合力后,胎面將有相對翻轉機構滑落的趨勢,從而影響翻轉效果;而隨著翻轉速度的增大,胎面翻轉所需的向心力也隨之增大,由于翻轉機構外側帶有擋板,因此可滿足胎面翻轉過程中對大的向心力的要求,從而有效降低胎面滑動及脫落的趨勢,提升翻轉效果。

        2.3.3加減速時間之比對胎面翻轉效果的影響

        將摩擦系數(shù)設置為20,仿真時間為0.4秒,仿真步數(shù)為200步,分別進行如下仿真,1)將motion速度函數(shù)設置為STEP(time,0,0d,0.1,900d)+STEP(time,0.1,0d,0.4,-900d);2)motion函數(shù)為STEP(time,0,0d,0.2,900d)+STEP(time,0.2,0d,0.4,-900d);3)motion函數(shù)為STEP(time,0,0d,0.35,900d)+STEP(time,0.35,0d,0.4,-900d);研究在摩擦系數(shù)及翻轉電機速度峰值相同的情況下,加減速時間之比對翻轉過程產(chǎn)生的影響,得到的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示(其中,JOINT_1_angle為翻轉角度,turnt001.CM_Angular-Veloci-ty.Mag為翻轉速度,horizontaldistance為△x,verti-caldistance為AY)。

        由圖可知,當加速時間小于減速時間時,在翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為175mm,△x最終值為140mm;當加速時間等于減速時間時,在翻轉角度為125°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為125mm,△x最終值為60mm;當加速時間大于減速時間時,在翻轉角度為160°左右時胎面有脫離傾向,AY最大值為28mm,△x最終值為5mm。

        可以看出,在摩擦系數(shù)和翻轉速度峰值相同的情況下,翻轉過程中電機加減速時間之比越大,胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后,偏移量△x及AY越小,翻轉效果俞佳。

        仿真結果驗證了動力學分析的正確性:如果加速時間所占比例過小,則在翻轉角度達到90°及大于90°之后,胎面將由于重力及慣性等原因產(chǎn)生平拋、斜拋等狀況,無法完成平穩(wěn)翻轉,而如果增大加速時間所占比例,則可通過翻轉加速度來抵消重力加速度對翻轉過程產(chǎn)生的影響,從而降低胎面相對翻轉機構產(chǎn)生的分離趨勢,使其盡可能平穩(wěn)的完成翻轉。

        3.結論

        本文給出了一種胎面翻轉機構,對翻轉過程進行了運動學分析,提出了影響翻轉效果的因素及影響關系,并利用ADAMS軟件建立了胎面翻轉機構的仿真模型,對胎面翻轉過程進行了不同運動狀態(tài)下的仿真,通過仿真可知,在允許的范圍之內(nèi),胎面與翻轉機構之問的摩擦系數(shù)越大、翻轉電機速度峰值越高、翻轉過程電機加減速時間之比越大,則翻轉效果俞佳.通過仿真建立了摩擦系數(shù)、翻轉速度等因素對翻轉效果的影響規(guī)律,驗證了動力學分析的正確性,為翻轉機構摩擦系數(shù)及材料的選擇、翻轉電機選型及確定翻轉電機速度控制規(guī)律提供了參考和依據(jù)。

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