基于ADAMS的落砂調節機構創新設計及性能分析

徐立峰，張 雷，黃積朋

（1. 上海空間推進研究所，上海 201112 ；2. 上海理工大學，上海 200093）

0 引言

隨著現代機械加工的發展及各種新型材料的不斷出現，對加工精度和表面粗糙度要求越來越高，其相應地發展了先進的磨削技術和磨具，而涂附磨具也向著更高效、高壽命和超精密的方向發展[1]。靜電植砂設備是生產涂附磨具的一種新型設備，它主要由激振器、電場調節機構和落砂調節機構來組成。落砂調節機構是對落砂量進行無級調速，在整個靜電植砂設備中起著重要的作用。落砂量影響著植砂密度，落砂均勻度影響著植砂均勻度。

虛擬樣機技術是一種利用計算機模型來代替物理模型，分析研究實際產品的各種特效的新技術，利用虛擬樣機技術可以使設計的產品在概念設計時期迅速地進行分析、比較各種設計方式，獲得最優工作性能。同時減少了對物理樣機的束縛，節省制造時間、提升了產品的性能[2,3]。

本文對某新型振動落砂調節機構的工作原理進行了研究，用振動板取代落砂輥，設計了利用氣缸來粗略控制、用砂刀進行精細控制落砂量的新式調節機構。用So lidw orks軟件完成了落砂調節機構的模型設計，將模型導入ADAMS中建立虛擬樣機，并對落砂調節機構進行了運動學仿真，驗證了落砂調節機構的設計情況，為后續的研究提供有效依據。

1 工作原理

落砂調節裝置主要由長軸、轉動塊、限流板、砂刀、連接桿和擺桿組成。創建零件圖并進行裝配，結構圖如圖1所示。轉動塊固定安裝在砂斗的兩端，長軸安裝于轉動塊中，與之形成轉動副，跟擺桿固定連接。限流板通過連接桿與長軸相連，使限流板位于砂斗與激振板所形成的落砂口的正前方，砂刀通過螺栓與限流桿固接，振動板通過懸片固定連接在砂斗兩端面上。

圖1 落砂調節裝置的機械結構

控制氣缸行程可以帶動擺桿轉動，限流板會隨著以長軸為旋轉中心，以一定半徑在較小的角度范圍內轉動，這樣就可調節限流板至落砂口的距離，起到控制落砂量的作用。

控制氣缸調節裝置可以基本實現控制落砂量的功能，但局限于氣缸的靈敏度，上述結構只能進行粗略調節，當限流板到落砂口的距離與理想距離比較接近時，還需用砂刀進行精細調節。砂刀調節裝置主要由固定螺母、進給螺栓、后退螺栓與限流板相連，進給螺栓為中空結構，其外徑為螺紋，內徑為光孔。砂刀與限流板的示意圖如圖2所示。砂刀是落砂系統中與砂粒直接接觸的部件，刃口應該有很好的直線度，在調節過程中，能夠始終保持與激振板保持均勻的縫隙。

圖2 砂刀裝配圖

若要增加落砂量，先松開固定螺栓，接著松開進給螺栓至合適位置，再擰緊后退螺栓，最后擰緊固定螺母防止落砂松開，微調完畢；若要減小落砂量，則先松開固定螺母，再由進給螺栓實現砂刀的進給量，滿足要求后，擰緊固定螺母即可完成微調。

2 落砂調節機構的創新設計

傳統的落砂方式主要有落砂輥式、刮片式和自由落體式[4]，直到上世紀90年代之前都采用相對較好的輥式落砂機構。輥式落砂機構主要由落砂輥、砂刀、沙箱組成，其結構如圖3所示。輥式落砂機構是利用落砂輥轉速的變化，以及落砂輥與砂刀之間的間隙變化的調整來得到不同的落砂量。

圖3 輥式落砂調節機構

圖4 振動落砂調節機構

這種落砂調節機構結構比較簡單，但是由于落砂輥與沙箱兩面均有間隙，在落砂過程中非落料口的另一側也會出現落砂現象，而且長期運作時落砂輥表面會與砂粒接觸磨損產生凹凸不平，影響落砂輥的使用壽命。落砂輥旋轉過快的時候，落砂口容易堵砂，形成很高的阻抗，從而很難控制落砂的均勻度，很大程度上影響生產效率和產品質量。

新式的振動落砂機構如圖4所示，用振動板取代了落砂輥，通過不斷激振，可以避免堵砂現象。振動板傾斜設計，可以保證砂落入振動板表面時，因為重力與振動板表面力的共同作用下產生指向落砂口的力，從而可以避免兩端漏砂現象。

新式落砂調節機構相比傳統落砂機構，避免了因磨損、堵砂、漏砂等現象，利用氣缸和連桿機構對落砂進行粗略調整并且用砂刀進給進行微調，大大提高了落砂的均勻度，從而提高了產品質量，延長了落砂機構使用壽命。

3 落砂調節機構運動仿真

ADAMS是美國MDI公司(Mechanical Dynam ics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件[5]，利用ADAMS軟件可以建立計算機模型來代替物理樣機，從而可以很方便快捷的對物理樣機進行運動學、動力學分析。

3.1 建立虛擬樣機

ADAMS支持的格式主要有stp，x_t，igs，cm d等，將So lidw orks建立的落砂調節裝置的三維模型另存為Paraso lid(*.x_t)格式，從ADAMS里選擇要導入的x_t文件。

3.2 添加約束和驅動

該機構在ADAMS 中建立的虛擬樣機模型并施加約束與驅動，轉動塊與長軸之間添加旋轉副，連桿下表面與限流桿的上表面添加接觸副，氣缸的直線運動可以用長軸端部中心添加旋轉驅動來進行替換，約束與驅動添加如圖5所示。仿真時間為4s，步長為150，驅動函數為0.523-ATAN（（80-10*TIME）/138.564）。

圖5 添加約束和驅動

3.3 落砂調節機構的運動學分析

由于安裝時擺桿與地面的夾角為30度，控制氣缸使限流桿和砂刀旋轉30度的時候，砂刀已保持豎直方向，超過30度的轉動對落砂的速度沒有作用，故對旋轉的角度進行了仿真。進入ADAMS/Post Processor后處理模塊，仿真圖形如圖6所示。

圖6 限流板轉動角度

由圖6可以看出氣缸在行程內，限流板轉動的角度為27度，在要求范圍之內，可以有效的控制落砂量。砂刀與落砂口之間的距離控制對落砂的速度和均勻性有很大的影響，距離越大落砂的速度也就越快。因此，對砂刀與落砂口之間的位移研究有著重要意義，位移仿真結果如圖7所示。

圖7 砂刀與落砂口之間的位移

由圖7中的曲線結果可知，砂刀與落砂口之間的距離是一條連續的曲線，最小距離為0mm，最大距離為90mm，砂粒的體積很小，通常粒度在10-3mm的數量級，通過仿真結果我們可以看出來，砂刀與落砂口的距離可以在一個較為寬泛的位移區間進行選擇，可以有效的根據實際需求來設置氣缸參數，從而生產不同密度的涂附磨具。

3.4 落砂調節機構的動力學分析

長軸與轉動塊之間由于承受著限流板、連桿和砂刀的重量，還存在著旋轉副，很容易失效。需對長軸與轉動塊之間的接觸力進行仿真分析。

圖8 長軸與轉動塊接觸力

從圖8中可以看出，長軸接觸面受最大力Fx=4.8×102N , Fy= 1.8×103N，Y方向的接觸力變化最大，在設計分析的時候應對其進行強度校核；Z方向即軸向力很小，幾乎為0，當激振器縱向振動的時候，軸向力會有變化；X方向的力方向與運動方向相反，大小比Y方向的小。這些參數為擺桿、連桿、長軸的尺寸設計、材料的選取以及受力變形、疲勞壽命的研究提供了可靠的依據。長期工作之后，長軸會因為Y方向的力過大，產生彎曲變形，從而跟連桿之間產生過大的阻抗，破壞旋轉副，可以通過增加連桿個數的方法，來減輕分擔因為重力產生的接觸力過大。

4 結束語

本文對振動落砂調節機構進行了創新設計，與傳統的落紗調節機構相比較，該機構具有落紗均勻度高、使用壽命長等優點，并且實現了落砂裝置的無級調速功能。利用ADAMS完成了落砂調節機構進行運動學和動力學仿真，得到相關的性能參數，通過對仿真結果分析，直觀的了解設備的整體構造和運動過程，縮短了設備的研究時間和成本。該機構已投入實際生產制造，通過氣缸控制可以很好的調節落砂量，再利用砂刀來進行微調，可以有效地實現漏沙的無級調速功能，取得了令人滿意的效果。

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