鋼帶鎖扣裝置運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)仿真分析

程 銘，許 平，劉 軍，姚 輝，李志鋼

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500;2.金川集團(tuán)有限公司精煉廠，甘肅 金昌 737104)

0 前言

板材打捆機(jī)是自動(dòng)化板材打捆線上的重要組成部分，而自動(dòng)化板材打捆線又是板材乃至有色金屬原材料生產(chǎn)加工的必要生產(chǎn)線。該打捆機(jī)主要包括鋼帶喂線裝置、鋼帶張緊裝置、鋼帶鎖扣裝置、工作面順槽四部分組成。他采用氣壓控制對(duì)打捆用的鋼帶包裝條進(jìn)行鎖扣，彈扣，同時(shí)通過氣動(dòng)馬達(dá)對(duì)包裝條進(jìn)行牽引，從而完成對(duì)堆疊板材的自動(dòng)捆扎。鋼帶鎖扣裝置是打捆機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到打捆機(jī)的可靠性。本論文針對(duì)板材打捆機(jī)鋼帶鎖扣裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論，得出相關(guān)參數(shù)和變化規(guī)律，對(duì)打捆機(jī)的研究和設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 基于Solid Edge模型的建立

圖1為利用Solid Edge(SE)與ADAMS聯(lián)合建模的步驟。在這個(gè)過程中需要不斷反復(fù)地對(duì)模型進(jìn)行修改和校驗(yàn)以及優(yōu)化，使之最終達(dá)到與物理模型一致的效果，使得模型在ADAMS中的仿真能夠可靠進(jìn)行。

圖1 SE與ADAMS聯(lián)合建模步驟Fig.1 Steps of SE and ADAMS joint modeling method

在真實(shí)裝配中鎖扣裝置相關(guān)零件較多，過多的零件不利于ADAMS中的模擬仿真，在不影響仿真結(jié)果和視覺效果的前提下，對(duì)鎖扣裝置外殼及其與機(jī)架的固定支撐點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。多個(gè)零件固結(jié)時(shí)，可以只用一個(gè)零件表示，以節(jié)省運(yùn)動(dòng)副數(shù)量，減少計(jì)算誤差。圖2所示為Solid Edge中簡(jiǎn)化后的打捆機(jī)鎖扣裝置裝配結(jié)構(gòu)。

圖2 鎖扣裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of locking device

2 模型導(dǎo)入ADAMS并進(jìn)行仿真分析

SE軟件提供了3種類型的可與ADAMS/View進(jìn)行圖形交換的文件格式，即IGES、STEP兩種標(biāo)準(zhǔn)圖形交換格式和Parasolid格式。在將模型導(dǎo)入到ADAMS中時(shí)，選擇Parasolid文件格式導(dǎo)入模型。Parasolid文件格式可以與ADAMS相互轉(zhuǎn)換而幾乎不丟失任何信息，而且轉(zhuǎn)換速度較快。

在打開ADAMS時(shí)選擇 Import a file，并在start in中選定parasolid文件的路徑即可將SE輸出的模型導(dǎo)入ADAMS中。導(dǎo)入模型后，各個(gè)零部件沒有質(zhì)量，需要對(duì)各個(gè)零件定義材料屬性，可選擇“steel”作為材料類型，同時(shí)為了編輯方便，對(duì)各個(gè)部件重新命名。命名后各部件如圖3所示。

圖3 ADAMS中各零件明細(xì)Fig.3 List of parts in ADAMS

鎖扣機(jī)構(gòu)工作原理為通過氣缸活塞帶動(dòng)推動(dòng)軸，使推動(dòng)軸在x軸方向?qū)崿F(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。定軸與機(jī)架相連，通過由長肘節(jié)與短肘節(jié)組成的肘節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，從而帶動(dòng)扼的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在外殼導(dǎo)軌的約束下，使扼在z軸方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。小定軸與外殼固定，在扼的z方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，實(shí)現(xiàn)爪子齒刀與壓槽板錯(cuò)位相切，使鎖扣變形壓合后與鋼帶產(chǎn)生多個(gè)破壞性的切口，從而實(shí)現(xiàn)鎖扣與鋼帶共同鎖死。

模型建立好之后就需要在各部件之間添加約束，推動(dòng)軸會(huì)在氣缸的水平x方向推動(dòng)下做往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)，且行程是一定的。在此，對(duì)推動(dòng)軸上添加了水平x方向平移副，并且在該運(yùn)動(dòng)副上添加了一個(gè)速度的驅(qū)動(dòng)。定軸與機(jī)架是固定相連的，因此，對(duì)定軸添加了與大地的固定約束。同時(shí)長軸會(huì)穿過機(jī)架的滑槽中，滑槽對(duì)長軸有一個(gè)z方向?qū)虻淖饔茫⑶覍?dǎo)軌也對(duì)扼也有一個(gè)z方向?qū)虻淖饔茫瑸榱撕?jiǎn)化方便，只對(duì)扼與導(dǎo)軌設(shè)置了一個(gè)平移副。外殼導(dǎo)軌作為鎖扣機(jī)構(gòu)的外殼，在此設(shè)置與大地固定。其他部位零件添加相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，相同的不影響結(jié)果的零件相互添加固定副。各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的添加情況如圖4所示。

圖4 ADAMS中各運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)明細(xì)Fig.4 Detail list of kinematic pairs and driving parts in ADAMS

為了滿足鎖扣裝置的爪子與壓槽板合攏實(shí)現(xiàn)鎖扣的過程，也為了保證爪子與壓槽板的往復(fù)行程，就必須施加適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)函數(shù)，讓推動(dòng)軸在氣缸的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過分析，將往復(fù)循環(huán)移動(dòng)的速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為STEP(time，0，0，0.1，0.02)+STEP(time，0.1，0，1.1，0)+STEP(time，1.1，0，1.3，-0.04)+STEP(time，1.3，0，2.3，0)+STEP(time，2.3，0，2.4，0.02)，且steps=200，time=2.4 s，經(jīng)多次仿真驗(yàn)證，此驅(qū)動(dòng)函數(shù)下爪子與壓槽板能合攏到實(shí)際要求的位置，并最終在2.4 s完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并最終回復(fù)到起始位置。

3 鋼帶鎖扣裝置各參數(shù)的仿真結(jié)果

ADAMS軟件仿真分析結(jié)果的后處理是通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/Postprocessor來完成。利用ADAMS/Postprocessor模塊可以讓我們更清晰地觀察其它 ADAMS模塊(如 ADAMS/View、ADAMS/Car、或 ADAMS/Engine)的仿真結(jié)果，也可以將所得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫、表格、或HTML等形式，能夠更確切地反映模型的特性，便于我們對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。本文通過在ADAMS/View模塊中對(duì)導(dǎo)入的鎖扣裝置運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，然后再轉(zhuǎn)入后處理模塊ADAMS/Postprocessor中，調(diào)出氣缸帶動(dòng)的推動(dòng)軸的速度和位移參數(shù)的變化曲線圖，以及最終爪子部位和壓槽板的速度、位移變化曲線圖。通過觀察分析各參數(shù)的變化曲線圖，可以為將來進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)鎖扣裝置提供有效參考依據(jù)。各參數(shù)的變化曲線圖如圖5～圖10所示。

通過圖5、圖6可以看出推動(dòng)軸位移變化平穩(wěn)，0～0.1 s、1.1～1.3 s、2.3～2.4 s時(shí)，由于氣缸活塞啟動(dòng)、反向推動(dòng)以及停止，使推動(dòng)軸在存在較大加速度，該加速度大小為0.2 m/s2，0.1～1.1 s、1.3～2.3 s時(shí)推動(dòng)軸以0.02 m/s的速度保持勻速運(yùn)動(dòng)。

通過圖7、圖8可以看出壓槽板位移變化穩(wěn)定，但在推動(dòng)軸存在加速度時(shí)，壓槽板速度變化劇烈;推動(dòng)軸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓槽板速度變化平穩(wěn)。0.1 s及2.3 s時(shí)壓槽板在z軸方向速度大小為最大值。

通過圖9、圖10可以看出在推動(dòng)軸存在加速度時(shí)，爪子位移緩慢變化，但速度劇烈變化。此外在推動(dòng)軸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，爪子的質(zhì)心存在速度矢量模為0的過程。

圖9 爪子Mag位移變化曲線Fig.9 Displacement curve of claw in Mag direction

圖10 爪子Mag速度變化曲線Fig.10 Velocity curve of claw in Mag direction

4 結(jié)論

(1)推動(dòng)軸經(jīng)過氣缸推動(dòng)得到的速度、位移變化符合液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)過程，在活塞的啟動(dòng)、停止以及反向運(yùn)動(dòng)的過程中短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的加速度;

(2)氣缸活塞啟動(dòng)、停止、反向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈速度變化，該變化會(huì)對(duì)壓槽板的運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生沖擊;

(3)爪子鎖扣過程的位移變化正常，但是速度變化較為劇烈，容易產(chǎn)生沖擊。

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