一種約束變胞篩分機構的建立與動態仿真分析

李小彭, 高建卓, 李加勝,聞邦椿

(東北大學機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819)

一種約束變胞篩分機構的建立與動態仿真分析

李小彭, 高建卓, 李加勝,聞邦椿

(東北大學機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819)

變胞機構已成為當前國際機構學理論研究的前沿課題,通過對變胞機構的研究,可以利用變胞機構的構態變換性質來設計一些新的變胞機構.本文在前人研究的基礎上,通過常見的平面五桿機構,改進建立了一種新型約束變胞篩分機構,為了研究機構變換過程中的物料篩分過程,對此機構的構態進行了動態靜力分析,得出相應的速度、加速度、角加速度、慣性力和慣性力距.最后,利用ADAMS軟件建立了仿真模型,分析了篩箱的動力學特性,可以驗證分析的正確性,同時可以將變胞機構的隨機構態應用到生產實際中.

變胞機構; 篩分機構; 動力學模型; 仿真

變胞機構自1998年首次提出后[1],相關研究已經取得了很多進展.PARISE等[2]引伸出變胞正交機構.李端玲等[3]通過構態變換的矩陣運算研究變胞機構的綜合.DING等[4]研究了一類具有相同構件、對稱結構、可裝配的變胞機構的拓撲特征和變胞特性,提出了變胞機構設計的一種新理念.ZHANG等[5]將變胞方式分為運動副變胞、構件變胞和幾何約束變胞,分析了幾何約束變胞的特點,LAN[6]研究了平面變胞機構的結構元素和演化方式.變胞機構具有自動組合的特點,利用這一特點可使變胞機構進行重組、重構,從而將其應用在機器人的設計與制造中,使得機器人的結構研究迅猛發展.比如,丁希侖等發明了變胞探測車[7];新加坡南洋理工大學的Chen等發明了水下變胞車[8];戴建生等利用變胞原理研制了多指變胞手.變胞機構具有重組和構態變化的特點,同時,變胞機構可以高度伸展和折疊,不僅可以節省空間,而且還能縮減機構數量,所以在航天領域中的應用特別廣泛.如1996年,Spence等[9]研究設計了發射架裝置,Costabile等[10]研究了大型衛星天線,再比如空間站基礎框架、可伸展收縮的空間機械臂、太陽能帆板、太空望遠鏡展開機構、航天器對接機構等.在制造業領域,變胞機構的應用也逐漸增多,且大部分貼近生活實際.機械制造業中變胞原理是由楊百翰大學的D W Carroll等提出的,該原理的提出為變胞機構在制造業領域的應用奠定了基礎.比如,李威[11]等提出了一種新型的變胞快速夾緊裝置,用于鋁合金汽車輪轂模具修理過程的夾緊.這種方法在優化夾具應用的同時提供了合理的加工工藝,簡化了加工制造的程序,縮短了周期.我們常見的折疊床、折疊椅、折疊自行車、帳篷等都屬于變胞機構,再比如航海上用到的潛艇救援中的對接器和逃生裝置等,由此可以看出變胞機構的應用是極其廣泛的.變胞機構已成為當前國際機構學理論研究的前沿課題,變胞機構已經在機器人技術、航天、制造業等廣泛應用,變胞機構的研究必將給機構學發展帶來跨時代的意義.本文介紹了篩分機構的應用背景,利用變胞機構的特性建立了一種約束變胞篩分模型,同時對其進行動態靜力分析,最后,利用ADAMS軟件建立了仿真模型,分析了篩箱的動力學特性,將變胞機構的隨機構態應用到生產實際中.

1 篩分機構模型的建立

目前,大多數篩分機構的振動為簡諧振動,對于難以篩選和需要精細篩選的物料,其篩分效果并不理想.近來的研究表明,在振動機械中經常采用的分段線性系統中會產生混沌振動.由于混沌振動具有比簡諧振動更寬的頻帶和更劇烈的速度變化,有利于用作振動壓實、振動篩選和振動落料等.但目前有關機構中的混沌現象大多數處于發現混沌現象的初始階段,對于通過控制或利用混沌來指導機構設計以滿足特定使用要求的研究,國內外均沒有系統展開.隨機構態變胞機構與簡諧振動相比有更寬的頻帶和更劇烈的速度變化;與混沌運動相比,隨機構態變胞機構有確定的構型,容易控制;又由于隨機構態變胞機構的運動時序不確定,使運動產生隨機性,有利于振動篩分,故可以建立一種約束變胞篩分機構的模型,如圖1所示.

2 變胞篩分機構的動態靜力學分析

圖2為構態運動分析坐標系.其中點4、點5、點6分別為所在構件的質心;Pix,Piy為i點的位置坐標.

圖1 一種篩分機構模型Fig.1 Dynamic model of planar five-bar mechanism

圖2 機構運動分析坐標系Fig.2 The coordinate of the first structure state motion analysis system

2.1 位置分析

各角度的意義如圖2所示,其中α角為機構設計時所設定的量,計算時為已知量.桿長分別為l1,l2,l3,其中,構件2和構件3固結后的等效長度為l24.根據余弦定理,得

(1)

(2)

點2的坐標為(P2x,P2y),則

(3)

點4的坐標為(P4x,P4y),則

(4)

點3的坐標為(P3x,P3y),則

(5)

點5為點2和點3的中點,點5的坐標為(P5x,P5y),則

(6)

點6為點3和點4的中點,點6的坐標為(P6x,P6y)

2.2 速度和加速度分析

點4的速度和加速度分別為

(8)

點5的速度和加速度分別為

(9)

點6的速度和加速度分別為

(10)

2.3 求解等效構件的角加速度

(11)

2.4 慣性力分析

利用牛頓定律,通過以上的分析可以得到點4、點5、點6的慣性力和慣性力矩分別為

(12)

(13)

(14)

3 應用ADAMS軟件建立仿真模型

應用ADAMS軟件建立仿真模型,如圖3所示.

圖3 仿真模型Fig.3 The simulation model

該模型的幾何參數如下:構件AB、BC、CD的長度分別為l1=60 mm,l2=30 mm,l3=150 mm;質量分別為m1=1 kg,m2=0.5 kg,m3=0.4 kg,滑塊質量為m4=0.2 kg.彈簧1的剛度系數為k1=30 N/mm,質量忽略不計;彈簧2的剛度系數為k2=1 N/mm,質量忽略不計,初始位置時彈簧1處于拉伸狀態,彈簧2處于原長.原動件AB桿勻速轉動ω1=50 rad/s.

將滑塊視為篩箱,仿真后得到了其位移、速度和加速度變化曲線,如圖4所示.由篩箱的位移、速度和加速度曲線可以看出,篩箱在運動過程中會出現隨機性運動,且存在沖擊和振動.

3.1 剛度變化對篩箱動力學性能的影響

當k1=10 N/mm,k2=1 N/mm時,篩箱的位移、速度和加速度變化曲線,如圖5所示.當僅減小k1的剛度時,篩箱在運動過程中變化較為平穩,位移曲線比較規則,運動的隨機性減弱.

3.2 轉動慣量變化對篩箱動力學性能的影響

當m2=1 kg時,篩箱的位移、速度和加速度變化曲線,如圖6所示.當增大l2的轉動慣量時,位移曲線的不規則性增大,篩箱在運動過程中的隨機性增強,在某t=1.8 s時,速度突變量較大,說明在該瞬時機構沖擊振動較強.

圖4 位移、速度、加速度時間曲線Fig.4 Displacement,Velocity,Acceleration-time curve

圖5 不同剛度下的位移、速度、加速度時間曲線Fig.5 Displacement,Velocity ,Acceleration-time curve with different k

圖6 不同轉動慣量下的位移、速度、加速度時間曲線Fig.6 Displacement,Velocity,Acceleration-time curve with different J

3.3 外力變化對篩箱動力學性能的影響

在B點施加一個外力F1=5 N時,篩箱的位移、速度和加速度變化曲線,如圖7所示.當僅在B點施加一外力F1=5 N時,篩箱在運動過程中的隨機性增強,特別是在t=1.75 s之后較為明顯.

圖7 不同外力下的位移、速度、加速度時間曲線Fig.7 Displacement,Velocity,Acceleration-time curve with different F

4 結論

本文通過對變胞機構的研究,建立了一種約束變胞篩分機構,并對該機構進行了動態靜力學分析,分別得出了構件的位移、速度、角加速度、慣性力和慣性力矩.綜合觀察由ADAMS仿真得到了篩箱的位移、速度和加速度曲線,由所得曲線可以看出:篩箱的位移圖局部會出現不規則曲線,體現出運動的隨機性,速度和加速度會有劇烈變化,有利于物料的篩分.

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LI Duangling,DAI Jiangsheng,ZHANG Qixian,et al.Structure synthesis of metamorphic mechanisms based on the configuration transformations[J].Chinese Journal Mechanical Engineering,2002,38(7):2-16.

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DING Xilun，TIAN Na，DAI Jiansheng.Variable structure leg wheel detection robot[P].National Invention Patent，2003101l7170X， 2003-12-04.

[8] CHEN Y M,LI H S,Cathala A.Mechatronic design and locomotion of amoebot-A metamorphic under water vehicle[J].Journal of Robotic Systems,2003,20(6):307-314.

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LI Wei,LU Jingyuan,LIU Ximei,A New Metamorphic Quick-response Clamp Device[J].Machine Design and Research,2005,21(2):45-47.

Establishment and dynamic simulation on constrained metamorphic screening mechanism

LI Xiao-peng,Gao Jian-zhuo,LI Jia-sheng,WEN Bang-chun

(School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Owing that the metamorphic agency theory has become a leading international research area, a specific metamorphic mechanism can be transformed by state structure with metamorphic bodies for new metamorphic mechanisms. With a common planar five-bar mechanism, a new constrained metamorphic screening mechanism is firstly established in the process of material screening. Then, these configured state institutions involve dynamic static analysis on the appropriate speed, acceleration, angular acceleration, inertia force and moment of inertia. Finally, a simulation model is constructed via ADAMS to analyze the dynamics of the screening box. To this end, the correctness of this approach is verified, while the metamorphic state bodies with institutions are applied to actual production.

metamorphic mechanism; screening mechanism; dynamical model; simulation

國家自然科學基金資助項目(51275079、51575091),遼寧省百千萬人才工程培養經費資助(2014921018)

李小彭(1976-),男,教授,博士生導師.E-mail:xpli@me.neu.edu.cn

TH 112

A

1672-5581(2016)06-0469-06