基于ADAMS的分離機構設計與優化研究

葉雯莉，李鷺揚

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225100）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，分離機構開始廣泛應用于各領域，如汽車領域和航空航天領域等[1]。單提曉[2]提出一種用于無人機機翼分離的分離機構，采用舵機作為驅動機構，無人機控制系統只需要控制舵機轉動，鎖銷從定位孔中抽出，鎖銷一側設計有斜度，在彈簧的作用下，無人機斷裂機翼能夠順利且迅速地與內側機翼分離，結構簡單，但承載小。謝長川[3]針對兩架或多架飛機在空中對接以提高巡航效率或空中分離以各自完成子任務提出一種能夠在空中實現翼尖對接或者分離功能的機構系統，在需要對接的兩架飛機的翼尖端肋上安裝對接和分離裝置，利用伸縮裝置拉近或推開兩架飛機，利用捕獲和鎖定裝置將對接矛鎖定或解鎖，裝置雖可靠，但結構復雜、成本高。張利國[4]針對單個無人機載荷小、航程短及單體飛機受損后無法完成任務等問題，設計了一種在地面連接、空中分離的裝置，其中連接裝置安裝在單體飛機機翼兩端，一端為沿導軌運動的可伸縮式機械手，另一端是帶有鎖定功能的機械手，通過兩個機械手與鄰機相互鎖定構成連接裝置，但是它不能完成空中對接，因此分離出的飛機在完成任務之后不能再回到對接飛行的形式。

單架飛機受限于氣彈、結構、加工工藝、制造成本甚至機場條件，其翼展會控制在一定范圍。而飛機的展弦比越大，其升阻比越大，巡航性能越好，航程和巡航時間越長[5]。如果直接增大飛機翼展，雖提高了巡航性能及效率，但其制造工藝比較復雜，成本較高。針對上述問題，設計出一種機翼分離機構，多架中等展弦比的飛機在地面對接，整體飛行，需要時在空中分離各自執行任務，這種方案可避免結構、加工工藝、制造成本和機場限制，且易于維修。本文采用參數化建模，運用ADMAS軟件進行動力學仿真研究分析[6]，根據仿真數據進行優化設計，尋求分離機構最優解。

1 矩形板式分離機構結構設計及其工作原理

設計了一種矩形板式分離機構，此分離裝置參考曲柄滑塊機構運動原理，曲柄滑塊機構是基于曲柄搖桿機構的演化形式，它可以通過曲柄的回轉運動來實現滑塊的往復直線運動，且曲柄滑塊機構之間是低副連接，在承受同樣的載荷條件下，可以傳遞較大的動力[7-8]。矩形板式分離機構還應用了雙滑塊四桿機構的原理，其中雙滑塊四桿機構是基于四連桿機構的變形機構，它能將滑塊的垂直運動轉化為另一滑塊的水平運動[9]。利用SolidWorks軟件建立三維模型（如圖1），其由舵機、葉片、矩形板和拔銷組成，拔銷連接機翼兩端。舵機作為驅動機構驅動葉片旋轉，固定在葉片兩端的短銷與矩形板兩側的槽口配合，從而帶動固定在矩形板兩側的拔銷在銷孔中的移動，實現機翼分離。

圖1 矩形板式分離機構

2 矩形板式分離機構ADAMS仿真分析

2.1 仿真虛擬樣機的建立

利用SolidWorks軟件建立三維模型，調整銷軸至其極限位置，將裝配好的三維模型保存為.x_t格式，導入到ADAMS仿真軟件中[10]，如圖2所示。

圖2 矩形板連接式分離機構

2.2 定義特征

將簡化后的機構材料均定義為鋁合金，密度為2.74 g/cm3,泊松比為0.33，彈性模量為71.7 GPa。定義整個環境為理想狀態，施加重力。實際運行過程中，兩側機構分離會對拔銷有拉力的作用，因此分別給3個拔銷一個20 N的指向外側的作用力。在3個拔銷處給予相應的摩擦力；其余各處根據實際運動狀態添加相應的運動副及約束。

2.3 添加驅動

矩形板式分離機構由舵機驅動，本文仿真部分過程持續12 s：0～6 s為角加速度逐漸增大的加速階段，6～12 s為角加速度逐漸減小的加速階段?，F對矩形板式分離機構進行運動學仿真分析，給予分離機構的搖臂舵機驅動，設置STEP函數：step（time,0,0,12,10d）。

2.4 仿真分析

運行仿真，使拔銷拔出兩連接機構的銷孔，實現機構分離，得到仿真變化曲線如圖3～圖7所示。

圖3 搖臂角速度曲線圖

圖3為搖臂角速度曲線圖，0～12 s，搖臂角速度從0～10（°）/s，呈現先緩、再快速增長、再緩慢增長的趨勢；圖4為搖臂轉矩變化曲線趨勢圖，0～2 s轉矩有一個明顯的先增大、后減小的初始階段，此階段運行需要克服一定阻力，轉矩增大，運行一段時間后產生一定慣性，能耗減少，轉矩減小。待機構正常運行之后，搖臂整體呈現先增大、后減小趨勢。由于整個銷處于兩個連接機構的銷孔中，需要較大的轉矩來驅動舵機葉片旋轉，從而帶動銷脫離兩連接機構的銷孔，在10.616 s處最高轉矩達到924.14 N·mm，此時的銷處于即將脫離外側的連接機構的銷孔，隨后力矩呈現減小趨勢，在11.79 s處兩機構實現分離。

圖4 搖臂轉矩變化曲線趨勢圖

2 s后3處拔銷機構正常工作：圖5右上拔銷合力和圖6右下拔銷合力總體均呈現先減小、后增大趨勢，此時銷正處于逐漸脫離銷孔的狀態，所以銷上的受力會逐漸減小，但在10.616 s處，由于銷處于即將脫離外側的分離裝置的狀態，銷所受的力會有一個突然增大的趨勢，其中右上拔銷所受的最大合力為59.77 N，右下拔銷所受的最大合力為22.71 N。圖7中左下拔銷合力總體呈現一個緩慢增大的趨勢，但增大的幅度較小。為了更好地分析右下拔銷受力，仿真模擬右下拔銷機構的X、Y、Z軸受力的情況如圖8～如10所示。

圖5 右上拔銷機構合力

圖6 右下拔銷機構合力

圖7 左下拔銷機構合力

圖8 右下銷X軸受力

在2 s處，右下拔銷機構正常工作：與Z軸受力相比，X軸和Y軸受力都很小，可以忽略不計；Z軸的受力總體呈現先減小后增大的趨勢，并在10.616 s處達到最小值22.591 N，此時銷即將脫離外側連接機構。

2.5 小結

圖9 右下銷Y軸受力

圖10 右下銷Z軸受力

矩形板式分離機構需要11.79 s實現兩機構分離，分離兩機構所需最大轉矩為924.14 N·mm，且3處拔銷所受的最大合力為59.77 N。為了提高分離機構的效率及改善分離機構的受力狀況，下面對上述分離機構進行優化設計。

3 分離機構結構優化設計及其工作原理

基于上述仿真分析，結合相關研究，對矩形板式分離機構進行優化設計，改善分離機構的效率及受力。冷鴻彬[11]應用平行四邊形機構組合的變胞機構，設計出一種對稱式對心雙曲柄滑塊機構，它是由2套共用一個曲柄的對心式曲柄滑塊組成，兩曲柄和兩連桿的尺寸分別相等，2套對心式曲柄滑塊機構以舵機中心為中點呈中心對稱分布，兩端滑塊的運動狀態相同，只是移動方向相反。本設計基于矩形板式分離機構，利用平行四邊形機構組合的變胞機構的運動特性，設計出圓柱連桿式分離機構，此機構可以實現兩側的拔銷機構的同步運動且運動方向相反。由于矩形板式分離機構的舵機懸臂與矩形板的連接采用的是移動副，使舵機所受力矩增大；且拔銷與矩形板是固定連接。為了改善矩形板式分離機構的受力情況，在優化分離機構時，將舵機與圓柱連桿處的移動副改為旋轉副，并將拔銷與圓柱連桿之間設計為旋轉副，增加一個自由度，減小拔銷的受力。將優化后的圓柱連桿式分離機構進行參數化建模（如圖11），其由舵機、葉片、圓柱連桿和拔銷組成，拔銷連接機翼兩端。舵機作為驅動機構驅動葉片旋轉，帶動圓柱連桿轉動，從而帶動兩側拔銷在銷孔中的移動，實現機翼分離。

圖11 圓柱連桿式分離機構

4 圓柱連桿式分離機構ADAMS仿真分析

4.1 仿真虛擬樣機的建立

建立三維模型，調整銷軸至其極限位置，并將裝配好的三維模型保存為.x_t格式，導入到ADAMS軟件中，如圖12所示。

圖12 圓柱連桿式分離機構

4.2 特征定義與驅動添加

為與原機構更好地形成對比，圓柱連桿式分離機構的特征與驅動設置均與前文矩形板式分離機構一致。

4.3 仿真分析

運行仿真，使拔銷拔出兩連接機構的銷孔，得到仿真變化曲線，如圖13～圖17所示。

圖13 搖臂角速度曲線圖

圖14 搖臂轉矩變化曲線趨勢圖

圖13為搖臂角速度曲線圖，0～12 s，搖臂角速度從0～10（°）/s，趨勢與原設計相同；圖14為搖臂轉矩變化曲線趨勢圖，在0～12 s運行過程中，在初始0～1.5 s時轉矩有一個明顯的先增大、后減小的初始階段，與原設計相比，時間縮短0.5 s，且舵機轉矩在6.472 s處達到最高（439.29 N·mm），此時的銷完全處于兩連接機構的銷孔中，隨后力矩呈現減小趨勢，在9.72 s處兩機構實現分離。

3處拔銷機構在正常運轉之后圖16左上銷和圖15右下銷所受合力的曲線呈現快速減小的趨勢，因為銷正在逐步脫離兩連接機構的銷孔，但左上拔銷的整體合力都略大于右下拔銷的合力，左上銷的最大合力為30 N，右下銷的最大合力為26 N。圖17左下拔銷在拔銷機構正常工作之后，曲線呈現出先穩定不變、后快速增長的趨勢。為了更好地分析左下拔銷受力，仿真模擬左下拔銷機構的X、Y、Z軸受力情況如圖18～圖20所示。

圖15 右下拔銷機構合力

圖16 左上拔銷機構合力

圖17 左下拔銷機構合力

圖18 左下銷X軸受力

圖19 左下銷Y軸受力

圖20 左下銷Z軸受力

1.5 s后左下拔銷機構正常工作，X軸的受力呈現快速增長趨勢，此時銷正逐步脫離銷孔，左上銷受力逐漸減小，左下銷需要承受一部分力，來保持整個左拔銷機構的受力平衡；Y軸和Z軸所受力都比X軸受力很小，可忽略不計。

4.4 小結

圓柱連桿式分離機構需要9.72 s實現兩機構分離，分離兩機構所需最大轉矩為439.29 N·mm，而且3處拔銷所受的最大合力為30 N。在定義相同的特征下，圓柱連桿式分離機構的分離時間縮短了約18%，分離效率有所提高；且所受最大轉矩及力都減小為矩形板連接式分離機構受力的一半，改善了分離機構的受力狀況，提高了分離機構的使用壽命。

5 結語

針對現有分離機構存在的缺陷和問題，設計了一種矩形板式分離機構，利用SolidWorks軟件建立三維模型，通過ADAMS仿真軟件進行動力學仿真研究分析。根據仿真結構，對原分離機構結構進行優化設計，設計出一種圓柱連桿式分離機構，優化后的分離機構比矩形板式分離機構的效率有所提高，且所需轉矩及機構受力均有所減小，達到結構優化的目的，從而設計出更加優異的分離機構。