基于ADAMS槽轮机构动力学仿真_宋国亚

ＡＤＡＭＳ ｂａｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ
ＳＯＮＧ Ｇｕｏｙａ１， ＷＡＮＧ Ｈｕｉ １＊ ， ＺＨＡＯ Ｊｕｎｐｅｎｇ１， ＣＨＡＮＧ Ｘｉａｏｐｅｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ）
力变化曲线，ＡＤＡＭＳ 软 件 可 用 于 评 测 机 械 系 统 的性 能、运 动 的 范 围、检 测 碰 撞 力 度、峰 值 载 荷 量 以及计算输入载荷等。
２ 大 转 停 比 槽 轮 机 构 尺 寸 设 计
槽轮机构如图１所示。
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１ 多体系统动力学和 ＡＤＡＭＳ软件介绍
多体系统的动力学的分析和仿真是伴随着计 算机科学技术的发展而不断完善的。多体系统是 由多个物体在运动副连接下形成比较复杂的机械 系统。使用计算机强大的计算功能对较复杂的系 统进行动力学分析和仿真是多体系统动力学分析 的主要目的。在多体系统中对物体进行分析时可 以将系统中刚体 的 微 变 形 量 忽 略 不 计，并 可 作 为 刚体来处理，该类 型 的 系 统 一 般 处 于 低 速 度 运 动 状态。而多柔性体系统是系统在行使动作过程中 会出现多物体在较大区域运动并与物体的弹性变 形发生耦合，所 以 需 要 将 物 体 作 为 柔 性 体。 通 过 以上对多体系统 的 了 解 和 认 识，可 知 文 中 涉 及 到 的大转停 比 槽 轮 机 构 应 属 于 多 体 系 统 的 范 围 之 内。
０ 引 言
随 着 我 国 经 济 的 迅 猛 发 展，在 过 去 的 ２０ 年 里，我国医药产业 市 场 呈 现 了 高 速 发 展 和 扩 张 的 态 势 ，对 于 医 药 制 品 ，全 球 的 市 场 需 求 量 平 均 每 年 增长率在１０％以上，远远高 于 ＧＤＰ 的 增 长 速 度。 众 所 周 知 ，在 众 多 的 医 药 制 品 中 ，用 安 瓿 针 剂 瓶 包 装的药用针剂占 据 了 很 大 的 比 例，安 瓿 针 剂 自 动 上料设备是制药企业实现产品自动化生产的关键
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｇｅｎｅｖａ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｂｉｇ ｔｕｒｎ／ｓｔｏｐ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＡＤＡＭＳ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｒａｔｉｏ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｓｔｏｐ；ＡＤＡＭＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ．
表 １ 槽 数 与 圆 柱 销 数 量 关 系
槽数ｚ
圆柱销数ｎ
３
１～６
４
１～４
５、６
１～３
根据对安瓿针剂自动给料设备翻盘机构中槽 轮机构转停时间 的 分 析，确 定 了 该 槽 轮 机 构 为 运 动系数 Ｋ ＝１／１２ 的 单 销 四 槽 均 匀 分 布 的 外 槽 轮 机 构 ，由 于 设 计 过 程 较 为 繁 琐 ，设 计 过 程 没 有 一 一 列 出 ，具 体 尺 寸 见 表 ２。
合，假设 槽 轮 有ｚ 个 均 布 槽，则 ２φ２＝２π／ｚ，将 上 述关系代 入 式 （１）中，得 外 槽 轮 机 构 的 运 动 系 数
为：
（ ） ２π
ｋ
ｔ２ ＝ｔ１
２α１ ＝ ２π
π－ ｚ ＝ ２π
１１ ＝２ －ｚ
（２）
如在拨盘上等 角 度 分 布ｎ 个 圆 柱 销，则 当 拨
盘等速转动一周 的 过 程 中，槽 轮 会 被 圆 柱 销 拨 动
设备，然而目前的 安 瓿 针 剂 自 动 上 料 设 备 由 于 其 关键传动件槽轮 机 构 无 法 实 现 大 的 转 停 比，国 内 外一些学者对槽轮机构进行了相关研究。
文献［１］研究 了 槽 轮 机 构 存 在 的 一 系 列 固 有 缺 陷 ，比 如 其 动 程 不 可 调 节 ，转 角 也 不 能 太 小 。 文 献［２］指 出 了 槽 轮 机 构 在 起、停 时 的 加 速 度 大，有 冲击，并随着转速 的 增 加 或 槽 轮 槽 数 的 减 少 而 加 剧问题。为了克 服 槽 轮 机 构 这 种 结 构 缺 陷，文 献 ［３］提 出 了 一 种 改 进 措 施，其 通 过 与 其 他 机 构，如
图１ 槽轮机构
通 过 分 析 图 １ 的 外 槽 轮 机 构，当 主 动 转 盘 １ 转动一周，从动槽轮 ２ 的转动所需时间ｔ２ 与主动 拨盘转一周的 时 间ｔ１ 之 比 称 为 槽 轮 机 构 的 运 动 系数，用ｋ 来表示，即：
ｋ
ｔ２ ＝ｔ１
（１）
因为主动转 盘 一 般 为 匀 速 回 转，所 以 时 间 之
烄ｇ ≥０
Ｆｎ ＞０ 烅Ｆｎｇ ＝０
（５）
ｄｇ
Ｆｎ 烆
ｄｔ
＝０
式 中 ：ｇ——— 接 触 作 用 点 的 距 离 ；
≥７
１～２
表 ２ 尺 寸 列 表
名称
符号
数 值／ｍｍ
公式
说明
中心距
Ｌ
１５３．１３
根据安装空间
销槽接触角度
θ
１２０°
运动系数设计得
拨盘转角
α１
１５°
运动系数设计得
槽轮转角 圆柱销转动半径
槽顶高 圆柱销半径
φ２ Ｒ转
Ｓ Ｒ圆
４５° １２５．０２ ４５．８０
５．６３
Ｒ转 ＝ｓｉＬｎθ＊ｓｉｎφ２２ Ｌ
ｎ 次，故机构的运动系数是单圆柱销的ｎ 倍，即
２ｚ ｎ ≤ｚ－２ 又因ｋ 值应小于或等于１，即
（３）
（ ） ｋ＝ｎ
１１ ２ －ｚ
（４）
第１期 宋国亚，等：基于 ＡＤＡＭＳ槽轮机构动力学仿真
８５
由 式 （４）可 得 到 槽 数 与 圆 柱 销 的 关 系 见 表 １。
基于 ＡＤＡＭＳ槽轮机构动力学仿真
宋国亚１， 王 晖１＊ ， 赵俊鹏１， 常笑鹏２
（１．长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 １３００１２； ２．长春工业大学 应用技术学院，吉林 长春 １３００１２）
摘 要：首先对常规槽轮机构的运 动 特 性 进 行 理 论 和 仿 真 分 析，在 此 基 础 上 建 立 了 具 有 大 转 停比槽轮机构的三维模型，并对其 运 动 过 程 进 行 动 力 学 分 析，结 合 ＡＤＡＭＳ 对 大 转 停 比 槽 轮 机构进行应力和运动仿真分析。 关 键 词 ：槽 轮 机 构 ；转 停 比 ；ＡＤＡＭＳ 仿 真 计 算 中 图 分 类 号 ：ＴＨ １１２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７４－１３７４（２０１６）０１－００８３－０７
δ４
１０ ６．１５
δ４＝２（０．５～０．８）Ｒ圆
自选 在范围中选择
锁止弧半径
Ｒ锁
１１３．２４
Ｒ锁 ＝Ｒ转 －（Ｒ圆 ＋δ４）
拨盘下层半径
Ｒ拨
１３５
自选
３ 槽 轮 机 构 接 触 动 力 学 方 程
因为外槽 轮 机 构 中 径 向 槽 的 型 面 属 于 直 线 型 ，根 据 齿 轮 啮 合 成 形 理 论 分 析 ，槽 轮 径 向 槽 的 线 型不在共轭曲面 范 畴 中，如 果 把 槽 轮 机 构 中 的 从 动槽轮和主转动滚轮的接触看成一对互相啮合的 共轭曲面，这样可 以 将 齿 轮 啮 合 原 理 应 用 到 主 动 轮和从动槽轮的 相 互 作 用 上，并 通 过 啮 合 模 型 对 其进行分析，用ｎ 个 广 义 坐 标ｑ 表 示 从 动 槽 轮 的 运动，建立的动力学方程为 ： ［８］
对于多体系统进行运动和动力学分析需要借 助 强 大 的 动 力 学 分 析 软 件 ，目 前 ，世 界 上 使 用 范 围 最广泛的通 用 多 体 动 力 学 分 析 软 件 是 美 国 ＭＤＩ 公 司 开 发 的 机 械 系 统 的 自 动 动 力 分 析 （Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＡＤ－ ＡＭＳ）、ＬＭＳ－ＣＡＤＳＩ 公 司 开 发 的 动 力 学 分 析 和 设 计 系 统 （Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓ－ ｔｅｍ，ＤＡＤＳ）以及德国ＩＮＴＥＣ 公司开发的 ＳＩＭ－ ＰＡＣＫ 等［５－７］。ＡＤＡＭＳ 是 当 今 世 界 上 最 具 有 权 威的多体动力学 模 拟 样 机 模 型 软 件，用 户 可 以 通 过完善的人机交互图形环境来创建物体的几何模 型，通过多体系统 运 动 学 和 动 力 学 理 论 中 的 拉 格 朗日方法建立系 统 的 动 力 学 基 本 方 程，可 对 虚 拟 的 系 统 进 行 静 力 、运 动 和 动 力 分 析 ，并 输 出 系 统 中 运动零件的位移 变 化、速 度 和 加 速 度 曲 线 和 作 用
８４
长 春 工 业 大 学 学 报 第３７卷
连 杆 、凸 轮 、齿 轮 机 构 组 合 来 改 善 槽 轮 机 构 的 动 力 特性。组合机构虽然在不同程度上改善了槽轮机 构 的 动 力 特 性 ，但 由 于 组 合 机 构 的 结 构 较 为 复 杂 ， 因而增加了设计的难度。由于构件数目的增多， 机构占用的空间 也 有 所 增 大，同 时 也 增 大 了 积 累 误 差 ，从 而 影 响 了 定 位 精 度 ，因 此 其 具 体 应 用 价 值 较 低 。 文 献 ［４］对 槽 轮 机 构 的 结 构 进 行 了 改 进 ，将 直线导轨槽轮机 构 改 成 带 有 曲 线 弧 度 的 导 轨，以 减少运行时的冲击。文中针对目前常规的槽轮机 构不能实现大转 停 比 这 一 情 况，在 研 究 了 常 见 槽 轮机构的基础上设计了一种能够实现大转停比的 新 型 槽 轮 机 构 ，并 对 其 进 行 了 动 力 学 分 析 ，以 实 现 安瓿针剂的自动上料。
Ｓ＝ｓｉｎθ＊ｓｉｎα１
有槽数Ｚ 确定
槽底高
ｂ
１８
ｂ≤Ｌ－ （Ｒ转 ＋Ｒ圆 ）
在范围中选择
槽深
ｈ
２７．８０
ｈ＝ｓ－ｂ
拨盘轴直径
Ｄ拨
３０
Ｄ拨 ≤２（Ｌ－Ｓ）
在范围中选择
槽轮轴直径
Ｄ槽
２５
Ｄ槽 ＜２（Ｌ－Ｒ转 －Ｒ圆 ）
在范围中选择
拨盘上层厚
δ１
１０
自选
拨盘下层厚
δ２
５
自选
槽轮厚度
δ３
槽轮齿顶厚度
比可以通过拨盘转角的比来表示。通过图１所示
的单圆 销 的 槽 轮 机 构，时 间ｔ２ 和ｔ１ 所 对 应 的 转
动角分别是２α１ 和２π，标准 的 槽 轮 机 构 为 了 避 免
刚性冲击，圆柱销 从 开 始 进 入 到 脱 离 径 向 直 槽 的
瞬间，圆柱销线速 度 的 方 向 与 径 向 直 槽 中 心 线 重
收 稿 日 期 ：２０１５－１２－１０ 作 者 简 介：宋 国 亚 （１９８９－），男，汉 族，河 南 鹿 邑 人，长 春 工 业 大 学 硕 士 研 究 生，主 要 从 事 机 电 一 体 化 综 合 技 术 方 向 研 究，Ｅ－ｍａｉｌ：
８１２１９７２９６＠ｑｑ．ｃｏｍ．＊通讯作者：王 晖（１９７０－），女，汉族，吉 林 长 春 人，长 春 工 业 大 学 副 教 授，主 要 从 事 机 电 一 体 化 综 合 技 术 方 向 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｈｕｉ＠ｃｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
第３７卷 第１期 长 春 工 业 大 学 学 报 Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１ ２０１６年０２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１６
ＤＯＩ：１０．１５９２３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ２２－１３８２／ｔ．２０１６．１．１７