基于ADAMS的自適應性摩擦驅動系統的動力學分析

楊 雷，郭大宏，李亞彬，臧鐵鋼

(1.天奇自動化工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187)(2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

基于ADAMS的自適應性摩擦驅動系統的動力學分析

楊 雷1，郭大宏1，李亞彬2，臧鐵鋼2

(1.天奇自動化工程股份有限公司，江蘇 無錫 214187)(2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

為了提高自適應摩擦驅動系統的轉彎性能，針對轉彎力矩，建立了摩擦驅動系統的靜力學模型，運用ADAMS的動力學仿真功能對模型進行靜力學和運動學特性分析，并在此基礎上進行改進，提高了系統的轉彎性能和系統的可靠性。

自適應摩擦驅動系統；轉彎性能；靜力學建模；運動學特性分析

隨著現代化進程的不斷加快，規(guī)?；圃煸絹碓狡占?，對自動化輸送物流的需求也越來越大。如在汽車生產裝備系統中，傳統的物流運輸方式如帶式、板式和懸掛式物流系統都存在不能轉彎、噪聲大和修理不便等問題。而自適應性摩擦驅動系統能克服傳統物流方式的多種缺陷，具有高效、柔性、節(jié)能、低噪和便于維修的特點，大大地提高了輸送系統的速度和效率[1，7-8]。

自適應性摩擦驅動系統的特點是便于轉彎，因而其應用面很廣，適應各種復雜的地形。然而自適應性摩擦驅動系統在轉彎時存在明顯的死區(qū)和死點阻力矩較大等缺陷，這主要是由轉彎力矩的變化引起的，而影響轉彎力矩的因素有很多，如桿長、軌道轉彎半徑、復位彈簧、擺臂長度和摩擦機構在軌道上的位置等。因此，可建立靜力學模型進行靜力學和動力學特性分析、對自適應性摩擦驅動系統進行改進、優(yōu)化桿長結構等，以提高系統的轉彎性能，增加系統運行的可靠性。

1 自適應性摩擦驅動系統及靜力學模型

自適應性摩擦驅動系統，是采用摩擦輪作為驅動機構的多維驅動系統，它采用多個摩擦輪分布在軌道上驅動摩擦桿鏈，能適應轉彎和上下坡等復雜路段，是一種能連續(xù)高效地傳輸物品的自動化物流系統。

自適應性摩擦驅動系統主要由軌道、運輸桿鏈、多個摩擦驅動機構、傳感器和電控系統等組成。在對其進行動力學仿真時，大部分機構對仿真結果沒有影響，因此可以對現有的自適應性摩擦驅動機構進行簡化，利用UG強大的三維建模功能，建立自適應性摩擦驅動系統彎道的靜力學模型，如圖1所示。

圖1 自適應性摩擦驅動系統

2 自適應性摩擦驅動系統的動力學分析

2.1ADAMS機構導入和建立運動副

UG作為一個專業(yè)的CAD建模軟件，可以很方便地建立該摩擦驅動各個機構的模型，并按照要求把它們按相對運動關系裝配好。ADAMS/View提供的模型數據交換接口有Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等，根據已建立好的靜力學模型，可以用最常用的和不容易失真的Parasolid格式導入ADAMS中進行動力學分析。

將模型導入ADAMS后，有些地方不一定符合要求，可以對模型進行合并、求差、求交等，建立一些簡單的點、曲線和坐標等，以輔助運動約束的建立。加載好約束后的模型如圖2所示。

圖2 ADAMS建立的摩擦驅動模型

2.2摩擦驅動機構分布位置對轉彎特性的影響

對于自適應性摩擦驅動系統，最大的問題在于其轉彎死點，因此研究摩擦驅動系統的彎道運動性能至關重要。對軌道轉彎特性有影響的摩擦驅動機構主要是進入彎道前一段、彎道中一段和出彎道的一段，如圖3所示。它們在不同的位置對轉彎特性的影響各不一樣。

圖3 轉彎特性分析圖

當連系桿通過這些輪時,所受的轉彎力矩主要由主摩擦輪和從動摩擦輪對桿扭矩形成，而力矩是由兩輪的壓力和兩輪在延桿方向上間距的乘積所得，兩輪之間的壓力是由復位彈簧施加的，大小基本不變，所以轉彎力矩的變化要取決于兩輪在桿的方向上的間距的變化[2-3，5]。

摩擦桿所受轉彎力矩

(1)

式中：FN為彈簧力的大??；LAB為兩輪在桿方向的距離。

對圖2中的模型進行動力學仿真，得到輪組1、輪組2和輪組3的間距LAB變化情況，分別如圖4,5,6所示。

從上面的動力學分析結果可知，摩擦驅動機構在軌道上的不同位置，對轉彎力矩的影響各不相同[4，6]，當LAB>0時，摩擦桿受阻力臂作用；當LAB<0時，摩擦桿受助力臂作用。第1輪組和第3輪組在彎道之外，其LAB的峰值相對較小，而第2輪組LAB的峰值很大，說明摩擦驅動機構的安裝位置越靠近彎道中間，越有利于桿的轉彎。如果彎道半徑太小不宜放置摩擦驅動機構，應盡量將摩擦驅動機構放在第1輪組處，這樣有利于桿轉彎時產生助力臂作用。

圖4 第1輪組間距變化曲線

圖5 第2輪組間距變化曲線

圖6 第3輪組間距變化曲線

2.3桿鏈中桿的長度對轉彎特性的影響

根據上面的仿真結果可知，不同的軌道半徑，可以靈活地分布摩擦驅動機構,使其達到最好的性能。同時摩擦桿的長度對桿在彎道時的轉彎特性也有很大的影響，保持圖2中軌道的半徑不變，縮短桿的長度形成新的桿鏈，如圖7所示，分析其轉彎特性。

對其進行動力學分析，得到桿通過輪組1、輪組2和輪組3時的各輪組間距變化曲線，如圖8，9，10所示。

將圖4，5，6和圖8，9，10進行對比可知，短桿鏈兩輪間距明顯比長桿鏈小，說明在軌道半徑一定時，桿的長度可以調節(jié)轉彎力矩的大小，而且桿在經過第1輪組向第2輪組過渡時，由圖8，9可知，它們相結合時更不易產生較大的阻力臂，轉彎的死點也就不易形成，系統的轉彎性能得到提高。

圖7 短桿鏈摩擦驅動系統

圖8 短桿鏈第1輪組間距變化曲線

圖9 短桿鏈第2輪組間距變化曲線

綜上所述，在設計或改進自適應性摩擦驅動機構時，可以根據實際情況選擇合適的彎道半徑，然后靈活地設計摩擦驅動機構的安放位置，再調整桿鏈中桿的長度，使桿在整個彎道的力矩變化不存在死點，從而保證系統的轉彎性能最佳。

圖10 短桿鏈第3輪組間距變化曲線

3 結束語

本文對自適應性摩擦驅動系統進行了分析，找出了傳統摩擦系統的缺陷，得出了軌道的半徑、桿的長度和摩擦驅動機構安放位置對轉彎特性有一定影響的結論。但該研究工作還可以進一步地拓展和深入，可以對數學模型進行細化、進行系統動力學分析、進行全系統性能分析等，在后續(xù)的研究工作中，可挑選更多相關影響因素，生成更為豐富和精準的系統設計參數，進一步提高自適應性摩擦驅動系統的運行性能。

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TheDynamicsAnalysisofAdaptiveFrictionDriveSystemBasedonADAMS

YANG Lei1,GUO Dahong1,LI Yabin2,ZANG Tiegang2

(1.Jiangsu Miracle Logistics System Engineering Co., Ltd. , Jiangsu Wuxi, 214187, China)(2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

In order to increase the turning performance in adaptive friction drive system, it establishes the statics model of existing friction drive system based on the turning torque, analyzes the statics and kinematics characteristics based on ADAMS, provides the improvement structure. This increases the turning performance and reliability.

Adaptive Friction Drive System; Turning Performance; Static Modeling; Kinematics Analysis

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.04.004

2014-03-28

楊雷(1969—)，男，遼寧海城人，天奇自動化工程股份有限公司工程師，碩士，主要從事自動化物流裝備的研究。

TH772

A

2095-509X(2014)04-0014-03