胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)分析及ADAMS仿真

殷國良　尤波　許家忠

摘要：作為輪胎胎面拾取系統(tǒng)的重要組成部分，胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)胎面的效果直接影響胎面質(zhì)量及生產(chǎn)效率.給出一種新型胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，為了探討影響翻轉(zhuǎn)效果因素及影響關(guān)系，對胎面翻轉(zhuǎn)過程進行了運動學(xué)分析，從理論上推斷出不同參數(shù)對翻轉(zhuǎn)效果產(chǎn)生的影響；并利用機械動力學(xué)仿真軟件ADAMs建立了胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)仿真模型，通過改變翻轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)等參數(shù)，對胎面翻轉(zhuǎn)過程進行了不同控制條件下的仿真.研究了翻轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)等因素對翻轉(zhuǎn)效果的影響規(guī)律，為翻轉(zhuǎn)電機選型、確定翻轉(zhuǎn)速度控制規(guī)律以及翻轉(zhuǎn)機構(gòu)摩擦系數(shù)和材料的選擇提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)；運動學(xué)分析；ADAMS；仿真

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.019

中圖分類號：TP391.9

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0100-06

0.引言

隨著自動化程度的提高，笨拙的由人工在輪胎胎面生產(chǎn)線上收取胎面的方式正逐步被淘汰，取而代之的是輪胎胎面自動收取系統(tǒng)，它不僅可以降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，還能提高胎面的質(zhì)量，胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)作為輪胎胎面自動收取系統(tǒng)的一部分，負責(zé)把原生產(chǎn)線擠壓出來的覆面朝下的胎面翻轉(zhuǎn)180°，使之覆面朝上，落到承接裝置上，目前國內(nèi)外胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)大多依賴真空吸盤的吸附作用，在胎面翻轉(zhuǎn)過程中，通過將吸盤抽成真空，產(chǎn)生的吸附力吸住胎面，從而保證胎面被平穩(wěn)的翻轉(zhuǎn)，然而由于單個吸盤的吸附面積及產(chǎn)生的吸附力較小，因此必須采用大量密集分布的吸盤才能滿足要求，這無疑增加了生產(chǎn)成本及維護難度，難以滿足當(dāng)今企業(yè)發(fā)展的要求，因此對不依賴吸盤的胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的研究便顯得很有價值。

ADAMS（automatic dynamic analysis of mechani-cal systems）軟件是基于虛擬樣機技術(shù)的多體動力學(xué)仿真軟件，它可以使產(chǎn)品設(shè)計不依賴于實體樣機，給設(shè)備的調(diào)試和實驗數(shù)據(jù)的分析帶來極大方便，本文以ADAMS軟件建立一種沒有吸盤的胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)模型，通過控制翻轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)等參數(shù)對胎面翻轉(zhuǎn)過程進行運動仿真，分析翻轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)等因素對翻轉(zhuǎn)效果的影響，得出影響規(guī)律，為尋找胎面最佳翻轉(zhuǎn)效果提供依據(jù)。

1.胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作原理及運動學(xué)分析

1.1工作原理

本文設(shè)計和研究的胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1（a）所示，工作時電機驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，使胎面從水平位置翻轉(zhuǎn)180°之后落到承接裝置上，翻轉(zhuǎn)過程中應(yīng)保證胎面相對托架不存在分離、墜落、滑動等情況，或者胎面與托架之間雖有分離、滑動情況，但趨勢很小，不影響正常翻轉(zhuǎn)，整個翻轉(zhuǎn)過程應(yīng)穩(wěn)定可靠的進行，使胎面平穩(wěn)的完成翻轉(zhuǎn)動作，達到最佳翻轉(zhuǎn)效果，翻轉(zhuǎn)過程運動簡圖如圖1（b）所示。

1.2翻轉(zhuǎn)過程運動學(xué)分析

翻轉(zhuǎn)過程中不同階段胎面受力情況各不相同，因此，對翻轉(zhuǎn)過程不同階段胎面受力及運動情況進行分析，確定其受力及運動情況隨翻轉(zhuǎn)角度變化的規(guī)律，為最佳翻轉(zhuǎn)過程的運動規(guī)劃提供一定的參考和依據(jù)，具體可以將胎面翻轉(zhuǎn)過程分為3個階段，小于90°階段，等于90°階段，90°～180°階段。

1.2.1小于90°階段

胎面翻轉(zhuǎn)角度小于90°階段受力情況如圖2所示。

由此可知，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)加減速時間之比應(yīng)足夠大，以克服90°之后胎面重力加速度對胎面翻轉(zhuǎn)的影響，使支持力N保持不小于0的狀態(tài)足夠長，以使胎面盡可能晚的從翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上脫落；同時應(yīng)通過增大翻轉(zhuǎn)角速度和摩擦系數(shù)等參數(shù)，以增加胎面翻轉(zhuǎn)所需的向心力，保證胎面與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)之間相對滑動趨勢最小，從而達到最佳的翻轉(zhuǎn)效果。

1.3運動學(xué)分析總結(jié)

通過以上的運動學(xué)分析可推測，翻轉(zhuǎn)速度、摩擦系數(shù)、翻轉(zhuǎn)過程中加減速時間之比是影響翻轉(zhuǎn)效果的主要因素.速度越大，則翻轉(zhuǎn)所需的向心力越大，胎面才不會因為向心力不足而從翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上滑落；摩擦系數(shù)越高，則所能提供的向心力越大，越能滿足最佳翻轉(zhuǎn)過程的需要；翻轉(zhuǎn)過程中加減速時間之比越大，則胎面重力加速度對翻轉(zhuǎn)的影響越小，翻轉(zhuǎn)效果越佳。

2.胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)建模與仿真分析

2.1仿真模型的建立

由于ADAMS軟件對復(fù)雜機構(gòu)建模的效果差、速度慢，因此沒有必要按照胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的實體形狀對其進行建模，這里對胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)簡化，在ADAMS軟件中，分別用四個長方體構(gòu)件作為胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)托架、外側(cè)擋板、胎面翻轉(zhuǎn)之后的承接裝置及胎面，并按照實際情況對各部件的位置進行分配。

2.2約束和驅(qū)動的添加

實體模型建立完成之后，根據(jù)胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)各部件之間的連接關(guān)系和實際工況添加約束和驅(qū)動，在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和大地之間添加旋轉(zhuǎn)副（joint）和電機驅(qū)動（motion），用于帶動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)繞著中心點旋轉(zhuǎn)；在翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和胎面間添加接觸力（contact），用于模擬實際接觸狀態(tài)；最終建立的胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)仿真模型如圖5所示，其中水平方向為坐標(biāo)系的x軸，豎直方向為坐標(biāo)系的Y軸。

2.3仿真與結(jié)果分析

通過改變電機的速度（在motion中改變）及胎面與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)問的摩擦系數(shù)u（在接觸力contact中改變），對不同翻轉(zhuǎn)速度及摩擦系數(shù)下的胎面翻轉(zhuǎn)過程進行運動仿真，通過ADAMS的Measure建立兩個測量，分別為胎面相對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在x軸方向上偏移量的測量AX，以及胎面外側(cè)相對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)在y軸方向上偏移量的測量AY，在ADAMS/PostProces-sor中加載不同摩擦系數(shù)及翻轉(zhuǎn)速度下的測量曲線，并進行對比分析，研究不同因素對翻轉(zhuǎn)效果的影響規(guī)律。

2.3.1摩擦系數(shù)對胎面翻轉(zhuǎn)效果的影響

將仿真模型中motion速度函數(shù)設(shè)置為STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真時間設(shè)為1.3秒，仿真步數(shù)設(shè)為200步，對摩擦系數(shù)為0、0.5、20三種情況下的翻轉(zhuǎn)過程分別進行仿真，研究在翻轉(zhuǎn)速度曲線相同的情況下，摩擦系數(shù)對翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的影響，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示（其中，JOINT 1-angle為翻轉(zhuǎn)角度，turn-t001.CM_Angular_Velocity.Mag為翻轉(zhuǎn)速度，horizon-taldistance為AX，verticaldistance為AY）。

由圖可知，摩擦系數(shù)為0時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為10°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為350mm；摩擦系數(shù)為0.5時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為50°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為150mm；摩擦系數(shù)為20時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為75mm。

可以看出，在翻轉(zhuǎn)速度曲線一致的情況下，摩擦系數(shù)越高，翻轉(zhuǎn)過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量AY越小，翻轉(zhuǎn)效果俞佳。

仿真結(jié)果驗證了動力學(xué)分析的正確性：摩擦系數(shù)越大，胎面所受到垂直于翻轉(zhuǎn)方向的最大靜摩擦力越大，則胎面所受到的指向翻轉(zhuǎn)中心的合力越趨近于翻轉(zhuǎn)所需的向心力，越能滿足翻轉(zhuǎn)過程中對向心力的要求，從而有效降低胎面相對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)滑落的趨勢，增強翻轉(zhuǎn)效果。

另外，由圖可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，翻轉(zhuǎn)終止位置偏差A(yù)X也隨之增大，這是由于隨著摩擦系數(shù)的減小，仿真過程中胎面脫離翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的時間也越早，胎面向外拋離的趨勢也會增大，由于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)外側(cè)擋板的存在，阻擋了胎面拋離的路徑，使胎面貼近外側(cè)擋板落下，因而翻轉(zhuǎn)終止位置偏差也越小，但翻轉(zhuǎn)過程中胎面脫離現(xiàn)象卻十分明顯，對翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生嚴重影響。這也表明“摩擦系數(shù)越大，翻轉(zhuǎn)效果俞佳”是正確的。

2.3.2速度峰值對胎面翻轉(zhuǎn)效果的影響

將摩擦系數(shù)設(shè)置為20，分別進行如下仿真，1）將motion速度函數(shù)設(shè)置為STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真時間為1.3s，仿真步數(shù)為200步；2）motion函數(shù)為STEP（time，0，0d，0.6，500d）+STEP（time，0.6，0d，0.72，-500d），仿真時間0.73s，仿真步數(shù)為200步；3）motion函數(shù)為STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d），仿真時問為0.4s，仿真步數(shù)為200步；研究在摩擦系數(shù)及翻轉(zhuǎn)電機加減速趨勢相同的條件下，翻轉(zhuǎn)速度峰值對翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的影響，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖7所示（其中，JOINT 1-angle為翻轉(zhuǎn)角度，tumt001.CM-Angular-Velocity.Mag為翻轉(zhuǎn)速度，horizontaldis-tanee為AX，verticaldistance為△Y）。

由圖可知，速度峰值為300°/s時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為75mm，AX最終值為150mm；速度峰值為500°/s時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為120°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為35mm，AX最終值為25mm；速度峰值為900°/s時，當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為160°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為27mm，AX最終值為5mm。

可以看出，在摩擦系數(shù)及翻轉(zhuǎn)電機加減速趨勢相同的情況下，翻轉(zhuǎn)速度峰值越高，翻轉(zhuǎn)過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻轉(zhuǎn)效果俞佳。

仿真結(jié)果驗證了動力學(xué)分析的正確性：翻轉(zhuǎn)速度越小，則胎面翻轉(zhuǎn)所需向心力也越小，當(dāng)所需向心力小于作用在胎面上、垂直于翻轉(zhuǎn)路徑且指向翻轉(zhuǎn)中心的合力后，胎面將有相對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)滑落的趨勢，從而影響翻轉(zhuǎn)效果；而隨著翻轉(zhuǎn)速度的增大，胎面翻轉(zhuǎn)所需的向心力也隨之增大，由于翻轉(zhuǎn)機構(gòu)外側(cè)帶有擋板，因此可滿足胎面翻轉(zhuǎn)過程中對大的向心力的要求，從而有效降低胎面滑動及脫落的趨勢，提升翻轉(zhuǎn)效果。

2.3.3加減速時間之比對胎面翻轉(zhuǎn)效果的影響

將摩擦系數(shù)設(shè)置為20，仿真時間為0.4秒，仿真步數(shù)為200步，分別進行如下仿真，1）將motion速度函數(shù)設(shè)置為STEP（time，0，0d，0.1，900d）+STEP（time，0.1，0d，0.4，-900d）；2）motion函數(shù)為STEP（time，0，0d，0.2，900d）+STEP（time，0.2，0d，0.4，-900d）；3）motion函數(shù)為STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d）；研究在摩擦系數(shù)及翻轉(zhuǎn)電機速度峰值相同的情況下，加減速時間之比對翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的影響，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖8所示（其中，JOINT_1_angle為翻轉(zhuǎn)角度，turnt001.CM_Angular-Veloci-ty.Mag為翻轉(zhuǎn)速度，horizontaldistance為△x，verti-caldistance為AY）。

由圖可知，當(dāng)加速時間小于減速時間時，在翻轉(zhuǎn)角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為175mm，△x最終值為140mm；當(dāng)加速時間等于減速時間時，在翻轉(zhuǎn)角度為125°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為125mm，△x最終值為60mm；當(dāng)加速時間大于減速時間時，在翻轉(zhuǎn)角度為160°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為28mm，△x最終值為5mm。

可以看出，在摩擦系數(shù)和翻轉(zhuǎn)速度峰值相同的情況下，翻轉(zhuǎn)過程中電機加減速時間之比越大，胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻轉(zhuǎn)效果俞佳。

仿真結(jié)果驗證了動力學(xué)分析的正確性：如果加速時間所占比例過小，則在翻轉(zhuǎn)角度達到90°及大于90°之后，胎面將由于重力及慣性等原因產(chǎn)生平拋、斜拋等狀況，無法完成平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，而如果增大加速時間所占比例，則可通過翻轉(zhuǎn)加速度來抵消重力加速度對翻轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的影響，從而降低胎面相對翻轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的分離趨勢，使其盡可能平穩(wěn)的完成翻轉(zhuǎn)。

3.結(jié)論

本文給出了一種胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，對翻轉(zhuǎn)過程進行了運動學(xué)分析，提出了影響翻轉(zhuǎn)效果的因素及影響關(guān)系，并利用ADAMS軟件建立了胎面翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的仿真模型，對胎面翻轉(zhuǎn)過程進行了不同運動狀態(tài)下的仿真，通過仿真可知，在允許的范圍之內(nèi)，胎面與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)之問的摩擦系數(shù)越大、翻轉(zhuǎn)電機速度峰值越高、翻轉(zhuǎn)過程電機加減速時間之比越大，則翻轉(zhuǎn)效果俞佳.通過仿真建立了摩擦系數(shù)、翻轉(zhuǎn)速度等因素對翻轉(zhuǎn)效果的影響規(guī)律，驗證了動力學(xué)分析的正確性，為翻轉(zhuǎn)機構(gòu)摩擦系數(shù)及材料的選擇、翻轉(zhuǎn)電機選型及確定翻轉(zhuǎn)電機速度控制規(guī)律提供了參考和依據(jù)。