基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析

陳 雷，李 強，劉 武

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.中國兵器工業(yè)第二○八研究所，北京 102202)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析

陳 雷1，李 強1，劉 武2

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.中國兵器工業(yè)第二○八研究所，北京 102202)

基于某武器凸輪自動機的機構(gòu)運動原理，設計了一套自動機機構(gòu)運動狀態(tài)試驗裝置，用于測試并檢測供輸彈過程中自動機機構(gòu)的運動規(guī)律防止其在供輸彈過程出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，利用UG軟件建立了三維模型，并基于多體動力學和剛?cè)狁詈侠碚搶υ撛囼灆C構(gòu)進行了運動學仿真分析，通過對比分析不同轉(zhuǎn)速下試驗機構(gòu)關重件的運動規(guī)律，可以看出該種新型試驗機構(gòu)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，證明該機構(gòu)的設計方法可行。

凸輪自動機；試驗裝置；結(jié)構(gòu)設計；剛?cè)狁詈戏治?/p>

凸輪在機械行業(yè)的應用非常廣泛，在武器上也有很多特殊應用，隨著社會矛盾的日益升級和恐怖主義的肆意猖獗，武器的發(fā)展和應用顯得尤為重要[1]，對于使用凸輪自動機的武器而言，為了提高武器的使用效能，就要測試凸輪自動機的機構(gòu)運動規(guī)律及相關受力情況，以便對武器結(jié)構(gòu)進行改進。本研究基于一種凸輪自動機的機構(gòu)工作原理，設計了一套新型的自動機機構(gòu)運動狀態(tài)試驗裝置，通過調(diào)整機構(gòu)位置并添加測試元器件，實現(xiàn)測試試驗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計，利用動力學析驗證新機構(gòu)的可行性和穩(wěn)定性[2]，對同樣使用凸輪自動機武器的研究和發(fā)展具有一定的參考價值。

1 凸輪自動機機構(gòu)組成和工作原理

凸輪自動機采用外能源驅(qū)動，主要包括撥彈機構(gòu)和壓彈脫鏈機構(gòu)，利用凸輪曲線槽和回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)機構(gòu)的循環(huán)往復運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)連續(xù)射擊。

如圖1所示：電機驅(qū)動滾筒，滾筒曲線槽和滑板輥子驅(qū)使曲線槽滑板在機匣導槽的約束下做前后直線運動。曲線槽滑板上表面加工有平面曲線槽，并通過曲臂輥子帶動曲臂繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，帶動另一端的撥彈滑板做直線撥彈運動，撥彈齒越過彈鏈節(jié)撥彈。撥彈到位以后，滾筒前端的凸輪開始觸動頂桿，驅(qū)使頂桿帶動滑塊做豎直方向直線運動(滑塊的運動由機匣上豎直方向的導槽控制)，滑塊上固定的連接銷帶動回轉(zhuǎn)杠桿繞軸回轉(zhuǎn)，杠桿的另一端帶動壓彈齒在脫鏈桿導槽中做豎直運動，壓彈齒在彈和彈鏈之間，彈鏈掛在脫鏈桿上，當壓彈齒運動到最下端的極限位置時，彈鏈完成脫彈，接著回轉(zhuǎn)杠桿在凸輪和扭簧的作用下復位，撥彈滑板繼續(xù)帶動撥彈齒撥彈。至此，整個自動機完成了一個循環(huán)的撥彈和壓彈脫鏈。

圖1 凸輪自動機關重件結(jié)構(gòu)簡圖

2 試驗裝置結(jié)構(gòu)設計

若要測試機構(gòu)的運動規(guī)律，必須添加測試需要的元器件，而原凸輪自動機結(jié)構(gòu)十分緊湊，無法添加，所以設計一套新型的凸輪自動機機構(gòu)運動規(guī)律測試試驗裝置，其中凸輪自動機中撥彈機構(gòu)的撥彈行程和撥彈速度由曲線槽滑板上表面曲線槽的位移和曲臂的回轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定；壓彈脫鏈機構(gòu)的壓彈行程和壓彈速度由滾筒前端凸輪的最大偏心距和回轉(zhuǎn)杠桿的回轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定，因此在保證以上機構(gòu)運轉(zhuǎn)一致性的情況下，添加測試元件，實現(xiàn)運動參數(shù)[3]的測試。

2.1 機構(gòu)的組成及工作循環(huán)

試驗機構(gòu)的設計要滿足質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便快捷等特點。試驗裝置主要由滾筒機構(gòu)、撥彈機構(gòu)和壓彈脫鏈機構(gòu)組成，滾筒一方面帶動撥彈滑板撥彈到位，另一方面驅(qū)使壓彈齒壓彈脫鏈。結(jié)構(gòu)設計中應保證撥彈機構(gòu)和壓彈脫鏈機構(gòu)的運動規(guī)律與原槍的機構(gòu)運動規(guī)律一致，這樣才能保證測試結(jié)果的正確性。

如圖2所示，電機驅(qū)動滾筒，電機的輸出端和滾筒的輸入端之間利用扭矩傳感器測試自動機的扭矩變化規(guī)律，滾筒筒身上加工的曲線槽驅(qū)動曲線槽滑板沿機匣導槽方向做直線運動，驅(qū)動曲臂下滑板在機匣蓋導槽的限制下做垂直于曲線槽滑板運動方向的運動。曲臂下滑板帶動曲臂做回轉(zhuǎn)運動，曲臂上滑板與撥彈滑板之間固定連接有拉壓力傳感器和加速度傳感器。曲臂回轉(zhuǎn)帶動撥彈滑板撥彈，同時可以反映撥彈機構(gòu)的撥彈加速度和撥彈力的變化規(guī)律。另外固定在一邊撥彈行程方向上的激光位移傳感器可以測出撥彈滑板的撥彈位移變化。撥彈到位后，曲線槽滑板、曲臂和撥彈滑板等處于靜待狀態(tài)，滾筒前端的凸輪機構(gòu)運動到位，如圖2所示，凸輪開始驅(qū)動頂桿和滑塊沿機匣豎直方向的導槽做直線運動。此時與滑板固連的銷軸帶動回轉(zhuǎn)杠桿回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)杠桿帶動壓彈滑板做豎直方向直線運動。壓彈滑板與壓彈齒之間通過連桿固連有拉壓力傳感器和加速度傳感器，可以測試壓彈脫鏈過程中力和加速度。另外底端固定的激光位移傳感器(圖中未標出)可以測試壓彈滑板的壓彈行程。壓彈脫鏈過程彈鏈在脫鏈桿上端，彈在脫鏈桿下端。當彈和彈鏈撥彈到位時，壓彈齒正好卡在彈和彈鏈之間，壓彈滑板向下運動，帶動壓彈齒完成壓彈脫鏈。

1.壓彈齒; 2.模型彈; 3.彈鏈; 4.脫鏈桿; 5.撥彈滑板; 6.加速度傳感器; 7.拉壓力傳感器; 8.曲臂上輥子; 9.曲臂上滑板; 10.曲臂; 11.機匣上蓋12.曲臂下滑板; 13.曲線槽滑板; 14.激光位移傳感器; 15.機匣; 16.頂桿; 17.滾筒; 18.滑塊; 19.滑塊連接銷; 20.回轉(zhuǎn)杠桿; 21,壓彈滑板

圖2 測試試驗裝置關重件結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 三維建模

基于凸輪自動機的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，利用UG軟件對設計裝置進行三維建模，為了了解機構(gòu)的運動規(guī)律和相關的運動參數(shù)，對原自動機結(jié)構(gòu)重新設計布局，增加構(gòu)件間的安裝空間，通過連桿等輔助零件添加加速度傳感器、拉壓力傳感器和激光位移傳感器，并在電機和自動機主軸之間添加扭矩傳感器，如圖3所示，電機減速器和自動機之間加裝了扭矩傳感器，自動機工作過程中將彈箱中的彈和彈鏈撥彈到位，并完成彈鏈脫彈，機構(gòu)完成一個運轉(zhuǎn)循環(huán)，與此同時，扭矩傳感器和其他測試元器件可完成所需測試。

3 試驗機構(gòu)動力學分析

通過ADAMS仿真分析軟件對設計機構(gòu)進行動力學仿真分析[4]，將設計的自動機結(jié)構(gòu)三維模型導入ADAMS軟件中，設計滾筒的最小轉(zhuǎn)速為60 r/min，最大轉(zhuǎn)速為300 r/min，分析撥彈到位和壓彈脫鏈運動過程機構(gòu)的運動規(guī)律，將彈鏈柔性化，對彈鏈進行網(wǎng)格劃分，通過有限元軟件進行模態(tài)分析計算并得到mnf模態(tài)文件，再通過ADAMS/Flex模塊導入ADAMS/View中，進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真分析[5]。

根據(jù)仿真分析可知，在兩種極限轉(zhuǎn)速下，曲線槽滑板和撥彈滑板傳動平穩(wěn)，撥彈機構(gòu)運行穩(wěn)定，滿足設計要求，能夠完成需要的動作，圖4～圖7給出了不同轉(zhuǎn)速下曲線槽滑板和撥彈滑板的位移速度曲線。曲線槽滑板通過曲臂控制撥彈滑板的運動，轉(zhuǎn)速為60 r/min時，曲線槽滑板和撥彈滑板的運行速度分別約為0.6 m/s和0.5 m/s；轉(zhuǎn)速為300 r/min時，速度分別約為3 m/s和2.5 m/s,運行位移分別為157 mm和63.5 mm，不隨轉(zhuǎn)速的改變發(fā)生變化，撥彈機構(gòu)的運行穩(wěn)定，滿足設計要求，能夠完成需要的動作。

圖4 60 r/min轉(zhuǎn)速下曲線槽滑板的位移速度曲線

圖5 300 r/min轉(zhuǎn)速下曲線槽滑板的位移速度曲線

圖6 60 r/min轉(zhuǎn)速下?lián)軓椈宓奈灰扑俣惹€

圖7 300 r/min轉(zhuǎn)速下?lián)軓椈宓奈灰扑俣惹€

壓彈齒的運動由頂桿通過回轉(zhuǎn)杠桿控制，頂桿向上運動時壓彈齒開始向下壓彈脫鏈。通過仿真結(jié)果，轉(zhuǎn)速為60 r/min時，頂桿和壓彈齒的運行速度分別為0.25 m/s和0.45 m/s；轉(zhuǎn)速為300 r/min時，頂桿和壓彈齒的運行速度分別為1.25 m/s和2.25 m/s,運行位移分別為26 mm和44 mm，都不隨轉(zhuǎn)速的改變發(fā)生變化，壓彈脫鏈機構(gòu)的運動規(guī)律滿足設計要求，實現(xiàn)了設計功能[6]。圖8～圖11給出了頂桿和壓彈齒的位移速度曲線。

圖8 60 r/min轉(zhuǎn)速下頂桿的位移速度曲線

圖10 60 r/min轉(zhuǎn)速下壓彈齒的位移速度曲線

在兩種轉(zhuǎn)速下，分別進行兩個周期的仿真分析，第一個周期為機構(gòu)空行運轉(zhuǎn)，即沒有帶彈運行，第二個周期機構(gòu)帶彈運行，撥彈滑板完成撥彈到位，并由壓彈齒完成壓彈脫鏈。對比兩個周期的機構(gòu)位移速度變化可以看出，撥彈滑板和壓彈齒的速度變化與滾筒的轉(zhuǎn)速變化成正比關系，而且各機構(gòu)在最小轉(zhuǎn)速或最大轉(zhuǎn)速下兩個仿真周期內(nèi)的運動變化規(guī)律一致，無跳動，說明該試驗機構(gòu)設計可靠，滿足運動要求。

4 結(jié)束語

設計了一種新型凸輪自動機試驗裝置，使用ADAMS軟件進行了動力學仿真分析。仿真結(jié)果表明該實驗裝置各機構(gòu)運行平穩(wěn)，能夠完成測試所需的運動需求。該種結(jié)構(gòu)設計方法也可用于其他類似機構(gòu)的設計，具有一定的工程實踐參考價值。

[1] 薄玉成,王惠源,李強.自動機結(jié)構(gòu)設計[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2009:127-166.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2009:3-20.

[3] 劉吉，周漢昌.自動機運動規(guī)律測試系統(tǒng)的研制[J].光學與光電技術(shù)，2000(5):23-25.

[4] 郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008:238-245.

[5] 陳燦，錢林方，石海軍，等.基于剛?cè)狁詈系哪硰椝幑┹敊C構(gòu)振動分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2013(2)：59-62.

[6] 魯剛，何云峰，王昭，等.自動機運動模擬裝置設計及實驗分析[J].南京理工大學學報,2012(5):810-813.

(責任編輯 周江川)

Design and Dynamic Analysis of a Test DeviceBased on the Cam Automata

CHEN Lei1， LI Qiang1， LIU Wu2

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051， China；2.No. 208 Research Institute, China Ordnance Industries，Beijing 102202，China)

For a weapon automata ammunition feeding process of one card lag phenomenon, based on the mechanism motion principle of the CAM automata, we designed a new set of automata organ motions test device, and used it for test and inspect the movement of institutions of the automata in the ammunition feeding process, and the three-dimensional model was established based on UG software, and we carried on the kinematics simulation analysis to the test group based on the theory of multi-body dynamics and the rigid-flexible coupling. Through the comparison analysis of the test institutions key-module motion law under different radio frequency, it can be seen that the new test institutions operation is stable and proves that the structure design method is feasible.

cam automata; test device; structure design; rigid-flexible coupling analysis

2016-11-29；

2016-12-26

國防科研基金資助項目(A0820132003)

陳雷(1989—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和動力學仿真技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.04.015

陳雷，李強，劉武.基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析[J].兵器裝備工程學報，2017(4):68-71.

format:CHEN Lei，LI Qiang，LIU Wu.Design and Dynamic Analysis of a Test Device Based on the Cam Automata[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):68-71.

TJ203

A

2096-2304(2017)04-0068-04