唐艷華，趙永生

(1.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室，河北 秦皇島 066004;2.燕山大學(xué)先進鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 前言

變位機是將工件回轉(zhuǎn)并傾斜，使工件置于有利加工位置的變位機械，主要用于機架、機座、機殼、法蘭、封頭等非長形焊件的翻轉(zhuǎn)變位，也可以在其上從事切割、堆焊、噴涂等作業(yè)［1］。在重型機械切削加工過程中，工件質(zhì)量大，形狀不規(guī)則，且包含個數(shù)、位置、尺寸均不相同的待加工孔，需要在變位機上完成裝夾定位［2］。由于在工作過程中，變位機需要通過旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)將水平放置的工件擺放到工件的加工位置，而工件在變位機上的裝夾位置并不確定，旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)亦沒有固定的順序，因此變位機承受的載荷并不固定，它隨著工件以及工作位置的不同而變化。

1 變位機結(jié)構(gòu)組成

應(yīng)某公司設(shè)計要求:工件最大質(zhì)量60 t，變位機工作臺直徑5000 mm，夾持工件最大直徑4500 mm，工作平臺翻轉(zhuǎn)角度范圍0～70°，工作平臺自身旋轉(zhuǎn)角度范圍0～360°，自行設(shè)計開發(fā)兩自由度變位機，其三維實體簡化模型如圖1所示。

該變位機具有旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)兩個自由度，主要由旋轉(zhuǎn)工作臺、翻轉(zhuǎn)架和底座三大部分組成，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由兩個液壓馬達(dá)同時驅(qū)動，通過滑動絲杠帶動絲母在其軸線方向上移動，以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)運動。翻轉(zhuǎn)架的上部通過外齒圈交叉滾子轉(zhuǎn)盤軸承與旋轉(zhuǎn)工作臺連接，且為旋轉(zhuǎn)夾緊機構(gòu)的支座;下部(即腿部)與絲母固連。變位機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)主體通過翻轉(zhuǎn)軸放置在變位機基座上。

圖1 重型變位機三維實體簡化模型Fig.1 3D solid model of heavy positioner

2 變位機ADAMS 模型建立

采用MSC 公司的ADAMS 仿真分析軟件，其采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論，采用拉格朗日方程方法來建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，可以對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、動力學(xué)、運動學(xué)分析，并輸出位移、速度、加速度、作用力曲線［5－6］。

利用ADAMS 與Solidworks 的接口，首先在Solidworks 中按照變位機的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立變位機的三維實體模型，然后將三維實體模型導(dǎo)入到ADAMS/View 中。導(dǎo)入模型后，需要重新定義各個部件的材質(zhì)等質(zhì)量參數(shù)，以及在具有相對運動的部件間建立運動副，并添加相應(yīng)的驅(qū)動。兩自由度變位機的ADAMS 實體模型如圖2所示。

圖2 變位機ADAMS 模型Fig.2 ADAMS model of positioner

在底座與大地之間建立固定副，將變位機的底座固定;在翻轉(zhuǎn)驅(qū)動部件和翻轉(zhuǎn)驅(qū)動絲杠之間添加一個轉(zhuǎn)動副;絲杠螺母機構(gòu)之間建立一個螺距為8 mm 的旋副，同時定義一個與螺旋副同方向的圓柱副;變位機旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部件和旋轉(zhuǎn)部件之間添加一個齒輪副;為了使模型更接近現(xiàn)實，在運動副上施加一定的摩擦力。

3 變位機翻轉(zhuǎn)運動仿真

設(shè)定ADAMS/View 中的參數(shù)如下:翻轉(zhuǎn)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速12 r/min;旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速0 r/min;仿真時間1580 s;系統(tǒng)中引入重力加速度。仿真得到變位機翻轉(zhuǎn)角速度隨時間的變化曲線如圖3a 所示。

給定變位機結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Matlab 中編程計算得到翻轉(zhuǎn)角速度變化曲線如圖3b 所示。

從圖3 可以看出，計算所得的變位機翻轉(zhuǎn)角速度曲線與仿真所得的翻轉(zhuǎn)角速度的變化曲線幾乎一致，這說明建立的仿真模型是準(zhǔn)確的。

圖3 變位機翻轉(zhuǎn)角速度隨時間的變化曲線Fig.3 Turnover angular velocity versus time curve of positioner

根據(jù)變位機翻轉(zhuǎn)運動中的位置和絲桿所受軸向力的方向，將絲杠螺母機構(gòu)的受力狀態(tài)分為四種情況:分別是變位機翻起絲桿受拉階段、變位機翻起絲桿受壓階段、變位機回位運動中絲桿受壓階段和變位機回位運動中絲桿受拉階段。

分析計算四種情況下絲杠的效率，由于變位機的各個關(guān)節(jié)所加的摩擦力轉(zhuǎn)化到驅(qū)動電機沿電機軸向的力矩是線性疊加的關(guān)系，可以把計算出來的絲杠效率疊加到旋轉(zhuǎn)電機的輸出扭矩上，得到如圖4 所示的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機的輸出力矩曲線，通過曲線上所標(biāo)出的電機最大輸出力矩，用于指導(dǎo)選擇翻轉(zhuǎn)驅(qū)動電機。

圖4 變位機翻轉(zhuǎn)運動驅(qū)動電機扭矩曲線Fig.4 Drive motor torque curve during positioner rotation

4 變位機旋轉(zhuǎn)運動仿真分析

變位機的運動過程:變位機的旋轉(zhuǎn)工作臺在翻轉(zhuǎn)70°位置，工作臺恒速旋轉(zhuǎn)一周。在實際的工作情況下，在電機減速器之間、齒輪之間和轉(zhuǎn)盤軸承的滾動體與內(nèi)外圈之間存在摩擦力。因此，需要在電機減速器和轉(zhuǎn)盤軸承定義的兩個轉(zhuǎn)動副處定義摩擦力。

轉(zhuǎn)盤軸承的摩擦系數(shù)在0.01～0.015 之間，啟動時為0.015，正常運轉(zhuǎn)時為0.01。本文給出了啟動(實線)和正常運轉(zhuǎn)(虛線)條件下的結(jié)果如圖5 所示，兩條曲線其差值超過4000 N·m。(取直齒輪的傳動效率為0.95)。

圖5 考慮摩擦力時在70°位置旋轉(zhuǎn)一周電機輸出力矩曲線Fig.5 Output torque curve of motor at 70°position with friction for each rotation

轉(zhuǎn)盤軸承的摩擦系數(shù)取0.015 時，工作臺旋轉(zhuǎn)360°過程中電機的最大功率為14.5 kW，此時電機的輸出轉(zhuǎn)速為10 r/min，如果轉(zhuǎn)速提高則電機的功率會相應(yīng)的成比例提高。

5 變位機切削運動仿真分析

在銑削過程中假設(shè)刀具的運動軌跡為圓，運動一周的時間為60 s。將切削力［3］簡化到如圖6所示的坐標(biāo)系的原點，以時間為變量表示的切削力在三個方向上的分量為:

圖6 切削力加載示意圖ig.6 Loading cutting force model in ADAMS

在圖7 所示的位置加載切削力，為了平衡工件的重力和切削力對變位機的影響，需要測量相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)鎖緊力矩和旋轉(zhuǎn)鎖緊力矩。設(shè)定仿真時間為120 s，變位機的鎖緊力矩變化曲線如圖7所示。其中，最大翻轉(zhuǎn)鎖緊力矩為1.03E +006 N·m，最大旋轉(zhuǎn)鎖緊力矩為47945 N·m。該翻轉(zhuǎn)鎖緊力矩和旋轉(zhuǎn)鎖緊力矩可以作為設(shè)計鎖緊裝置的參考標(biāo)準(zhǔn)，從而縮短設(shè)計周期。

圖7 切削加工仿真測得鎖緊力矩曲線Fig.7 Locking torque curve during machining simulation

6 結(jié)論

通過ADAMS 動力學(xué)仿真分析，確定了變位機翻轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的驅(qū)動扭矩，及切削加工過程中鎖緊裝置需要施加的鎖緊力矩，該結(jié)果可以很好地指導(dǎo)變位機幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在變位機設(shè)計初期，充分利用虛擬樣機運動仿真技術(shù)，能夠極大地提高對變位機設(shè)計中可能存在問題(例如干涉問題)的預(yù)見性，從而更加科學(xué)、合理、快速地完成設(shè)計工作。

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