任燕珍， 張國梁*， 楊若凡， 畢占龍， 盧 爽

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧木匠創(chuàng)新工作室，河北 保定 071000)

板坯鋪裝成型是熱壓生產(chǎn)中的重要工序。當(dāng)前的工業(yè)化鋪裝技術(shù)對高校和科研院所的試驗研究并不適用[1-2]。研發(fā)適用機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的手工鋪裝十分必要，為此筆者自主研發(fā)了耙輥式纖維鋪裝成型機(jī)構(gòu)[3-6]。耙輥運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的慣性力和力矩會影響耙輥軸和螺旋梳齒的穩(wěn)定性，從而影響鋪裝精度[7-9]。本文以研發(fā)的耙輥式纖維鋪裝成型機(jī)構(gòu)為例，分析其結(jié)構(gòu)組成和工作原理；對關(guān)鍵部件——螺旋耙輥的運(yùn)動特點進(jìn)行理論分析，并通過Solid Works Motion仿真耙輥在主電機(jī)和往復(fù)運(yùn)動電機(jī)雙重驅(qū)動下的運(yùn)動過程，分析梳齒頂點的運(yùn)動軌跡和速度；進(jìn)一步利用ADAMS/AutoFlex建立剛?cè)狁詈习逸亞卧Ｐ停治鰡铀查g的不平穩(wěn)性，最后利用ADAMS/Vibration對耙輥單元進(jìn)行自由振動分析以求解其固有頻率和振型特征，為進(jìn)一步的動力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)分析提供依據(jù)。

1 耙輥式纖維鋪裝成型機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

耙輥式纖維鋪裝成型機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由立柱、轉(zhuǎn)臺、耙輥、步進(jìn)電機(jī)、三相異步電動機(jī)、鏈條傳動、螺母絲杠等組成，耙輥上螺旋布置有梳齒，轉(zhuǎn)臺上有墊板可抽拉的嵌槽。其鋪裝工作原理為：耙輥單元預(yù)先?？吭诟呶涣泓c，墊板插入轉(zhuǎn)臺嵌槽內(nèi)，將木材纖維倒入墊板上，并在四周安放防止纖維溢出的圍板(圖1中沒顯示)；根據(jù)鋪裝工藝條件計算需要的鋪裝厚度和耙輥單元應(yīng)下降的高度，然后升降電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過鏈傳動、螺母絲杠機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)耙輥單元與轉(zhuǎn)臺單元的相對位置；主電機(jī)使能，驅(qū)動耙輥旋轉(zhuǎn)；同時，往復(fù)運(yùn)動電機(jī)通過鏈傳動驅(qū)使耙輥單元在長度為300 mm的范圍內(nèi)反復(fù)運(yùn)動；在運(yùn)動的極限位設(shè)置有光電開關(guān)；耙輥單元往復(fù)運(yùn)動一定次數(shù)后暫停，轉(zhuǎn)臺電機(jī)啟動，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90°，而后重復(fù)耙輥的鋪裝動作；當(dāng)再次完成耙輥單元的往復(fù)運(yùn)動后，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)90°到原位，升降電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動耙輥單元上升到零位；最后將圍板和墊板連同鋪好的纖維取出。

圖1 耙輥式纖維鋪裝機(jī)構(gòu)

1.2 三維建模

以Solid Works 為建模工具，完成各零部件三維實體模型的參數(shù)化設(shè)計和整機(jī)裝配。主要零部件如圖2所示，整機(jī)裝配模型如圖3所示。

圖2 主要零部件

圖3 整機(jī)裝配圖

1.3 機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

耙輥式纖維鋪裝機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)為：鋪裝幅面300 mm×300 mm，鋪裝高度4～20 mm厚的成品板，鋪裝輥數(shù)1個，鋪裝速度100～1 000 mm/s，配套動力7.5 N·m步進(jìn)電機(jī)3臺，0.75 kW三相異步電動機(jī)1臺。

2 螺旋耙輥的運(yùn)動分析

對其關(guān)鍵部件螺旋耙輥進(jìn)行運(yùn)動分析，如圖4所示。

圖4 螺旋耙輥運(yùn)動分析示意圖

設(shè)螺旋耙輥的螺距為Ph，耙輥上梳齒頂點的回轉(zhuǎn)半徑為R，耙輥轉(zhuǎn)速為n1，纖維在耙輥的帶動作用下，沿軸線螺旋傳送速度為v1，則：

(1)

耙輥上梳齒頂點的圓周速度為：

(2)

耙輥在往復(fù)運(yùn)動電機(jī)的驅(qū)動作用下水平移動，設(shè)往復(fù)運(yùn)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n2，螺距為Pl，則耙輥軸線水平移動速度v3為：

(3)

則梳齒頂點的絕對運(yùn)動速度v為：

v=v2+v3

(4)

在X-Y-Z坐標(biāo)系下，梳齒頂點速度的X坐標(biāo)分量為：

(5)

梳齒頂點速度的Z坐標(biāo)分量為：

(6)

3 螺旋耙輥系統(tǒng)的運(yùn)動仿真和模態(tài)分析

3.1 螺旋耙輥系統(tǒng)的運(yùn)動仿真

通過Solid Works Motion 插件仿真螺旋耙輥在主電機(jī)和往復(fù)運(yùn)動電機(jī)雙重驅(qū)動下的運(yùn)動過程，分析梳齒頂點的運(yùn)動軌跡和速度。為了簡化分析，縮短仿真計算時間，將整機(jī)裝配中驅(qū)動螺旋耙輥往復(fù)運(yùn)動的絲杠、鏈傳動等部件去掉，簡化后的螺旋耙輥運(yùn)動模型如圖5所示。定義兩個伺服電機(jī)，第一個電機(jī)驅(qū)動螺旋耙輥系統(tǒng)沿滑道平移，移動速度為6 mm/s；第二個電機(jī)驅(qū)動螺旋耙輥旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為60 r/min。在三維坐標(biāo)平面內(nèi)，螺旋耙輥上梳齒頂點的空間運(yùn)動軌跡曲線為空間螺旋擺線。建立直角坐標(biāo)系，定義螺旋耙輥系統(tǒng)平移方向為X方向，豎直方向為Z方向，根據(jù)右手定則確定Y方向，在該坐標(biāo)系下梳齒頂點在Z和X兩個方向上的速度變化曲線如圖6所示。

圖5 簡化后的螺旋耙輥運(yùn)動模型

圖6 梳齒頂點的速度變化

圖6表明，梳齒頂點的Z向和X向速度皆按簡諧運(yùn)動規(guī)律變化，與公式(5)和公式(6)的理論分析一致。在X向速度曲線中，速度最大值與最小值絕對值的差值代表著水平移動速度v3。為了實現(xiàn)纖維的鋪裝，梳齒頂點的速度應(yīng)與纖維的堆積密度成比例，不應(yīng)出現(xiàn)因速度過大而將纖維拋撒過遠(yuǎn)的情況。為方便調(diào)節(jié)v3和v2，主運(yùn)動電機(jī)和往復(fù)運(yùn)動電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)脈沖數(shù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

3.2 螺旋耙輥系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⑴c運(yùn)動仿真

在Solid Works中進(jìn)行Motion運(yùn)動分析時，視螺旋耙輥軸為剛性體，并未考慮變形的影響。但實際的動態(tài)分析中，不能忽略柔性體對動態(tài)性能的影響，為比較精確地仿真耙輥的鋪裝運(yùn)動，需將細(xì)長且容易變形的螺旋耙輥軸進(jìn)行柔性化處理。利用軟件之間的接口將簡化后的螺旋耙輥模型導(dǎo)入ADAMS/View中，并添加約束，驅(qū)動力、材質(zhì)等信息，ADAMS/View中的單位制為MMKS。采用ADAMS/AutoFlex模塊對螺旋耙輥軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成柔性體。剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D7所示，圖7中，紅色的螺旋耙輥軸為柔性體，并與左右軸承組成轉(zhuǎn)動副連接，左右軸承座與左右滑道間分別建立移動副連接，左右滑道與大地固結(jié)，由于實物樣機(jī)中綠色的螺旋耙輥、淺藍(lán)色的左右堵板與中間的螺旋耙輥軸之間焊合，因此在ADAMS中，用固定副將螺旋耙輥的各個零件固結(jié)。

圖7 簡化后的螺旋耙輥運(yùn)動剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

與Solid Works相同，在螺旋耙輥軸與軸承之間的轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動，大小為6 mm/s；并在軸承座與滑道的移動副上添加驅(qū)動，大小為360°/s。在螺旋耙輥的梳齒頂點定義marker點，仿真分析該點的速度變化曲線如圖8所示。

由于ADAMS大地坐標(biāo)系與圖5 Solid Works中所建立的坐標(biāo)系不同，因此曲線坐標(biāo)軸有所不同，圖8中的藍(lán)色線代表的曲線與圖6中(a)曲線相對應(yīng)，紅色線代表的曲線與圖6中(b)曲線相對應(yīng)。圖8表明，在鋪裝動作啟動的瞬時系統(tǒng)出現(xiàn)振動，以柔性體形式存在的螺旋耙輥軸出現(xiàn)微小變形，導(dǎo)致啟動不平穩(wěn)，梳齒頂點的速度曲線在近0.2 s的時間內(nèi)呈鋸齒狀。

圖8 剛?cè)狁詈舷率猃X頂點的運(yùn)動速度曲線

3.3 螺旋耙輥系統(tǒng)的模態(tài)分析

螺旋耙輥系統(tǒng)在完成纖維鋪裝的過程中，往復(fù)換向、螺旋傳動間隙、鏈條張緊度等因素都將成為引起螺旋耙輥系統(tǒng)振動的激勵信號，如果激勵頻率與螺旋耙輥系統(tǒng)的固有頻率相等或者接近，則可能引起共振[10-12]。為此，對螺旋耙輥系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到系統(tǒng)的固有振動頻率和模態(tài)分布。

在ADAMS/Vibration中對圖7所示的螺旋耙輥系統(tǒng)進(jìn)行自由振動分析以求解其固有頻率和每階模態(tài)對應(yīng)的振型特征，圖9是螺旋耙輥系統(tǒng)的模態(tài)分布，表1是螺旋耙輥系統(tǒng)的特征值和固有頻率，其中每階模態(tài)的實部均小于零，因此系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)的，且均處于欠阻尼狀態(tài)。

表1 螺旋耙輥系統(tǒng)的特征值與固有頻率

圖9 螺旋耙輥系統(tǒng)的模態(tài)分布

4 結(jié)論

(1)分析了耙輥式纖維鋪裝機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，利用Solid Works建立了三維模型。梳齒頂點的運(yùn)動仿真與理論分析一致。

(2)仿真分析表明剛?cè)狁詈系穆菪逸佅到y(tǒng)在啟動瞬時存在振動，梳齒頂點的速度曲線初始時刻呈現(xiàn)鋸齒狀。

(3)基于ADAMS/Vibration的螺旋耙輥系統(tǒng)的自由振動分析表明系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)的，且均處于欠阻尼狀態(tài)。為鋪裝過程避免發(fā)生共振提供了數(shù)據(jù)分析和理論依據(jù)，為進(jìn)一步的瞬態(tài)動力學(xué)和受迫振動分析奠定了基礎(chǔ)。