基于ADAMS的落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及性能分析

徐立峰，張 雷，黃積朋

（1. 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112 ；2. 上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

隨著現(xiàn)代機(jī)械加工的發(fā)展及各種新型材料的不斷出現(xiàn)，對加工精度和表面粗糙度要求越來越高，其相應(yīng)地發(fā)展了先進(jìn)的磨削技術(shù)和磨具，而涂附磨具也向著更高效、高壽命和超精密的方向發(fā)展[1]。靜電植砂設(shè)備是生產(chǎn)涂附磨具的一種新型設(shè)備，它主要由激振器、電場調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來組成。落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是對落砂量進(jìn)行無級調(diào)速，在整個靜電植砂設(shè)備中起著重要的作用。落砂量影響著植砂密度，落砂均勻度影響著植砂均勻度。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種利用計算機(jī)模型來代替物理模型，分析研究實際產(chǎn)品的各種特效的新技術(shù)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以使設(shè)計的產(chǎn)品在概念設(shè)計時期迅速地進(jìn)行分析、比較各種設(shè)計方式，獲得最優(yōu)工作性能。同時減少了對物理樣機(jī)的束縛，節(jié)省制造時間、提升了產(chǎn)品的性能[2,3]。

本文對某新型振動落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了研究，用振動板取代落砂輥，設(shè)計了利用氣缸來粗略控制、用砂刀進(jìn)行精細(xì)控制落砂量的新式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。用So lidw orks軟件完成了落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的模型設(shè)計，將模型導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，并對落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)仿真，驗證了落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計情況，為后續(xù)的研究提供有效依據(jù)。

1 工作原理

落砂調(diào)節(jié)裝置主要由長軸、轉(zhuǎn)動塊、限流板、砂刀、連接桿和擺桿組成。創(chuàng)建零件圖并進(jìn)行裝配，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。轉(zhuǎn)動塊固定安裝在砂斗的兩端，長軸安裝于轉(zhuǎn)動塊中，與之形成轉(zhuǎn)動副，跟擺桿固定連接。限流板通過連接桿與長軸相連，使限流板位于砂斗與激振板所形成的落砂口的正前方，砂刀通過螺栓與限流桿固接，振動板通過懸片固定連接在砂斗兩端面上。

圖1 落砂調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

控制氣缸行程可以帶動擺桿轉(zhuǎn)動，限流板會隨著以長軸為旋轉(zhuǎn)中心，以一定半徑在較小的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，這樣就可調(diào)節(jié)限流板至落砂口的距離，起到控制落砂量的作用。

控制氣缸調(diào)節(jié)裝置可以基本實現(xiàn)控制落砂量的功能，但局限于氣缸的靈敏度，上述結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行粗略調(diào)節(jié)，當(dāng)限流板到落砂口的距離與理想距離比較接近時，還需用砂刀進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。砂刀調(diào)節(jié)裝置主要由固定螺母、進(jìn)給螺栓、后退螺栓與限流板相連，進(jìn)給螺栓為中空結(jié)構(gòu)，其外徑為螺紋，內(nèi)徑為光孔。砂刀與限流板的示意圖如圖2所示。砂刀是落砂系統(tǒng)中與砂粒直接接觸的部件，刃口應(yīng)該有很好的直線度，在調(diào)節(jié)過程中，能夠始終保持與激振板保持均勻的縫隙。

圖2 砂刀裝配圖

若要增加落砂量，先松開固定螺栓，接著松開進(jìn)給螺栓至合適位置，再擰緊后退螺栓，最后擰緊固定螺母防止落砂松開，微調(diào)完畢；若要減小落砂量，則先松開固定螺母，再由進(jìn)給螺栓實現(xiàn)砂刀的進(jìn)給量，滿足要求后，擰緊固定螺母即可完成微調(diào)。

2 落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

傳統(tǒng)的落砂方式主要有落砂輥式、刮片式和自由落體式[4]，直到上世紀(jì)90年代之前都采用相對較好的輥式落砂機(jī)構(gòu)。輥式落砂機(jī)構(gòu)主要由落砂輥、砂刀、沙箱組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。輥式落砂機(jī)構(gòu)是利用落砂輥轉(zhuǎn)速的變化，以及落砂輥與砂刀之間的間隙變化的調(diào)整來得到不同的落砂量。

圖3 輥式落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

圖4 振動落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

這種落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較簡單，但是由于落砂輥與沙箱兩面均有間隙，在落砂過程中非落料口的另一側(cè)也會出現(xiàn)落砂現(xiàn)象，而且長期運作時落砂輥表面會與砂粒接觸磨損產(chǎn)生凹凸不平，影響落砂輥的使用壽命。落砂輥旋轉(zhuǎn)過快的時候，落砂口容易堵砂，形成很高的阻抗，從而很難控制落砂的均勻度，很大程度上影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

新式的振動落砂機(jī)構(gòu)如圖4所示，用振動板取代了落砂輥，通過不斷激振，可以避免堵砂現(xiàn)象。振動板傾斜設(shè)計，可以保證砂落入振動板表面時，因為重力與振動板表面力的共同作用下產(chǎn)生指向落砂口的力，從而可以避免兩端漏砂現(xiàn)象。

新式落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比傳統(tǒng)落砂機(jī)構(gòu)，避免了因磨損、堵砂、漏砂等現(xiàn)象，利用氣缸和連桿機(jī)構(gòu)對落砂進(jìn)行粗略調(diào)整并且用砂刀進(jìn)給進(jìn)行微調(diào)，大大提高了落砂的均勻度，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了落砂機(jī)構(gòu)使用壽命。

3 落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運動仿真

ADAMS是美國MDI公司(Mechanical Dynam ics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件[5]，利用ADAMS軟件可以建立計算機(jī)模型來代替物理樣機(jī)，從而可以很方便快捷的對物理樣機(jī)進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)分析。

3.1 建立虛擬樣機(jī)

ADAMS支持的格式主要有stp，x_t，igs，cm d等，將So lidw orks建立的落砂調(diào)節(jié)裝置的三維模型另存為Paraso lid(*.x_t)格式，從ADAMS里選擇要導(dǎo)入的x_t文件。

3.2 添加約束和驅(qū)動

該機(jī)構(gòu)在ADAMS 中建立的虛擬樣機(jī)模型并施加約束與驅(qū)動，轉(zhuǎn)動塊與長軸之間添加旋轉(zhuǎn)副，連桿下表面與限流桿的上表面添加接觸副，氣缸的直線運動可以用長軸端部中心添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動來進(jìn)行替換，約束與驅(qū)動添加如圖5所示。仿真時間為4s，步長為150，驅(qū)動函數(shù)為0.523-ATAN（（80-10*TIME）/138.564）。

圖5 添加約束和驅(qū)動

3.3 落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析

由于安裝時擺桿與地面的夾角為30度，控制氣缸使限流桿和砂刀旋轉(zhuǎn)30度的時候，砂刀已保持豎直方向，超過30度的轉(zhuǎn)動對落砂的速度沒有作用，故對旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行了仿真。進(jìn)入ADAMS/Post Processor后處理模塊，仿真圖形如圖6所示。

圖6 限流板轉(zhuǎn)動角度

由圖6可以看出氣缸在行程內(nèi)，限流板轉(zhuǎn)動的角度為27度，在要求范圍之內(nèi)，可以有效的控制落砂量。砂刀與落砂口之間的距離控制對落砂的速度和均勻性有很大的影響，距離越大落砂的速度也就越快。因此，對砂刀與落砂口之間的位移研究有著重要意義，位移仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 砂刀與落砂口之間的位移

由圖7中的曲線結(jié)果可知，砂刀與落砂口之間的距離是一條連續(xù)的曲線，最小距離為0mm，最大距離為90mm，砂粒的體積很小，通常粒度在10-3mm的數(shù)量級，通過仿真結(jié)果我們可以看出來，砂刀與落砂口的距離可以在一個較為寬泛的位移區(qū)間進(jìn)行選擇，可以有效的根據(jù)實際需求來設(shè)置氣缸參數(shù)，從而生產(chǎn)不同密度的涂附磨具。

3.4 落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

長軸與轉(zhuǎn)動塊之間由于承受著限流板、連桿和砂刀的重量，還存在著旋轉(zhuǎn)副，很容易失效。需對長軸與轉(zhuǎn)動塊之間的接觸力進(jìn)行仿真分析。

圖8 長軸與轉(zhuǎn)動塊接觸力

從圖8中可以看出，長軸接觸面受最大力Fx=4.8×102N , Fy= 1.8×103N，Y方向的接觸力變化最大，在設(shè)計分析的時候應(yīng)對其進(jìn)行強(qiáng)度校核；Z方向即軸向力很小，幾乎為0，當(dāng)激振器縱向振動的時候，軸向力會有變化；X方向的力方向與運動方向相反，大小比Y方向的小。這些參數(shù)為擺桿、連桿、長軸的尺寸設(shè)計、材料的選取以及受力變形、疲勞壽命的研究提供了可靠的依據(jù)。長期工作之后，長軸會因為Y方向的力過大，產(chǎn)生彎曲變形，從而跟連桿之間產(chǎn)生過大的阻抗，破壞旋轉(zhuǎn)副，可以通過增加連桿個數(shù)的方法，來減輕分擔(dān)因為重力產(chǎn)生的接觸力過大。

4 結(jié)束語

本文對振動落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，與傳統(tǒng)的落紗調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比較，該機(jī)構(gòu)具有落紗均勻度高、使用壽命長等優(yōu)點，并且實現(xiàn)了落砂裝置的無級調(diào)速功能。利用ADAMS完成了落砂調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，得到相關(guān)的性能參數(shù)，通過對仿真結(jié)果分析，直觀的了解設(shè)備的整體構(gòu)造和運動過程，縮短了設(shè)備的研究時間和成本。該機(jī)構(gòu)已投入實際生產(chǎn)制造，通過氣缸控制可以很好的調(diào)節(jié)落砂量，再利用砂刀來進(jìn)行微調(diào)，可以有效地實現(xiàn)漏沙的無級調(diào)速功能，取得了令人滿意的效果。

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