基于ADAMS的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的振動分析

劉繼忠，祝順風(fēng)，葉艷輝

（南昌大學(xué)機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌330031）

基于ADAMS的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的振動分析

劉繼忠，祝順風(fēng)，葉艷輝

（南昌大學(xué)機器人與焊接自動化重點實驗室，江西南昌330031）

針對旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在焊接時存在的振動現(xiàn)象，先通過ADAMS聯(lián)合ANSYS對傳感器建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，在此基礎(chǔ)上再利用ADAMS/Vibration對模型進行模態(tài)分析和強迫振動分析，得到系統(tǒng)的各階固有頻率、模態(tài)主振型以及頻率響應(yīng)曲線，為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)改進提供了基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器；ADAMS；振動分析；剛?cè)狁詈?/p>

1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采用圓錐擺動原理，電機、調(diào)心球軸承1、兩個深溝球軸承固定在外殼上。導(dǎo)電桿穿過空心軸，在導(dǎo)電桿上部安裝調(diào)心球軸承1，并通過它與外殼連接，在導(dǎo)電桿下部安裝調(diào)心球軸承2，調(diào)心球軸承2固定在偏心機構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)滑塊在偏心機構(gòu)中的位置，使導(dǎo)電桿與空心軸軸線存在一個角度。由于偏心機構(gòu)與空心軸保持固定，當(dāng)電機帶動空心軸旋轉(zhuǎn)時，固定在偏心機構(gòu)中的調(diào)心球軸承外圈就會撥動導(dǎo)電桿做圓錐運動。

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

利用Pro/E根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)建立三維模型，并將其保存為IGES格式，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中，并添加材料屬性及運動副，模型在ADAMS中的總體坐標系方向如圖1所示。此時ADAMS軟件中的構(gòu)件都為剛性構(gòu)件，在受力的情況下不會發(fā)生變形，但是在現(xiàn)實中，一些重要零件的變形會嚴重影響機構(gòu)的正常運作。本研究中焊炬連接件薄而長，支撐著旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的運動，承受著比較大的力和力矩，它的變形直接對焊接產(chǎn)生重大影響，因此，在振動分析前應(yīng)將焊炬連接件由剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體。

圖1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)示意

2.1 柔性體的生成

ADAMS中自帶有創(chuàng)建柔性體的模塊，但由于焊炬連接件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以通過ADAMS/AutoFlex模塊創(chuàng)建柔性體比較困難[1]。利用ANSYS進行柔性化處理，將焊炬連接件從剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體的過程如下：

（1）導(dǎo)入模型。將Pro/E中焊炬連接件的三維模型導(dǎo)出成IGES格式，然后通過接口技術(shù)導(dǎo)入到ANSYS中，并設(shè)置單位。

（2）創(chuàng)建有限元模型。在這一步中需要定義單元類型、材料屬性以及劃分網(wǎng)格。在選用單元類型時，如果模型比較復(fù)雜，應(yīng)選擇適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的四面體單元，如果結(jié)構(gòu)簡單則選擇六面體單元。Soild187是帶中間節(jié)點的四面體。由于焊炬連接件的模型比較復(fù)雜，選用Soild187網(wǎng)格單元。焊炬連接件的材料是硬鋁LY12，查手冊知其彈性模量為0.68e11（單位：Pa），泊松比0.34，密度2 700 kg/m3。本研究采用自動劃分網(wǎng)格來進行，Smart Size的大小為3。

（3）創(chuàng)建剛性區(qū)域。在與其他構(gòu)件有關(guān)聯(lián)運動副位置上創(chuàng)建interfacenodes，然后單擊菜單preprocessor→coupling/ceqn→rigid region，拾取interface nodes及其附近的節(jié)點，將柔性件與其他構(gòu)件相連的區(qū)域定義為剛性區(qū)域。設(shè)置完成后的模型如圖2所示。

圖2 焊炬連接件在ANSYS中柔性化的模型

（4）生成MNF文件：單擊菜單solution→ADAMS connection→Exportto ADAMS，選取節(jié)點后，單擊Solve and treatexponfile to ADAMS按鈕后，ANSYS開始求解，并生成MNF文件。

2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

將MNF文件導(dǎo)入ADAMS中，單擊菜單Build→Flexible Bodies→Rigid to Flex，將原先的剛性構(gòu)件替換成ANSYS中生成的MNF文件，最后得到的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

3 振動分析

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的振動特性即固有頻率和模態(tài)振型。利用ADAMS/Vibration對系統(tǒng)進行模態(tài)分析得到系統(tǒng)的各階模態(tài)的固有頻率和振型，該系統(tǒng)共有13階模態(tài)。頻率200Hz以內(nèi)的各階模態(tài)的固有頻率如表1所示，各階模態(tài)的主振型如圖4所示。

從模態(tài)振型圖可以看出各階模態(tài)的振動情況，一階固有頻率為0.68Hz，主要表現(xiàn)在導(dǎo)電桿繞y軸的自轉(zhuǎn)。二階固有頻率為111.63Hz，主要表現(xiàn)在焊炬連接件沿x方向擺動。三階固有頻率為142.61Hz，主要表現(xiàn)在焊炬連接件沿x方向擺動和繞y軸扭轉(zhuǎn)的復(fù)合變形。

表1 模態(tài)固有頻率

圖4 模態(tài)振型

由于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作頻率為10～60Hz，故工作頻率不在系統(tǒng)的各階固有頻率附近，系統(tǒng)不會發(fā)生共振現(xiàn)象。此外，傳感器在剛起步時會經(jīng)歷一階固有頻率，但電機穩(wěn)定工作后就不會受到影響。

3.2 強迫振動分析

3.2.1 強迫振動分析理論

旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量激勵下的強迫振動微分方程為

式中y為振動位移；ωn為固有頻率；F0為偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力；c為阻尼系數(shù)；k為彈簧剛度；ζ為阻尼比；m為偏心質(zhì)量；ω為角速度；e為偏心距離。

式（1）的特解為：

3.2.2 強迫振動仿真分析

利用ADAMS/Vibration進行強迫振動分析需要定義輸入通道，并添加振動激勵以及定義輸出通道。傳感器的振動主要是由偏心機構(gòu)做高速回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力引起。根據(jù)公式，作用于空心軸上的離心力大小為

式中m為物體質(zhì)量；ω為電機轉(zhuǎn)速；r為物體質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離[2]。

單擊Tool菜單下的Aggregate Mass查看旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量和質(zhì)心，在質(zhì)心處沿x和z方向添加離心力振動激勵，創(chuàng)建輸入通道：Input_channel_x，Input_ channel_z。以焊槍末端在x和z方向的位移為輸出通道：Output_channel_x，Output_channel_z。最后利用后處理器模塊ADAMS/Post Processor得到頻率響應(yīng)曲線如圖5、圖6所示。

圖5 焊槍末端x方向的位移頻率響應(yīng)

圖6 焊槍末端z方向的位移頻率響應(yīng)

圖5是焊槍末端在x方向上的位移頻率響應(yīng)。當(dāng)激勵頻率從0.1Hz逐步增加到85.09Hz時，焊槍末端的頻率響應(yīng)也隨之逐步增加；當(dāng)激勵頻率超過85.09Hz后，焊槍末端的頻率響應(yīng)隨著激勵頻率的增加有一個比較大的上升；當(dāng)激勵頻率到達112.59Hz時，頻率響應(yīng)到達最大值，之后呈明顯的下降；當(dāng)激勵頻率為142.58Hz時，頻率響應(yīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，下降速度變慢；當(dāng)激勵頻率到達155.08Hz時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)到達一個極小值，隨后呈現(xiàn)比較平緩的趨勢。

圖6是焊槍末端在z方向上的位移頻率響應(yīng)。當(dāng)激勵頻率從1.5Hz逐步增加到85.09Hz時，焊槍末端的頻率響應(yīng)也隨之逐步增加；當(dāng)激勵頻率超過85.09Hz后，焊槍末端的頻率響應(yīng)隨著激勵頻率的增加有一個小的下降；當(dāng)激勵頻率到達97.59Hz時，頻率響應(yīng)呈現(xiàn)一個極小值，之后呈現(xiàn)明顯的起伏；當(dāng)激勵頻率到達112.59 Hz時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)到達最大值；當(dāng)激勵頻率為142.58Hz時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)出現(xiàn)一個明顯的極大值，隨后呈現(xiàn)比較平緩的下降趨勢。

通過上述分析可知，頻率0.1～200Hz區(qū)間，當(dāng)頻率到達112.59Hz時，焊槍末端的頻率響應(yīng)出現(xiàn)最大值，當(dāng)頻率到達142.58Hz時，焊槍末端的頻率響應(yīng)出現(xiàn)極大值，這是因為這兩個頻率接近旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的共振頻率。同時從圖5、圖6可知，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器工作時在x方向的振動幅度要比z方向大，是因為焊炬連接件是薄而長的形狀，x方向的剛度小于z方向的剛度。

4 結(jié)論

通過ADAMS/Vibration對模型進行自由振動分析和強迫振動分析，得到系統(tǒng)的各階固有頻率、各階模態(tài)的振動特點和頻率響應(yīng)特性。從各階固有頻率中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器工作頻率不在其各階固有頻率附近，所以不會發(fā)生共振現(xiàn)象。從頻率響應(yīng)特性中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的振動主要來自強迫振動，并且振動的幅值較大，應(yīng)該優(yōu)化平衡塊的尺寸參數(shù)和位置，使旋轉(zhuǎn)電弧傳感器旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心靠近回轉(zhuǎn)軸，減小離心力，從而減少振動。

[1]肖峰，姜月嬌，李二鵬，等.精密沖床肘桿機構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡娣治鯷J].機械設(shè)計與制造，2012（1）：167-169.

[2]萬茂林，張光慧，郭明.基于ADAMS的汽車懸架的振動分析[J].汽車零部件，2012（8）：82-85.

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[4]賈劍平，李紅利，孫鵬.TIG焊旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：122-124.

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Vibration analysis of rotating arc sensor based on ADAMS

LIU Jizhong，ZHU Shunfeng，YE Yanhui
（RobotandWelding Automation Key Laboratory，Nanchang University，Nanchang330031，China）

For vibration phenomenon of rotating arc sensor in welding，a rigid-flexible coupledmodelof the sensor is setup by ADAMS and ANSYS.Then modal analysis and forced vibration analysis are conducted through ADAMS/Vibration，the each order natural frequency，mode shapes and frequency response curve of the system are obtained to provide the basis for structural improvement of rotating arc sensor.

rotating arc sensor；ADAMS；vibration analysis；rigid-flexible coupling

TG409

A

1001-2303（2015）07-0009-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.03

0 前言

2014-09-12

江西省自然科學(xué)基金（20132BAB206028）；江西省自然科學(xué)基金（20132BAB206030）

劉繼忠（1974—），男，山東成武人，副教授，博士，主要從事智能機電系統(tǒng)與機器人的研究工作。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是利用電弧掃描坡口時，弧長的變化引起電流的變化來獲得傳感信息的，不需要在焊炬附近添加其他傳感器，因此，焊接時不受焊接環(huán)境因素的干擾，特別適合應(yīng)用在焊接自動化設(shè)備上。但是旋轉(zhuǎn)電弧傳感器旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)軸上，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進行高速旋轉(zhuǎn)時存在離心力，從而產(chǎn)生強迫振動，同時旋轉(zhuǎn)電弧傳感器自身的固有振動特性也會影響系統(tǒng)。為了了解系統(tǒng)的振動特性，提高焊接質(zhì)量，有必要對旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進行振動分析。