胎面翻轉機構的翻轉分析及ADAMS仿真

殷國良　尤波　許家忠

摘要：作為輪胎胎面拾取系統的重要組成部分，胎面翻轉機構翻轉胎面的效果直接影響胎面質量及生產效率.給出一種新型胎面翻轉機構，為了探討影響翻轉效果因素及影響關系，對胎面翻轉過程進行了運動學分析，從理論上推斷出不同參數對翻轉效果產生的影響；并利用機械動力學仿真軟件ADAMs建立了胎面翻轉機構仿真模型，通過改變翻轉速度、摩擦系數等參數，對胎面翻轉過程進行了不同控制條件下的仿真.研究了翻轉速度、摩擦系數等因素對翻轉效果的影響規律，為翻轉電機選型、確定翻轉速度控制規律以及翻轉機構摩擦系數和材料的選擇提供了參考和依據。

關鍵詞：胎面翻轉機構；運動學分析；ADAMS；仿真

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.019

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0100-06

0.引言

隨著自動化程度的提高，笨拙的由人工在輪胎胎面生產線上收取胎面的方式正逐步被淘汰，取而代之的是輪胎胎面自動收取系統，它不僅可以降低工人的勞動強度，提高生產效率，還能提高胎面的質量，胎面翻轉機構作為輪胎胎面自動收取系統的一部分，負責把原生產線擠壓出來的覆面朝下的胎面翻轉180°，使之覆面朝上，落到承接裝置上，目前國內外胎面翻轉機構大多依賴真空吸盤的吸附作用，在胎面翻轉過程中，通過將吸盤抽成真空，產生的吸附力吸住胎面，從而保證胎面被平穩的翻轉，然而由于單個吸盤的吸附面積及產生的吸附力較小，因此必須采用大量密集分布的吸盤才能滿足要求，這無疑增加了生產成本及維護難度，難以滿足當今企業發展的要求，因此對不依賴吸盤的胎面翻轉機構的研究便顯得很有價值。

ADAMS（automatic dynamic analysis of mechani-cal systems）軟件是基于虛擬樣機技術的多體動力學仿真軟件，它可以使產品設計不依賴于實體樣機，給設備的調試和實驗數據的分析帶來極大方便，本文以ADAMS軟件建立一種沒有吸盤的胎面翻轉機構模型，通過控制翻轉速度、摩擦系數等參數對胎面翻轉過程進行運動仿真，分析翻轉速度、摩擦系數等因素對翻轉效果的影響，得出影響規律，為尋找胎面最佳翻轉效果提供依據。

1.胎面翻轉機構的工作原理及運動學分析

1.1工作原理

本文設計和研究的胎面翻轉機構結構簡圖如圖1（a）所示，工作時電機驅動翻轉機構旋轉180°，使胎面從水平位置翻轉180°之后落到承接裝置上，翻轉過程中應保證胎面相對托架不存在分離、墜落、滑動等情況，或者胎面與托架之間雖有分離、滑動情況，但趨勢很小，不影響正常翻轉，整個翻轉過程應穩定可靠的進行，使胎面平穩的完成翻轉動作，達到最佳翻轉效果，翻轉過程運動簡圖如圖1（b）所示。

1.2翻轉過程運動學分析

翻轉過程中不同階段胎面受力情況各不相同，因此，對翻轉過程不同階段胎面受力及運動情況進行分析，確定其受力及運動情況隨翻轉角度變化的規律，為最佳翻轉過程的運動規劃提供一定的參考和依據，具體可以將胎面翻轉過程分為3個階段，小于90°階段，等于90°階段，90°～180°階段。

1.2.1小于90°階段

胎面翻轉角度小于90°階段受力情況如圖2所示。

由此可知，翻轉機構加減速時間之比應足夠大，以克服90°之后胎面重力加速度對胎面翻轉的影響，使支持力N保持不小于0的狀態足夠長，以使胎面盡可能晚的從翻轉機構上脫落；同時應通過增大翻轉角速度和摩擦系數等參數，以增加胎面翻轉所需的向心力，保證胎面與翻轉機構之間相對滑動趨勢最小，從而達到最佳的翻轉效果。

1.3運動學分析總結

通過以上的運動學分析可推測，翻轉速度、摩擦系數、翻轉過程中加減速時間之比是影響翻轉效果的主要因素.速度越大，則翻轉所需的向心力越大，胎面才不會因為向心力不足而從翻轉機構上滑落；摩擦系數越高，則所能提供的向心力越大，越能滿足最佳翻轉過程的需要；翻轉過程中加減速時間之比越大，則胎面重力加速度對翻轉的影響越小，翻轉效果越佳。

2.胎面翻轉機構建模與仿真分析

2.1仿真模型的建立

由于ADAMS軟件對復雜機構建模的效果差、速度慢，因此沒有必要按照胎面翻轉機構的實體形狀對其進行建模，這里對胎面翻轉機構進行結構簡化，在ADAMS軟件中，分別用四個長方體構件作為胎面翻轉機構的翻轉托架、外側擋板、胎面翻轉之后的承接裝置及胎面，并按照實際情況對各部件的位置進行分配。

2.2約束和驅動的添加

實體模型建立完成之后，根據胎面翻轉機構各部件之間的連接關系和實際工況添加約束和驅動，在翻轉機構和大地之間添加旋轉副（joint）和電機驅動（motion），用于帶動翻轉機構繞著中心點旋轉；在翻轉機構和胎面間添加接觸力（contact），用于模擬實際接觸狀態；最終建立的胎面翻轉機構仿真模型如圖5所示，其中水平方向為坐標系的x軸，豎直方向為坐標系的Y軸。

2.3仿真與結果分析

通過改變電機的速度（在motion中改變）及胎面與翻轉機構問的摩擦系數u（在接觸力contact中改變），對不同翻轉速度及摩擦系數下的胎面翻轉過程進行運動仿真，通過ADAMS的Measure建立兩個測量，分別為胎面相對翻轉機構在x軸方向上偏移量的測量AX，以及胎面外側相對翻轉機構在y軸方向上偏移量的測量AY，在ADAMS/PostProces-sor中加載不同摩擦系數及翻轉速度下的測量曲線，并進行對比分析，研究不同因素對翻轉效果的影響規律。

2.3.1摩擦系數對胎面翻轉效果的影響

將仿真模型中motion速度函數設置為STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真時間設為1.3秒，仿真步數設為200步，對摩擦系數為0、0.5、20三種情況下的翻轉過程分別進行仿真，研究在翻轉速度曲線相同的情況下，摩擦系數對翻轉過程產生的影響，得到的數據曲線如圖6所示（其中，JOINT 1-angle為翻轉角度，turn-t001.CM_Angular_Velocity.Mag為翻轉速度，horizon-taldistance為AX，verticaldistance為AY）。

由圖可知，摩擦系數為0時，當翻轉角度為10°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為350mm；摩擦系數為0.5時，當翻轉角度為50°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為150mm；摩擦系數為20時，當翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為75mm。

可以看出，在翻轉速度曲線一致的情況下，摩擦系數越高，翻轉過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量AY越小，翻轉效果俞佳。

仿真結果驗證了動力學分析的正確性：摩擦系數越大，胎面所受到垂直于翻轉方向的最大靜摩擦力越大，則胎面所受到的指向翻轉中心的合力越趨近于翻轉所需的向心力，越能滿足翻轉過程中對向心力的要求，從而有效降低胎面相對翻轉機構滑落的趨勢，增強翻轉效果。

另外，由圖可以看出，隨著摩擦系數的增大，翻轉終止位置偏差AX也隨之增大，這是由于隨著摩擦系數的減小，仿真過程中胎面脫離翻轉機構的時間也越早，胎面向外拋離的趨勢也會增大，由于翻轉機構外側擋板的存在，阻擋了胎面拋離的路徑，使胎面貼近外側擋板落下，因而翻轉終止位置偏差也越小，但翻轉過程中胎面脫離現象卻十分明顯，對翻轉過程產生嚴重影響。這也表明“摩擦系數越大，翻轉效果俞佳”是正確的。

2.3.2速度峰值對胎面翻轉效果的影響

將摩擦系數設置為20，分別進行如下仿真，1）將motion速度函數設置為STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真時間為1.3s，仿真步數為200步；2）motion函數為STEP（time，0，0d，0.6，500d）+STEP（time，0.6，0d，0.72，-500d），仿真時間0.73s，仿真步數為200步；3）motion函數為STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d），仿真時問為0.4s，仿真步數為200步；研究在摩擦系數及翻轉電機加減速趨勢相同的條件下，翻轉速度峰值對翻轉過程產生的影響，得到的數據曲線如圖7所示（其中，JOINT 1-angle為翻轉角度，tumt001.CM-Angular-Velocity.Mag為翻轉速度，horizontaldis-tanee為AX，verticaldistance為△Y）。

由圖可知，速度峰值為300°/s時，當翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為75mm，AX最終值為150mm；速度峰值為500°/s時，當翻轉角度為120°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為35mm，AX最終值為25mm；速度峰值為900°/s時，當翻轉角度為160°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為27mm，AX最終值為5mm。

可以看出，在摩擦系數及翻轉電機加減速趨勢相同的情況下，翻轉速度峰值越高，翻轉過程中胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻轉效果俞佳。

仿真結果驗證了動力學分析的正確性：翻轉速度越小，則胎面翻轉所需向心力也越小，當所需向心力小于作用在胎面上、垂直于翻轉路徑且指向翻轉中心的合力后，胎面將有相對翻轉機構滑落的趨勢，從而影響翻轉效果；而隨著翻轉速度的增大，胎面翻轉所需的向心力也隨之增大，由于翻轉機構外側帶有擋板，因此可滿足胎面翻轉過程中對大的向心力的要求，從而有效降低胎面滑動及脫落的趨勢，提升翻轉效果。

2.3.3加減速時間之比對胎面翻轉效果的影響

將摩擦系數設置為20，仿真時間為0.4秒，仿真步數為200步，分別進行如下仿真，1）將motion速度函數設置為STEP（time，0，0d，0.1，900d）+STEP（time，0.1，0d，0.4，-900d）；2）motion函數為STEP（time，0，0d，0.2，900d）+STEP（time，0.2，0d，0.4，-900d）；3）motion函數為STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d）；研究在摩擦系數及翻轉電機速度峰值相同的情況下，加減速時間之比對翻轉過程產生的影響，得到的數據曲線如圖8所示（其中，JOINT_1_angle為翻轉角度，turnt001.CM_Angular-Veloci-ty.Mag為翻轉速度，horizontaldistance為△x，verti-caldistance為AY）。

由圖可知，當加速時間小于減速時間時，在翻轉角度為75°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為175mm，△x最終值為140mm；當加速時間等于減速時間時，在翻轉角度為125°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為125mm，△x最終值為60mm；當加速時間大于減速時間時，在翻轉角度為160°左右時胎面有脫離傾向，AY最大值為28mm，△x最終值為5mm。

可以看出，在摩擦系數和翻轉速度峰值相同的情況下，翻轉過程中電機加減速時間之比越大，胎面開始有脫離傾向的時刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻轉效果俞佳。

仿真結果驗證了動力學分析的正確性：如果加速時間所占比例過小，則在翻轉角度達到90°及大于90°之后，胎面將由于重力及慣性等原因產生平拋、斜拋等狀況，無法完成平穩翻轉，而如果增大加速時間所占比例，則可通過翻轉加速度來抵消重力加速度對翻轉過程產生的影響，從而降低胎面相對翻轉機構產生的分離趨勢，使其盡可能平穩的完成翻轉。

3.結論

本文給出了一種胎面翻轉機構，對翻轉過程進行了運動學分析，提出了影響翻轉效果的因素及影響關系，并利用ADAMS軟件建立了胎面翻轉機構的仿真模型，對胎面翻轉過程進行了不同運動狀態下的仿真，通過仿真可知，在允許的范圍之內，胎面與翻轉機構之問的摩擦系數越大、翻轉電機速度峰值越高、翻轉過程電機加減速時間之比越大，則翻轉效果俞佳.通過仿真建立了摩擦系數、翻轉速度等因素對翻轉效果的影響規律，驗證了動力學分析的正確性，為翻轉機構摩擦系數及材料的選擇、翻轉電機選型及確定翻轉電機速度控制規律提供了參考和依據。