基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析

陳 雷，李 強，劉 武

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.中國兵器工業第二○八研究所，北京 102202)

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【裝備理論與裝備技術】

基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析

陳 雷1，李 強1，劉 武2

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.中國兵器工業第二○八研究所，北京 102202)

基于某武器凸輪自動機的機構運動原理，設計了一套自動機機構運動狀態試驗裝置，用于測試并檢測供輸彈過程中自動機機構的運動規律防止其在供輸彈過程出現卡滯現象，利用UG軟件建立了三維模型，并基于多體動力學和剛柔耦合理論對該試驗機構進行了運動學仿真分析，通過對比分析不同轉速下試驗機構關重件的運動規律，可以看出該種新型試驗機構運轉穩定，證明該機構的設計方法可行。

凸輪自動機；試驗裝置；結構設計；剛柔耦合分析

凸輪在機械行業的應用非常廣泛，在武器上也有很多特殊應用，隨著社會矛盾的日益升級和恐怖主義的肆意猖獗，武器的發展和應用顯得尤為重要[1]，對于使用凸輪自動機的武器而言，為了提高武器的使用效能，就要測試凸輪自動機的機構運動規律及相關受力情況，以便對武器結構進行改進。本研究基于一種凸輪自動機的機構工作原理，設計了一套新型的自動機機構運動狀態試驗裝置，通過調整機構位置并添加測試元器件，實現測試試驗機構的結構設計，利用動力學析驗證新機構的可行性和穩定性[2]，對同樣使用凸輪自動機武器的研究和發展具有一定的參考價值。

1 凸輪自動機機構組成和工作原理

凸輪自動機采用外能源驅動，主要包括撥彈機構和壓彈脫鏈機構，利用凸輪曲線槽和回轉機構實現機構的循環往復運轉，實現連續射擊。

如圖1所示：電機驅動滾筒，滾筒曲線槽和滑板輥子驅使曲線槽滑板在機匣導槽的約束下做前后直線運動。曲線槽滑板上表面加工有平面曲線槽，并通過曲臂輥子帶動曲臂繞回轉軸旋轉，帶動另一端的撥彈滑板做直線撥彈運動，撥彈齒越過彈鏈節撥彈。撥彈到位以后，滾筒前端的凸輪開始觸動頂桿，驅使頂桿帶動滑塊做豎直方向直線運動(滑塊的運動由機匣上豎直方向的導槽控制)，滑塊上固定的連接銷帶動回轉杠桿繞軸回轉，杠桿的另一端帶動壓彈齒在脫鏈桿導槽中做豎直運動，壓彈齒在彈和彈鏈之間，彈鏈掛在脫鏈桿上，當壓彈齒運動到最下端的極限位置時，彈鏈完成脫彈，接著回轉杠桿在凸輪和扭簧的作用下復位，撥彈滑板繼續帶動撥彈齒撥彈。至此，整個自動機完成了一個循環的撥彈和壓彈脫鏈。

圖1 凸輪自動機關重件結構簡圖

2 試驗裝置結構設計

若要測試機構的運動規律，必須添加測試需要的元器件，而原凸輪自動機結構十分緊湊，無法添加，所以設計一套新型的凸輪自動機機構運動規律測試試驗裝置，其中凸輪自動機中撥彈機構的撥彈行程和撥彈速度由曲線槽滑板上表面曲線槽的位移和曲臂的回轉半徑決定；壓彈脫鏈機構的壓彈行程和壓彈速度由滾筒前端凸輪的最大偏心距和回轉杠桿的回轉半徑決定，因此在保證以上機構運轉一致性的情況下，添加測試元件，實現運動參數[3]的測試。

2.1 機構的組成及工作循環

試驗機構的設計要滿足質量輕、結構緊湊、操作方便快捷等特點。試驗裝置主要由滾筒機構、撥彈機構和壓彈脫鏈機構組成，滾筒一方面帶動撥彈滑板撥彈到位，另一方面驅使壓彈齒壓彈脫鏈。結構設計中應保證撥彈機構和壓彈脫鏈機構的運動規律與原槍的機構運動規律一致，這樣才能保證測試結果的正確性。

如圖2所示，電機驅動滾筒，電機的輸出端和滾筒的輸入端之間利用扭矩傳感器測試自動機的扭矩變化規律，滾筒筒身上加工的曲線槽驅動曲線槽滑板沿機匣導槽方向做直線運動，驅動曲臂下滑板在機匣蓋導槽的限制下做垂直于曲線槽滑板運動方向的運動。曲臂下滑板帶動曲臂做回轉運動，曲臂上滑板與撥彈滑板之間固定連接有拉壓力傳感器和加速度傳感器。曲臂回轉帶動撥彈滑板撥彈，同時可以反映撥彈機構的撥彈加速度和撥彈力的變化規律。另外固定在一邊撥彈行程方向上的激光位移傳感器可以測出撥彈滑板的撥彈位移變化。撥彈到位后，曲線槽滑板、曲臂和撥彈滑板等處于靜待狀態，滾筒前端的凸輪機構運動到位，如圖2所示，凸輪開始驅動頂桿和滑塊沿機匣豎直方向的導槽做直線運動。此時與滑板固連的銷軸帶動回轉杠桿回轉，回轉杠桿帶動壓彈滑板做豎直方向直線運動。壓彈滑板與壓彈齒之間通過連桿固連有拉壓力傳感器和加速度傳感器，可以測試壓彈脫鏈過程中力和加速度。另外底端固定的激光位移傳感器(圖中未標出)可以測試壓彈滑板的壓彈行程。壓彈脫鏈過程彈鏈在脫鏈桿上端，彈在脫鏈桿下端。當彈和彈鏈撥彈到位時，壓彈齒正好卡在彈和彈鏈之間，壓彈滑板向下運動，帶動壓彈齒完成壓彈脫鏈。

1.壓彈齒; 2.模型彈; 3.彈鏈; 4.脫鏈桿; 5.撥彈滑板; 6.加速度傳感器; 7.拉壓力傳感器; 8.曲臂上輥子; 9.曲臂上滑板; 10.曲臂; 11.機匣上蓋12.曲臂下滑板; 13.曲線槽滑板; 14.激光位移傳感器; 15.機匣; 16.頂桿; 17.滾筒; 18.滑塊; 19.滑塊連接銷; 20.回轉杠桿; 21,壓彈滑板

圖2 測試試驗裝置關重件結構簡圖

2.2 三維建模

基于凸輪自動機的結構組成和工作原理，利用UG軟件對設計裝置進行三維建模，為了了解機構的運動規律和相關的運動參數，對原自動機結構重新設計布局，增加構件間的安裝空間，通過連桿等輔助零件添加加速度傳感器、拉壓力傳感器和激光位移傳感器，并在電機和自動機主軸之間添加扭矩傳感器，如圖3所示，電機減速器和自動機之間加裝了扭矩傳感器，自動機工作過程中將彈箱中的彈和彈鏈撥彈到位，并完成彈鏈脫彈，機構完成一個運轉循環，與此同時，扭矩傳感器和其他測試元器件可完成所需測試。

3 試驗機構動力學分析

通過ADAMS仿真分析軟件對設計機構進行動力學仿真分析[4]，將設計的自動機結構三維模型導入ADAMS軟件中，設計滾筒的最小轉速為60 r/min，最大轉速為300 r/min，分析撥彈到位和壓彈脫鏈運動過程機構的運動規律，將彈鏈柔性化，對彈鏈進行網格劃分，通過有限元軟件進行模態分析計算并得到mnf模態文件，再通過ADAMS/Flex模塊導入ADAMS/View中，進行剛柔耦合動力學仿真分析[5]。

根據仿真分析可知，在兩種極限轉速下，曲線槽滑板和撥彈滑板傳動平穩，撥彈機構運行穩定，滿足設計要求，能夠完成需要的動作，圖4～圖7給出了不同轉速下曲線槽滑板和撥彈滑板的位移速度曲線。曲線槽滑板通過曲臂控制撥彈滑板的運動，轉速為60 r/min時，曲線槽滑板和撥彈滑板的運行速度分別約為0.6 m/s和0.5 m/s；轉速為300 r/min時，速度分別約為3 m/s和2.5 m/s,運行位移分別為157 mm和63.5 mm，不隨轉速的改變發生變化，撥彈機構的運行穩定，滿足設計要求，能夠完成需要的動作。

圖4 60 r/min轉速下曲線槽滑板的位移速度曲線

圖5 300 r/min轉速下曲線槽滑板的位移速度曲線

圖6 60 r/min轉速下撥彈滑板的位移速度曲線

圖7 300 r/min轉速下撥彈滑板的位移速度曲線

壓彈齒的運動由頂桿通過回轉杠桿控制，頂桿向上運動時壓彈齒開始向下壓彈脫鏈。通過仿真結果，轉速為60 r/min時，頂桿和壓彈齒的運行速度分別為0.25 m/s和0.45 m/s；轉速為300 r/min時，頂桿和壓彈齒的運行速度分別為1.25 m/s和2.25 m/s,運行位移分別為26 mm和44 mm，都不隨轉速的改變發生變化，壓彈脫鏈機構的運動規律滿足設計要求，實現了設計功能[6]。圖8～圖11給出了頂桿和壓彈齒的位移速度曲線。

圖8 60 r/min轉速下頂桿的位移速度曲線

圖10 60 r/min轉速下壓彈齒的位移速度曲線

在兩種轉速下，分別進行兩個周期的仿真分析，第一個周期為機構空行運轉，即沒有帶彈運行，第二個周期機構帶彈運行，撥彈滑板完成撥彈到位，并由壓彈齒完成壓彈脫鏈。對比兩個周期的機構位移速度變化可以看出，撥彈滑板和壓彈齒的速度變化與滾筒的轉速變化成正比關系，而且各機構在最小轉速或最大轉速下兩個仿真周期內的運動變化規律一致，無跳動，說明該試驗機構設計可靠，滿足運動要求。

4 結束語

設計了一種新型凸輪自動機試驗裝置，使用ADAMS軟件進行了動力學仿真分析。仿真結果表明該實驗裝置各機構運行平穩，能夠完成測試所需的運動需求。該種結構設計方法也可用于其他類似機構的設計，具有一定的工程實踐參考價值。

[1] 薄玉成,王惠源,李強.自動機結構設計[M].北京：兵器工業出版社,2009:127-166.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2009:3-20.

[3] 劉吉，周漢昌.自動機運動規律測試系統的研制[J].光學與光電技術，2000(5):23-25.

[4] 郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008:238-245.

[5] 陳燦，錢林方，石海軍，等.基于剛柔耦合的某彈藥供輸機構振動分析[J].火炮發射與控制學報，2013(2)：59-62.

[6] 魯剛，何云峰，王昭，等.自動機運動模擬裝置設計及實驗分析[J].南京理工大學學報,2012(5):810-813.

(責任編輯 周江川)

Design and Dynamic Analysis of a Test DeviceBased on the Cam Automata

CHEN Lei1， LI Qiang1， LIU Wu2

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051， China；2.No. 208 Research Institute, China Ordnance Industries，Beijing 102202，China)

For a weapon automata ammunition feeding process of one card lag phenomenon, based on the mechanism motion principle of the CAM automata, we designed a new set of automata organ motions test device, and used it for test and inspect the movement of institutions of the automata in the ammunition feeding process, and the three-dimensional model was established based on UG software, and we carried on the kinematics simulation analysis to the test group based on the theory of multi-body dynamics and the rigid-flexible coupling. Through the comparison analysis of the test institutions key-module motion law under different radio frequency, it can be seen that the new test institutions operation is stable and proves that the structure design method is feasible.

cam automata; test device; structure design; rigid-flexible coupling analysis

2016-11-29；

2016-12-26

國防科研基金資助項目(A0820132003)

陳雷(1989—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統結構設計和動力學仿真技術研究。

10.11809/scbgxb2017.04.015

陳雷，李強，劉武.基于凸輪自動機的試驗裝置設計和動力學分析[J].兵器裝備工程學報，2017(4):68-71.

format:CHEN Lei，LI Qiang，LIU Wu.Design and Dynamic Analysis of a Test Device Based on the Cam Automata[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):68-71.

TJ203

A

2096-2304(2017)04-0068-04