沖床板料輸送機(jī)分離裝置的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

周運(yùn)剛，胡裔志，胡迎春，嚴(yán)裕劍

(1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545616; 2.柳州獅達(dá)機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545004;3.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

現(xiàn)如今，沖床板料的輸送基本上使用機(jī)械手，板與板之間存在油污，市場(chǎng)上出現(xiàn)利用磁極線分割的沖壓板料分離鐵板分層器，將板料快速分離，然后用機(jī)械手將板料運(yùn)送到指定位置進(jìn)行沖壓加工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是，存在控制難度高、占地面積大、成本高等問題，不適合中、小企業(yè)大規(guī)模使用。因此，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，適用于中小企業(yè)的沖床板料輸送機(jī)有很大的必要性。

通過利用ADAMS軟件對(duì)三維模型創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)三維模型施加載荷以及驅(qū)動(dòng)力，可以模擬機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀況中的運(yùn)動(dòng)特性[1]。雷超欽等[2]通過利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件ADAMS建立牛頭刨床的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化之前進(jìn)行對(duì)比分析，得出最優(yōu)模型。桂林等人[3]利用ADAMS軟件對(duì)拖拉機(jī)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)，從而為拖拉機(jī)齒輪系統(tǒng)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

沖床板料輸送機(jī)主要具備推送、分離、輸送等功能，其中板料的成功分離是沖床板料輸送機(jī)的核心環(huán)節(jié)，對(duì)分離裝置進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，利用仿真得出板料分離的推力和板料質(zhì)心的位移、速度、加速度進(jìn)行評(píng)估和判定，保證分離裝置更好的實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，避免設(shè)計(jì)缺陷，保證板料成功分離。

1 分離裝置的模型建立

此研究在SolidWorks中建立沖壓板料輸送機(jī)分離裝置的三維模型簡(jiǎn)圖，如圖1所示，板料垂直放置在滾軸上，電動(dòng)液壓機(jī)賦予推桿動(dòng)力，推桿1通過板料左右限位架推動(dòng)板料在滾軸上向左運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置，推桿2向下運(yùn)動(dòng)，給板料A一個(gè)向下的力，克服板料之間的大氣壓力，在6 s的時(shí)間內(nèi)，板料向下運(yùn)行50 mm,成功分離，通過輸送裝置將分離的板料送到指定的加工位置[4]。

圖1 沖床板料輸送機(jī)分離裝置三維模型簡(jiǎn)圖1.輸送裝置 2.板料A 3.板料B 4.推桿2 5,6.電動(dòng)液壓機(jī) 7.推桿1 8.板料左右限位架 9.滾軸

2 板料分離理論推力計(jì)算

板料之間存在著油污，造成兩塊板料與大氣壓之間產(chǎn)生一個(gè)很大的壓強(qiáng)差，促使兩塊板料吸附在一起。已知：?jiǎn)螇K板料周長(zhǎng)l=3 m，面積S=0.36 m2，板料重量為G1=165.244 N。查閱資料可得，板料之間的摩擦系數(shù)μ=0.1，水的表面張力系數(shù)是σ=7.28×10-2N/m，大氣壓強(qiáng)為P0=1.013 25×105Pa。

表面張力：

F1=σ×l=7.28×10-2N/m×3 m=0.218 4 N

(1)

大氣壓力：

FP0=P0×S=1.01325×105Pa×0.36 m2

=36 477 N

(2)

板料之間摩擦力：

f=μ×FP0=0.1×36 477 N=3647.7 N

(3)

推桿推動(dòng)板料向下運(yùn)動(dòng)需要的理論推力F推：

F=f-G1-F1=3 647.7 N-165.244 N-0.218 4 N

=3 482.237 6 N

(4)

F推≥3 482.237 6 N

(5)

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件

ADAMS的三維建模能力不強(qiáng)，推送裝置與分離裝置在SolidWorks中建好三維模型，把SolidWorks中的三維模型導(dǎo)入到Adams/View中。將模型以parasolid格式保存，在Admas/View中新建一個(gè)模型，F(xiàn)ile/import中導(dǎo)入，完成三維模型的導(dǎo)入。

3.2 建立約束

三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，對(duì)模型進(jìn)行約束處理，保證各個(gè)零部件按照工作需求完成運(yùn)動(dòng)。文中主要運(yùn)用運(yùn)動(dòng)副對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行約束，例如固定副、移動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)副等。根據(jù)分離裝置的工作原理可知，在仿真運(yùn)動(dòng)中需要建立的運(yùn)動(dòng)副主要是固定副與移動(dòng)副，其中電動(dòng)液壓機(jī)與推桿2建立移動(dòng)副，板料1與板料2建立移動(dòng)副，其余部件與地面建立固定副。針對(duì)分離裝置板料1與板料2之間存在潤(rùn)滑摩擦，查閱資料可知，靜摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05。

3.3 分離裝置仿真結(jié)果分析

針對(duì)分離裝置，電動(dòng)液壓推桿2向下運(yùn)動(dòng)，設(shè)定平移驅(qū)動(dòng)函數(shù)為Step(time,0,0,6,60)，函數(shù)意義為推桿從0 s開始到6 s，向下移動(dòng)的距離為60 mm。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.3.1 仿真分離推力結(jié)果分析

圖2表示電動(dòng)液壓推桿平移驅(qū)動(dòng)力后處理曲線圖，從圖中可知，在0～1.56 s時(shí)間內(nèi)，推桿沒有與板料接觸，推桿與板料有10 mm的距離，壓力為0；在1.56 s時(shí)推桿向下移動(dòng)剛好與板料接觸，在1.56～1.7 s時(shí)間段內(nèi)，驅(qū)動(dòng)力變大，最大驅(qū)動(dòng)力在1.668 9 s的時(shí)刻，為3 295.516 N,此時(shí)板料1被推向下移動(dòng)；在時(shí)間1.8～3 s時(shí)間段內(nèi)曲線比較平穩(wěn)，板料之間由靜摩擦力變?yōu)榱藙?dòng)摩擦力，壓力在1 787 N左右；在3～6 s時(shí)間內(nèi)，曲線時(shí)有在極短時(shí)間內(nèi)跳動(dòng)幅值大，整體趨勢(shì)是往下彎曲降低，主要是因?yàn)榘辶媳粔合蛳逻\(yùn)動(dòng)，板料1與板料2分離，接觸面減少，壓力減小；曲線跳動(dòng)，壓力瞬間變大變小是因?yàn)殡妱?dòng)液壓推桿與板料1間建立接觸約束，產(chǎn)生一定碰撞的原因。

圖2 推桿2平移驅(qū)動(dòng)力后處理曲線圖

電動(dòng)液壓推桿推動(dòng)板料向下運(yùn)動(dòng)需要滿足的理論推力：

F推≥3 482.237 6 N

而通過ADAMS仿真測(cè)量出的板料1被推動(dòng)所需的力為3 295.516 N略小于理論所需的推力，主要是因?yàn)榘辶现g油的成分復(fù)雜，在不同情況其表面張力系數(shù)σ不同，沒有足夠的條件測(cè)量油的表面張力系數(shù)，計(jì)算時(shí)是以水的表面張力系數(shù)計(jì)算的，油的密度比水小，因此油的表面張力系數(shù)比水小，測(cè)量的壓力略小于理論所需的最小壓力，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 仿真板料質(zhì)心位移分析

圖3表示板料1在分離裝置推桿推動(dòng)下的仿真質(zhì)心位移后處理曲線。由曲線可知板料1在0～1.56 s內(nèi)是靜止的，電動(dòng)液壓推桿還未接觸板料；1.56 s后開始運(yùn)動(dòng)，板料1質(zhì)心在Y軸上距離坐標(biāo)原點(diǎn)2.4173E-004 mm，6 s時(shí)板料1的質(zhì)心在Y軸上距離坐標(biāo)原點(diǎn)49.875 6 mm，在Y軸方向上移動(dòng)距離為49.875 6 mm，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果達(dá)到分離裝置預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖3 板料1質(zhì)心位移后處理曲線

3.3.3 仿真板料質(zhì)心速度分析

圖4表示板料1在分離裝置推桿推動(dòng)下的仿真質(zhì)心速度后處理曲線。

圖4 板料1質(zhì)心速度后處理曲線

從圖曲線可以看出，在0～1.56 s時(shí)間內(nèi)板料1質(zhì)心的速度為0 mm/s；在1.56～1.574 1 s時(shí)間內(nèi)，板料1的速度從0快速上升到34.653 7 mm/s, 因?yàn)殡妱?dòng)液壓推桿2與板料1在接觸瞬間產(chǎn)生碰撞，會(huì)有微小移動(dòng)；在1.68 s速度達(dá)到最大值為68.316 7 mm/s，而在1.8～2.7 s的時(shí)間內(nèi)速度比較穩(wěn)定，在12.7 mm/s左右。因?yàn)闇y(cè)量的是板料1質(zhì)心的速度，板料在各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的受力不均勻，板料的上端與推桿接觸，產(chǎn)生碰撞，會(huì)有微小量的穿透，同時(shí)添加的平移驅(qū)動(dòng)力是變化的，因此所得出的板料1的質(zhì)心速度曲線是有跳動(dòng)、無規(guī)律的。

3.3.4 仿真板料質(zhì)心加速度分析

圖5表示板料1在分離裝置推桿推動(dòng)下的仿真質(zhì)心加速度后處理曲線。

圖5 板料1質(zhì)心加速度后處理曲線

由圖曲線可以看出最初板料1受到重力加速度；在1.56～1.7 s內(nèi)板料1的加速度為負(fù)值，因?yàn)檫@時(shí)添加的平移驅(qū)動(dòng)力在不斷的增大，需要克服靜摩擦力，此時(shí)的加速度為反向加速；在1.732 s以后加速度變?yōu)檎担辶?克服靜摩擦力平穩(wěn)向下移動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

以沖床板料輸送機(jī)的分離裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，設(shè)置重力、單位，進(jìn)行約束，添加摩擦力、大氣壓力、張力等，給電動(dòng)液壓推桿添加驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真，獲取仿真結(jié)果。由結(jié)果可知，分離裝置仿真得出的驅(qū)動(dòng)力值略小于理論值，與液體本身屬性復(fù)雜性相關(guān)，滿足設(shè)計(jì)要求；板料質(zhì)心的仿真位移、速度與加速度整體變化趨勢(shì)基本符合分離裝置的運(yùn)動(dòng)過程，說明使用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)沖床板料輸送機(jī)分離裝置運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果是可信的，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的可靠性。