基于ADAMS的中药旋转取袋机构刚柔耦合动力学研究.pdf
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1、第3 5卷第3 期2023年9 月D01:10.3969/j.issn.1008-7109.2023.03.004宁波工程学院学报JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.35No.3Sep.2023基于ADAMS的中药旋转取袋机构刚柔耦合动力学研究谷洪阳,张敏良(上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海2 0 16 2 0)摘要:为了探究中药旋转取袋机构中的多刚体系统与柔性多体系统各自的运动精度与可靠性问题,建立基于笛卡儿模型的运动学与动力学约束方程对多刚体系统进行运动学数值分析,并构建柔性多体系统的力学模型,最后运用ADAMS动力学仿真模块
2、对多刚体系统与柔性多体系统进行动力学仿真分析。研究结果表明:运动中的刚性光轴在03.0s、6.0 7.5s 以及10.5 4.0 s时间区间内的速度变化范围为-0.45 0.50 m/s;运动中的柔性光轴在相同时间区间内,速度变化范围是-2.0 0 1.50 m/s,变化频率高、幅值大。柔性多体系统在运动过程中精确度明显提高的原因是零部件运动过程中自转角的线性离散变化,而多刚体系统中零部件自转角的振荡变化与速度幅值过大是造成机构运动不稳定的主要原因,故而将部分重要构件柔性化以解决机构运动稳定性问题。关键词:柔性多体系统;欧拉角;刚柔耦合;数值分析中图分类号:TP202Rigid-flexibl
3、e Coupling Dynamics for Traditional Chinese Medicine Rotary(College of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Abstracts:In order to explore the motion accuracy and reliability of the multi-rigid body system andthe flexible multi-body system in the rotary bag
4、-taking mechanism of traditional Chinese medicine,thekinematic and dynamic constraint equations based on the Cartesian model are established,thekinematic numerical analysis of the multi-rigid body system is carried out,the mechanical model ofthe flexible multibody system is established,and the dynam
5、ic simulation analysis of the multi-rigidbody system and the flexible multi-body system are carried out by using the ADAMS dynamicsimulation module.The results show that the speed variation range of the rigid optical axis in motionin the time range of 0-3.0 s,6.0-7.5 s and 10.5-4.0 s is-0.45-0.50 m/
6、s.In the same time interval,thespeed change range of the flexible optical axis in motion is-2.00-1.50 m/s,with high change frequencyand large amplitude.The reason for the obvious improvement of the accuracy of flexible multibodysystem in the motion process is the linear discrete change of the rotati
7、on angle during the movementof the parts,and the oscillation change and velocity amplitude of the rotation angle of the parts inthe multi-rigid body system are the main reasons for the instability of the mechanism motion,sosome important components are flexible to solve the problem of mechanism moti
8、on stability.Keywords:flexible multibody system;Euler angle;rigid-flexible coupling;numerical analysis文献标志码:ABag-taking Mechanism Based on ADAMSGU Hongyang,ZHANG MinliangShanghai 201620,China)文章编号:10 0 8-7 10 9(2 0 2 3)0 3-0 0 2 3-0 8收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 6通信作者:张敏良(19 6 0 一),男,山东莱西人,教授级高级工程师,主要从事非标装备设计
9、制造方面研究,E-mail:修回日期:2 0 2 3-0 6-0 1240引言传统的刚性机构是通过构件与构件连接处采用刚性铰链约束实现运动的传递,会出现运动精度低、可靠性差、易摩擦磨损、装配复杂及运行时构件易产生速度突变造成运动不稳定等问题,从而影响机构间运动的传递与转换的精准性。柔性机构是一类借助柔性单元的变形实现运动、力或能量传递与转换的装置,因其具有高精度、高可靠性、无间隙、无摩擦磨损、免润滑和免装配等优点而被广泛关注。边兵兵2 通过ADAMS的机械臂刚柔耦合动态特性分析有效预测机械臂的运动规律和应力分布;独亚平等3 针对柔顺停歇机构的柔性构件在运动中产生的大变形、大挠度等几何非线性行为
10、,分析了柔性长梁的截面参数、柔性梁长度和材料性能参数对机构固有频率的影响;钟传磊等提出将最大Lyapunov指数作为柔顺机构动力系统稳定性的评价指标,以带时标光轴特征点三维轨迹构造时变位移序列,用Wolf法计算其最大Lyapunov指数,进行空间柔顺机构运动稳定性衡量,最终选取最佳的柔顺副刚度KT值,确保了机构运动稳定性。上述研究表明,柔性机构以其优良的几何与结构性能,已成为当下研究的热门领域。本文以自行设计的中药旋转取袋机构为研究对象(图1),分别从运动学与动力学5角度分析其多刚体系统,并进行机械系统构件刚柔耦合动力学仿真分析,比较多刚体系统与柔性多体系统应用于本机构的各自优势,以选取合适的
11、机械构件组成的机械系统,使得中药袋卷的取袋动作更加准确可靠。动力学仿真分析结果为智能药房自动化设备设计提供理论支持。宁波工程学院学报2023年第3 期31-机架;2-分气盘;3-主动轴;4-转盘;5-滚轮;6-连接板;7-光轴;8-转臂;9-执行端部及吸盘组件。图1旋转取袋机构整体机构模型1旋转取袋机构运动学与动力学分析1.1旋转取袋机构运动学分析1.1.1执行端部多刚体约束方程对于由N个做平面运动刚体组成的多刚体系统,需要在系统运动平面上定义一个总体参考坐标系OXY;在N个刚体上建立的连体坐标系OX,Y;(1,2,3,N)以及连体坐标系X,轴相对于总体参考坐标系X轴的转角(1,2,3,N);
12、以上3 个用于描述N个刚体的平面运动的独立变量构成了各个刚体的笛卡儿广义坐标为q=x1y101 x2y202xnynOn JT,由于约束的存在,必须有相应的约束方程。对于此系统中刚体之间位置的变化则需采用运动学约(1)谷洪阳,等:基于ADAMS的中药旋转取袋机构刚柔耦合动力学研究束。运动学约束方程可表示为=,2.m;q=qiq2q,式中,为约束方程的个数,t为时间。1.1.2转动铰驱动约束方程本旋转取袋机构多刚体系统中的构件是通过如图2 所示的转动铰相互连接,在系统运动学与动力学分析过程中广义坐标随时间的变化需用相应的驱动约束方程来表示,通过求解这些驱动约束方程来得到系统中各构件的运动规律。Y
13、425=(q,t)=0,(2)YiCXiMM1X0图2 转动铰示意图驱动约束方程为x;+x coso;-y sind,-x,-xj cos0,+y sind,=0,(3)y:+x sind;+yi cosd;-yi-xy sind,-yy cos,=01.1.3旋转取袋机构系统运动学数值分析如图3所示的为旋转取袋机构简图。建立了机构各零部件连体运动坐标系,且刚体1的连体运动坐标系与总体参考坐标系重合。刚体1为转盘、2 为刚柔耦合构件转臂、3为刚柔耦合构件光轴与执行端部,转臂与转盘转动铰连接,光轴与转臂通过转动铰连接;在随动器与轨道的接触配合下,使得真空吸盘经过袋卷尾端时与之平行,便于取袋动作的
14、进行。A3X0302X3Y32X图3旋转取袋机构简图创建如图3所示的总体参考坐标系以及连体运动坐标系,建立旋转开盘机构多刚体系统运动学约束方程、铰驱动约束方程以及运动学位置和速度约束方程。给予转臂与光轴的转动角速度分别为2、W3,机构可简化为3个刚体组成,则系统的绝对笛卡儿广义坐标为26刚体2 转臂、光轴与夹紧块及连接板固结而成的刚体3初始转角分别为%、,各个连体坐标系原点在总体参考坐标系中的位置矢量为r;(=1,2,3),3个刚体的连体坐标系到总体参考坐标系的坐标变换矩阵为A=(i1,2,3),各个铰连接的点在连体坐标系中的位置坐标列矩阵为ui、u 2、u s,计算可得旋转开盘机构多刚体系统
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