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CAE/模拟仿真 |
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基于ADAMS的某偏心杠杆式新型伺服机构运动学仿真 |
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作者：周蓓 黄玉平 郭爱民 |
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一、引言
1980年5月，美国学者马斯格罗维（Musgrove.R.G）发表了题为"偏心杠杆（ECCENTUATOR）--一种伺服机构的新概念"的论文。他在论文中提出了一种打破传统观念的新的控制舵面的操纵方法即偏心杠杆。
偏心杠杆基本构造如图1。
图1
偏心杠杆折角为θ，与公转轴线夹角为θ的部分为杆的输入端，公转轴线夹角为2θ的部分为输出端。杆绕着公转轴线公转，同时绕着自转轴线自转，公转和自转的速度相反。当杆输出端自转时的Z向位移补偿公转时的Z向位移，即Z向位移为0时，杆运动输出的角位移为4θ，此时输出力矩远小于铰链力矩，最大时也只需要铰链力矩的10%，最小时可以趋近于零。
偏心杠杆可以使系统效率大幅度的提高，几个偏心杠杆的组合，更能使系统效率成倍的提高。另外，偏心杠杆式伺服机构具有灵活的安装性，它可以安装在多种机构中，能够得到广泛的推广。因此，该技术在导弹、直升机、和飞船等航空航天工业中都有极为广泛的潜在应用。
在初步设计阶段，我们需要知道当自转角速度和公转角速度满足什么关系时，输出端的z向位移为0，且输出的角位移为4θ。经理论计算得知当自转角速度是公转角速度2倍关系时输出的角位移为4θ，但z向位移与理想结果之间有偏差。偏差是多少，是否在伺服系统可接受的范围内，是我们需要研究的第一个问题。这种新型的伺服系统需具体的结构来实现，在结构设计中，验证机构运动的正确性是第二个问题。Adams是世界知名的多体动力学模拟软件，本文利用ADAMS建立了该新型伺服机构的运动样机，可以方便直观的帮助我们解决上述问题，从而缩短研发周期。
二、模型
将伺服机构进行简化，机构中的轴承均省去。杠杆折角为6度。在Pro /E中建立该伺服机构的简化三维模型（如图1）。首先创建5个零件模型（如图1），分别为固定结构（2）、舵面（1）、偏心杠杆输入端（4）、偏心杠杆输出端（3）以及支撑结构（5），然后把各个零件组装成装配图，建立装配图时需考虑到各个构件运动的初始位置，在最开始的装配时就设置成构件运动的初始位置。
图2
在Pro/E中首先定义好材料的密度和单位，各个part和装配体的单位要统一，最好用国际单位。利用Pro/E 和ADAMS 软件的接口程序Mechanism/Pro 来生成ADAMS 可以读取的文件。在Mechanism/Pro中定义好5个刚体，分别对应着5个零件。建立刚体之间基本约束和坐标系标记点(Marker)。固定结构与地固连，偏心杠杆左半部分与右半部分用旋转副连接，舵面与偏心杠杆之间，支撑结构（2）与偏心杠杆之间的轴承连接均用旋转副代替。杆的输出端设置marker_2点，用于观察该点的z向位移。在ADAMS 中导入利用Mechanism/Pro 创建的ADAMS 文件，其中基本的约束都已经创建完成。进一步完善约束类型，将偏心杠杆右端与地之间用旋转副连接施加驱动1（用于施加公转角速度），再将偏心杠杆左半部分（3）和右半部分（4）之间的旋转副上施加驱动2（用于施加自转角速度）。如图2所示。支撑结构（5）与固定结构（2）之间不用约束副连接目的是观察支撑结构在偏心杠杆的作用下的运动情况。
图3
将驱动1的角速度设置为30d，驱动2的角速度设置为60d,两者旋转副方向相反，进行仿真分析。
三、结果
杆的右端输出角度为192 ° -168 ° =24°，如图4，满足输出角度为4θ的关系。
图4
观察marker_2的z向位移
图4
Z向位移最大为0.0864mm，最小为-0.0864mm，可以满足伺服系统要求。
图5
支撑结构（5）脱离固定结构（2），偏离预定轨迹运动（如图5）。支撑结构（5）圆盘的中心处的marker点有位移（如图6）。所以由仿真结果可见支撑结构（5）作用于固定结构（2）不仅有径向力还有轴向力。必须在支撑结构（5）与固定结构（2）之间放置一可承受径向力和轴向力的轴承。另外该部分易晃动，所以选择轴向长度要大且外径与内径之差要小的轴承。
四、小结
本文应用ADAMS在初步设计阶段对新型伺服机构进行了运动仿真，根据仿真结果指导了设计，大大提高了设计的效率。
五、致谢
本课题进行中得到了MSC北京办事处陶永忠先生和程磊先生的帮助，航天一院18所田正福主任给了很多理论指导，在此一并表示感谢。
参考文献
[1]MSC. Software著，李军、陶永忠译. MSC.ADAMS FSP基础培训教程. 北京：清华大学出版社，2004
[2]机械设计手册. 机械工业出版社
[3] Musgrove.R.G ，THE ECCENTUATOR-A NEW CONCEPT IN ACTUATOR(end)
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(11/15/2006) |
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