基于ADAMS的太阳能电池片翻转机构的仿真与分析

李海宁，丁志强

（常州天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏 常州213031）



基于ADAMS的太阳能电池片翻转机构的仿真与分析

李海宁，丁志强

（常州天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏 常州213031）

摘要：以太阳能电池片翻转机构为研究对象，利用Solidworks软件建立翻转机构的虚拟样机模型，并导入ADAMS软件中进行动力学仿真，通过分析仿真结果验证系统的动力学特性，得到电机的扭矩输出情况，为电机的选择提供参考。应用ADAMS软件进行仿真，可以有效的降低成本，缩短周期，为翻转机构一次性试制成功提供可靠保证。

关键词：翻转机构；ADAMS；动力学；仿真

太阳能电池片翻转机构是电池片上下料设备的重要组成部分，在传输过程中负责电池片正、反面运输的重要任务，其工作速度、定位精度直接影响电池片的传输效率和质量。翻转机构由伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是：由伺服驱动电路作一定的转换后，经伺服驱动装置、机械传动机构执行电池片的翻转。

ADAMS软件功能强大，仿真的结果也能很好地与实际物理模型的结果相吻合。但是ADAMS自身的造型能力比较薄弱，要对复杂的机械系统进行精确的动力学仿真，目前流行的解决方法是先在专业的CAD造型软件中建立精确的模型，然后传递到ADAMS仿真软件下进行仿真分析［1］。本利用利用Solidworks软件进行建模，导入ADAMS软件进行仿真分析，检验系统的动力学特性、电机选型是否满足设计要求。应用ADAMS仿真软件对翻转机构进行建模仿真，可以有效地降低成本，缩短周期，并能很方便地对设计中的一些特性进行定量和定性的分析研究。

1　翻转机构动力学分析

伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此伺服电机的选择就变得尤为重要［2］。首先，要选出满足额定负载、惯量及加减速要求的所有电动机，再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机，下图为翻转机构示意图，如图1所示。

图1　翻转机构示意图

1.1负载扭矩计算

电机驱动翻转机构翻转电池片所需克服负载扭矩ML主要由两部分组成：（1）外部载荷引起的力矩，包括摩擦力矩M1；（2）轴承启动摩擦力矩M2.

1.2负载惯量计算

为使进给伺服系统的进给执行部件具有快速响应的能力，必须选用加速能力大的电机，亦即能够快速响应的电动机，但又不能盲目追求大惯量，否则不能充分发挥其加速能力。因此必须使伺服电动机转子惯量JM与翻转负载惯量JL合理匹配，推荐匹配关系［3］:

电机驱动的所有惯量，都作为驱动电机的负载惯量。负载惯量由以下几个部分组成：（1）联轴器的惯量J1；（2）传动轴与两个翻转臂的惯量J2.

计算得联轴器转动惯量为J1＝10.3 kg·mm2，传动轴与两个翻转臂J2＝1280 kg·mm2，折算到电机轴上的总惯量为：

根据式（2），所选电机惯量应在：

645.15kg·mm2≤JM≤860.2 kg·mm2

2　翻转机构虚拟样机模型

2.1三维实体模型的建立

太阳能电池片翻转机构在Solidworks软件中进行建模，应遵循对仿真不重要的倒角、孔等细节进行忽略。根据翻转机构的设计图样，对该机构的实体结构进行分析，确定特征建立的先后顺序，利用Solidworks软件提供的建模功能，逐一建立构件的实体模型，并使用自底向上的装配方法，完成太阳能电池片翻转机构的三维实体模型，如图2所示。

图2　翻转机构三维实体模型

2.2ADAMS虚拟样机的建立

（1）模型转换

在Solidworks环境中，将建立的翻转机构模型保存为parasolid格式的文件，然后导入ADAMS环境。

（2）单位设置

由于在Solidworks中的建模单位一般采用毫米为单位，所以在导入到 ADAMS软件中需要将ADAMS软件中将单位设置成MMKS形式，做到单位统一。

（3）材料属性设置、重力加速度

设置重力的方向为－Y向，即垂直于地面的方向，重力加速度大小为-9.8×103mm/s2，材料属性如表1.

表1　翻转机构各材料属性

（4）添加约束和驱动

将模型导人ADAMS环境后，还需要在模型各个部件之间施加约束并添加驱动。系统的驱动为转速信号，加在联轴器与传动轴之间。具体的拓扑结构，如图3所示。

图3　约束拓扑结构图

图4　翻转机构虚拟样机模型

（5）模型验证

通过使用ADAMS的模型验证功能进行验证，样机的自由度为0，模型建立正确。

3　系统仿真及结果分析

为了使模型产生动作，必须施加驱动。在联轴器和传动轴间的旋转副上施加驱动，确保在0.5 s转动180°，在ADAMS软件中写入函数step.通过仿真，得到电机的输出扭矩，对扭矩图分析，启动的最大扭矩为0.95 N·m，负载扭矩小于电机的额定扭矩，所以选择电机是正确的，可以实现0.5 s转动180°.

4　结束语

本文对太阳能电池片翻转机构进行了仿真分析，通过Solidworks中完成了零件的三维造型和装配，再将模型导入到ADAMS中仿真，克服了ADAMS三维造型差的缺点。在ADAMS环境中能很好的对翻转机构进行动力学分析，证明了所选电机的正确性。大大的简化了机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期。大量减少产品开发费用和成本，从而获得最优化和创新的设计产品。

参考文献：

［1］陈博翁，关立文，李铁民．基于ADAMS的锻造操作机动力学仿真及优化设计［J］．机械设计与制造．2009，（3）：7-8．

［2］王 彤．机电领域中伺服电机的选择原则［J］．应用科技，2001.

［3］魏胜，王明友．三菱数控系统中交流伺服电机的选择［J］．深圳职业技术学院学报．2007，（1）：l1-13．

Simulation and Analysis of Solar Cell Turnover Mechanism based on ADAMS

LI Hai-ning，DING Zhi-qiang
（State Key Laboratory of Photovoltaic Science and Technology，Changzhou Trina Solar Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213031，China）

Abstract：To solar cell turnover mechanism as the research object，using SolidWorks software to establish the virtual prototype model of turnover mechanism，and imported into the ADAMS software for dynamic simulation，through the analysis of the dynamic characteristics of the simulation results prove that the control system，the output torque of motor，in order to provide the reference for the choice of the motor.The application of ADAMS simulation software，can effectively reduce the cost，shorten the cycle，provide reliable guarantee for the success of a one-time turnover mechanism.

Key words：ADAMS；dynamic；simulation of tilting；mechanism

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0261-02

收稿日期：2015-12-17

作者简介：李海宁（1983-），男，江苏连云港人，高级工程师，硕士，研究方向：机械设计与虚拟技术。