基于ADAMS的分离机构设计与优化研究

叶雯莉，李鹭扬

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225100）

0 引言

随着科学技术的不断发展，分离机构开始广泛应用于各领域，如汽车领域和航空航天领域等[1]。单提晓[2]提出一种用于无人机机翼分离的分离机构，采用舵机作为驱动机构，无人机控制系统只需要控制舵机转动，锁销从定位孔中抽出，锁销一侧设计有斜度，在弹簧的作用下，无人机断裂机翼能够顺利且迅速地与内侧机翼分离，结构简单，但承载小。谢长川[3]针对两架或多架飞机在空中对接以提高巡航效率或空中分离以各自完成子任务提出一种能够在空中实现翼尖对接或者分离功能的机构系统，在需要对接的两架飞机的翼尖端肋上安装对接和分离装置，利用伸缩装置拉近或推开两架飞机，利用捕获和锁定装置将对接矛锁定或解锁，装置虽可靠，但结构复杂、成本高。张利国[4]针对单个无人机载荷小、航程短及单体飞机受损后无法完成任务等问题，设计了一种在地面连接、空中分离的装置，其中连接装置安装在单体飞机机翼两端，一端为沿导轨运动的可伸缩式机械手，另一端是带有锁定功能的机械手，通过两个机械手与邻机相互锁定构成连接装置，但是它不能完成空中对接，因此分离出的飞机在完成任务之后不能再回到对接飞行的形式。

单架飞机受限于气弹、结构、加工工艺、制造成本甚至机场条件，其翼展会控制在一定范围。而飞机的展弦比越大，其升阻比越大，巡航性能越好，航程和巡航时间越长[5]。如果直接增大飞机翼展，虽提高了巡航性能及效率，但其制造工艺比较复杂，成本较高。针对上述问题，设计出一种机翼分离机构，多架中等展弦比的飞机在地面对接，整体飞行，需要时在空中分离各自执行任务，这种方案可避免结构、加工工艺、制造成本和机场限制，且易于维修。本文采用参数化建模，运用ADMAS软件进行动力学仿真研究分析[6]，根据仿真数据进行优化设计，寻求分离机构最优解。

1 矩形板式分离机构结构设计及其工作原理

设计了一种矩形板式分离机构，此分离装置参考曲柄滑块机构运动原理，曲柄滑块机构是基于曲柄摇杆机构的演化形式，它可以通过曲柄的回转运动来实现滑块的往复直线运动，且曲柄滑块机构之间是低副连接，在承受同样的载荷条件下，可以传递较大的动力[7-8]。矩形板式分离机构还应用了双滑块四杆机构的原理，其中双滑块四杆机构是基于四连杆机构的变形机构，它能将滑块的垂直运动转化为另一滑块的水平运动[9]。利用SolidWorks软件建立三维模型（如图1），其由舵机、叶片、矩形板和拔销组成，拔销连接机翼两端。舵机作为驱动机构驱动叶片旋转，固定在叶片两端的短销与矩形板两侧的槽口配合，从而带动固定在矩形板两侧的拔销在销孔中的移动，实现机翼分离。

图1 矩形板式分离机构

2 矩形板式分离机构ADAMS仿真分析

2.1 仿真虚拟样机的建立

利用SolidWorks软件建立三维模型，调整销轴至其极限位置，将装配好的三维模型保存为.x_t格式，导入到ADAMS仿真软件中[10]，如图2所示。

图2 矩形板连接式分离机构

2.2 定义特征

将简化后的机构材料均定义为铝合金，密度为2.74 g/cm3,泊松比为0.33，弹性模量为71.7 GPa。定义整个环境为理想状态，施加重力。实际运行过程中，两侧机构分离会对拔销有拉力的作用，因此分别给3个拔销一个20 N的指向外侧的作用力。在3个拔销处给予相应的摩擦力；其余各处根据实际运动状态添加相应的运动副及约束。

2.3 添加驱动

矩形板式分离机构由舵机驱动，本文仿真部分过程持续12 s：0～6 s为角加速度逐渐增大的加速阶段，6～12 s为角加速度逐渐减小的加速阶段。现对矩形板式分离机构进行运动学仿真分析，给予分离机构的摇臂舵机驱动，设置STEP函数：step（time,0,0,12,10d）。

2.4 仿真分析

运行仿真，使拔销拔出两连接机构的销孔，实现机构分离，得到仿真变化曲线如图3～图7所示。

图3 摇臂角速度曲线图

图3为摇臂角速度曲线图，0～12 s，摇臂角速度从0～10（°）/s，呈现先缓、再快速增长、再缓慢增长的趋势；图4为摇臂转矩变化曲线趋势图，0～2 s转矩有一个明显的先增大、后减小的初始阶段，此阶段运行需要克服一定阻力，转矩增大，运行一段时间后产生一定惯性，能耗减少，转矩减小。待机构正常运行之后，摇臂整体呈现先增大、后减小趋势。由于整个销处于两个连接机构的销孔中，需要较大的转矩来驱动舵机叶片旋转，从而带动销脱离两连接机构的销孔，在10.616 s处最高转矩达到924.14 N·mm，此时的销处于即将脱离外侧的连接机构的销孔，随后力矩呈现减小趋势，在11.79 s处两机构实现分离。

图4 摇臂转矩变化曲线趋势图

2 s后3处拔销机构正常工作：图5右上拔销合力和图6右下拔销合力总体均呈现先减小、后增大趋势，此时销正处于逐渐脱离销孔的状态，所以销上的受力会逐渐减小，但在10.616 s处，由于销处于即将脱离外侧的分离装置的状态，销所受的力会有一个突然增大的趋势，其中右上拔销所受的最大合力为59.77 N，右下拔销所受的最大合力为22.71 N。图7中左下拔销合力总体呈现一个缓慢增大的趋势，但增大的幅度较小。为了更好地分析右下拔销受力，仿真模拟右下拔销机构的X、Y、Z轴受力的情况如图8～如10所示。

图5 右上拔销机构合力

图6 右下拔销机构合力

图7 左下拔销机构合力

图8 右下销X轴受力

在2 s处，右下拔销机构正常工作：与Z轴受力相比，X轴和Y轴受力都很小，可以忽略不计；Z轴的受力总体呈现先减小后增大的趋势，并在10.616 s处达到最小值22.591 N，此时销即将脱离外侧连接机构。

2.5 小结

图9 右下销Y轴受力

图10 右下销Z轴受力

矩形板式分离机构需要11.79 s实现两机构分离，分离两机构所需最大转矩为924.14 N·mm，且3处拔销所受的最大合力为59.77 N。为了提高分离机构的效率及改善分离机构的受力状况，下面对上述分离机构进行优化设计。

3 分离机构结构优化设计及其工作原理

基于上述仿真分析，结合相关研究，对矩形板式分离机构进行优化设计，改善分离机构的效率及受力。冷鸿彬[11]应用平行四边形机构组合的变胞机构，设计出一种对称式对心双曲柄滑块机构，它是由2套共用一个曲柄的对心式曲柄滑块组成，两曲柄和两连杆的尺寸分别相等，2套对心式曲柄滑块机构以舵机中心为中点呈中心对称分布，两端滑块的运动状态相同，只是移动方向相反。本设计基于矩形板式分离机构，利用平行四边形机构组合的变胞机构的运动特性，设计出圆柱连杆式分离机构，此机构可以实现两侧的拔销机构的同步运动且运动方向相反。由于矩形板式分离机构的舵机悬臂与矩形板的连接采用的是移动副，使舵机所受力矩增大；且拔销与矩形板是固定连接。为了改善矩形板式分离机构的受力情况，在优化分离机构时，将舵机与圆柱连杆处的移动副改为旋转副，并将拔销与圆柱连杆之间设计为旋转副，增加一个自由度，减小拔销的受力。将优化后的圆柱连杆式分离机构进行参数化建模（如图11），其由舵机、叶片、圆柱连杆和拔销组成，拔销连接机翼两端。舵机作为驱动机构驱动叶片旋转，带动圆柱连杆转动，从而带动两侧拔销在销孔中的移动，实现机翼分离。

图11 圆柱连杆式分离机构

4 圆柱连杆式分离机构ADAMS仿真分析

4.1 仿真虚拟样机的建立

建立三维模型，调整销轴至其极限位置，并将装配好的三维模型保存为.x_t格式，导入到ADAMS软件中，如图12所示。

图12 圆柱连杆式分离机构

4.2 特征定义与驱动添加

为与原机构更好地形成对比，圆柱连杆式分离机构的特征与驱动设置均与前文矩形板式分离机构一致。

4.3 仿真分析

运行仿真，使拔销拔出两连接机构的销孔，得到仿真变化曲线，如图13～图17所示。

图13 摇臂角速度曲线图

图14 摇臂转矩变化曲线趋势图

图13为摇臂角速度曲线图，0～12 s，摇臂角速度从0～10（°）/s，趋势与原设计相同；图14为摇臂转矩变化曲线趋势图，在0～12 s运行过程中，在初始0～1.5 s时转矩有一个明显的先增大、后减小的初始阶段，与原设计相比，时间缩短0.5 s，且舵机转矩在6.472 s处达到最高（439.29 N·mm），此时的销完全处于两连接机构的销孔中，随后力矩呈现减小趋势，在9.72 s处两机构实现分离。

3处拔销机构在正常运转之后图16左上销和图15右下销所受合力的曲线呈现快速减小的趋势，因为销正在逐步脱离两连接机构的销孔，但左上拔销的整体合力都略大于右下拔销的合力，左上销的最大合力为30 N，右下销的最大合力为26 N。图17左下拔销在拔销机构正常工作之后，曲线呈现出先稳定不变、后快速增长的趋势。为了更好地分析左下拔销受力，仿真模拟左下拔销机构的X、Y、Z轴受力情况如图18～图20所示。

图15 右下拔销机构合力

图16 左上拔销机构合力

图17 左下拔销机构合力

图18 左下销X轴受力

图19 左下销Y轴受力

图20 左下销Z轴受力

1.5 s后左下拔销机构正常工作，X轴的受力呈现快速增长趋势，此时销正逐步脱离销孔，左上销受力逐渐减小，左下销需要承受一部分力，来保持整个左拔销机构的受力平衡；Y轴和Z轴所受力都比X轴受力很小，可忽略不计。

4.4 小结

圆柱连杆式分离机构需要9.72 s实现两机构分离，分离两机构所需最大转矩为439.29 N·mm，而且3处拔销所受的最大合力为30 N。在定义相同的特征下，圆柱连杆式分离机构的分离时间缩短了约18%，分离效率有所提高；且所受最大转矩及力都减小为矩形板连接式分离机构受力的一半，改善了分离机构的受力状况，提高了分离机构的使用寿命。

5 结语

针对现有分离机构存在的缺陷和问题，设计了一种矩形板式分离机构，利用SolidWorks软件建立三维模型，通过ADAMS仿真软件进行动力学仿真研究分析。根据仿真结构，对原分离机构结构进行优化设计，设计出一种圆柱连杆式分离机构，优化后的分离机构比矩形板式分离机构的效率有所提高，且所需转矩及机构受力均有所减小，达到结构优化的目的，从而设计出更加优异的分离机构。