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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

2006/11/17    来源:e-works    作者:周蓓    黄玉平    郭爱民        
关键字:偏心杠杆  伺服机构  方案设计  ADAMS  
给出了在偏心杠杆式新型伺服机构方案设计阶段引入运动样机的必要性,利用Pro/E和ADAMS的接口建立了刚体部件和Marker点,然后根据仿真结果指导设计,提高了效率。

    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。

责任编辑:孙文婕
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