槽轮变胞机构的运动学仿真分析及其在煤矿机械中的应用

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Kinematic Simulated Analysis of Geneva wheel M etamorphic M echanismCheng pengfei，Xu yongxinHenan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang Henan 453002，ChinaAbstract：Intermitent mechanism is a kind of typical important mechanism，usually we will use CAM mechanism and other typicalinterm itent mechanism.but using the Metamorphic mechanism can also realize the interm itent movement，through the geneva wheelmechanism and five-bar mechanism can be implemented intermittent movement.the Metamorphic mechanism can realize two kindschange of configuration transformation，At the same time can also achieve four diferent location of the movement.Simulation softwaiis used to describing the movement of the structure state.the metamorphic mechanism changes its configuration from one to another.itis reasonable to reducing the impact by the way of adopting a proper type of motion for the inputs of mechanism。

Keywords：Metamorphic mechanism； Dynamics； Simulated analysis变胞机构(Metamorphic mechanism)是Dai J S和Rees Jones于1999年首先提出的[1。在机构的运动过程中，机构发生合并以及分离或出现几何异构，从而导致了构件数目或机构的自由度发生变化，产生出了新的构型，将这种机构称之为变胞机构。2004年，LIU等[21在研究了变胞机构的本质、特性及变胞方式后，提出变胞机构的定义：变胞机构是在运行过程中(包含奇异位形处)拓扑结构至少发生-次突变(所有的构型互不同构)的机构。变胞机构根据不同的工作要求，在运动过程中变换出多种不同的构态，使变胞机构实现不同的任务，应用于不同诚。

变胞机构可以广泛应用于航空航天设备、印刷机械等领域，也为机构学研究开辟了新的领域。

在变胞机构的运动学方面的研究中，文献[3以五杆变胞机构为例，验证了在构态变换时的冲击效应；文献[4[5]利用ADMAS仿真软件对变胞机构进行机构建模和动力学的仿真，给出了利用ADMAS仿真软件进行仿真的方法文献[6]对-种典型的变胞机构，利用矢量法进行了运动学分析。本文以平面变胞机构为例，利用ADAMS软件仿真分析了-种五杆机构在槽轮机构作用下实现不同构态间转换，并且分析了构态两个位置间变换时加速度的变化规律。

1 机构模型的建立对于建立机构模型来说，我们通成以直接利用ADAMS软件来直接完成，也可以借助-些功能更加强大的CAD软件建模，我们借助PRO/E的强大的建模功能建立了机构的模型。对于平面五杆机构的研究文献[31E，经进行了比较深入的研究，但是该研究只是将两个原动件之-作为了变胞的条件，考虑了两种构态之间的变换。而本文是将平面槽轮机构与五杆机构综合，利用槽轮机构的间歇运动可以实现五杆机构在不同构态间变换，虽然构态的变换数没有改变，但是却实现了不同位置之间的构态变换。

[项目资助]河南侍育厅科技攻关项目(13A460218)[作者简介]程鹏飞(1976-)，男，山西太谷人，硕士研究生、讲师。现主要从事机械设计及理论、图像处理及模式识别技术的研究。

37 第l8卷2013年第5期煤 矿 开 采Coal mining TechnologyV0L l82O13Nn5B图1 变胞机构的结构简图1.1 变胞机构尺寸的建立槽轮机构的尺寸确定，中心距由结构空间来定 100ram，圆销的回转半径R三sin 70.7mm，Z1z4，销半径， 11.8mm，槽顶高OS：Lcos ：70.7Z槽深h：S- -R-r 53.2ram，锁止浑径 KS0.7×70.749.49ram，锁止弧张开角，270。。与槽轮连接的五杆机构的杆长分别为，口40mm ， c160ram ， 120mm， 30mm，机架 120mm。我们设定构件JD 的初始位置为与AE机架重合放置，当构件DE在槽轮作用下处于四个相互垂直的静止位置，根据铰链四杆机构的分类依据最短杆长度十最长杆长度之和≤其余两杆长度之和，不论构件DE静止在那个位置，此时机构均为曲柄摇杆机构，如果不考虑这-点的话，机构在构态发生变化时可能会出Ex-y，摇杆机构，此时机构在AB杆转动条件下将无法运动。

1.2 变胞机构的构态第-种构态，当槽轮处于停止状态时，此时，构件DE停止运动可视为机架，五杆机构变为了四杆机构，自由度FI，根据构件长度条件，该四杆机构为曲柄摇杆机构，机构在AB杆作用下运动。这种构态下由于槽轮机构的问歇运动可以实现DE在4个不同的相互垂直位置的停歇。虽然机构类型均属曲柄摇杆机构，但是构件的长度却发生了改变。

第二种构态，当槽轮在拨叉作用下处于运动状态时，机构变为了5杆机构，该构态机构自度F2，此时的机构中AB杆及DE杆为原动件。

2 构态变换时的拓扑图拓扑图是对面实体符号图形的简单化与规则化表示，并借此图形显示量化信息，图形大小-般与实38体面积无关。拓扑图数量对比直观，简单易绘，以图形传递量化信息为目的，是量化地图的-种有效表现形式。

构件数目不变的构态转换是通过机构构型拓扑转换得到所需的各种新机构17，用拓扑图法描述的该间歇式变胞机构过程见图2，(a)图所示为构态-的拓扑图，此时在槽轮处于休止状态，构件4与构件5视为同-构件机架。当机构由构态-变换到构件二时，槽轮转动构件4和5之间发生了相对运动。首先，断开4、5之间的连接如图b所示，连接4与5，拓扑图如图(c)所示。

14 (5)(a)23 4 333 间歇变胞机构的运动仿真分析ADAMS采用广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法嘲，建立系统的动力学方程。

ADAMS用刚体f的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为作为广义坐标，既q Ix，y，z，If，，0， ，q[q ，q qrn ] 每-个刚体用6个广义坐标描述。

对ADAMS运动学方程求解：在ADAMS仿真软件中，运动学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束力，因此只需要求解系统约束方程：， 。

任-时刻f 的位置确定，可由约束方程的牛顿- 拉夫森 (Newtor--Raphson)迭代方法求得：嚣 Aqjd(q，式中Aq，：q川-q，表示第 次迭代 时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求-阶、二阶时间导数得到：a- Cl --- a① Ot