M譴業(yè)信息化拋石機(jī)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真劉春景12,鄭加強(qiáng)1南京林業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京2100372蚌埠學(xué)院機(jī)電系,安徽蚌埠233030)摘要:在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上采用 MATLAB/ Simulink進(jìn)行拋石機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真獲得了任意時(shí)刻機(jī)構(gòu)之間的作用力及被拋重物的運(yùn)動(dòng)軌跡為拋石機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)據(jù)可視化的仿真結(jié)果便于觀察研究。關(guān)鍵詞:拋石機(jī);機(jī)構(gòu)分析; MATLAB/ Simulink;動(dòng)態(tài)仿真中圖分類號(hào):TP3919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-2333(2007)08-0070-03Dynamic Simulation of Sling Mechanism with MATLAB/SimulinkLIU Chun-jing- ZHENG Jia-qiang(1.School of Mechanical and Electrical Engineering Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,ChinaDepartment of Mechanical and Electrical Engineering Bengbu College, Bengbu 233030, China)Abstract: MATLAB/Simulink was used to carry on the dynamic simulation of sling mechanism on the basis of thetraditonal motion and kinetics analysis. After simulation, the force of mechanism motion joints and motion track ofobject singed at any time was gained, which provides important data for the design of sling mechanism. The visualresults are easy to observe and studyKey words: sling mechanism; mechanical analysis; MATLAB/ Simulink; dynamic simulation1引言作的需要,而且還存在危險(xiǎn)性大、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度拋石機(jī)是一種很古老的裝置,其前身是人們熟知的大、坦坡?lián)p壞嚴(yán)重等問題。因此,盡快研制開發(fā)出高效的彈弓。和彈弓一樣拋石機(jī)也是用來把重物拋到很高、很大型機(jī)械拋石設(shè)備,對(duì)水利工程治理、堤防加固將起到舉遠(yuǎn)的地方。在水利工程搶險(xiǎn)施工中拋石固基是每年都要輕重的作用。圖1表示拋石機(jī)已經(jīng)扣上扳機(jī),準(zhǔn)備拋進(jìn)行的最普通的治理手段之一。但目前采用的人工裝配射。一旦釋放,配重由于重力而下降,使得橫梁順時(shí)針旋和小型機(jī)械設(shè)備下石方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大批量下石工轉(zhuǎn)拉動(dòng)發(fā)射物沿地面水平向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)橫梁前端的吊鉤動(dòng)部件均要設(shè)置虛擬伺服模型;如果運(yùn)行下拉菜“ Mechanism"中的軌跡曲線選項(xiàng),電機(jī)。虛擬電動(dòng)機(jī)設(shè)置如選取要輸出軌跡曲線的零件作為“軌跡零件”(軌跡曲線圖5所示。特征將存放在軌跡零件中),選取軌跡點(diǎn)、選取結(jié)果集、確(3)設(shè)置分析條件并定、設(shè)置“測(cè)量定義”對(duì)話框中各參數(shù)、設(shè)置“測(cè)量結(jié)果”對(duì)運(yùn)行在完成對(duì)機(jī)構(gòu)的連話框各參數(shù)點(diǎn)擊“繪制圖形按鈕即可得到所選零件的接和驅(qū)動(dòng)的設(shè)置后,就可運(yùn)動(dòng)軌跡曲線以為運(yùn)動(dòng)設(shè)置合適的計(jì)算4結(jié)論內(nèi)容及環(huán)境,隨后進(jìn)行機(jī)通過應(yīng)用 Pro/E wildfire2.0對(duì)立體倉庫堆垛機(jī)進(jìn)行3H》構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。點(diǎn)擊“運(yùn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真,可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段可視地對(duì)立分析”按鈕、點(diǎn)擊新建;打體倉庫堆垛機(jī)進(jìn)行干涉檢測(cè)以及各部件之間的間隙調(diào)圖5虛擬電動(dòng)機(jī)設(shè)置開“分析定義”對(duì)話框,類整。縮短了立體倉庫堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)周期,降低了產(chǎn)品型選擇為運(yùn)動(dòng)學(xué),設(shè)定相生產(chǎn)成本,為立體倉庫堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的應(yīng)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間,點(diǎn)擊運(yùn)行即可。開發(fā)途徑。(4)獲取分析結(jié)果。對(duì)機(jī)構(gòu)的分析運(yùn)行完成后,就可[參考文獻(xiàn)]以使用回放、測(cè)量、錄制等功能進(jìn)一步了解運(yùn)動(dòng)過程和儲(chǔ)[1祝凌云李斌 Pro/ENGINEER Wildfi20運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分存分析結(jié)果析[M]北京:人民郵電出版社,2004如果單擊“結(jié)果回放”按鈕,打開“回放”對(duì)話框,選取(22]詹友剛 Pro/ENGINEER Wildfire教程[M]北京:清華大學(xué)出版全局干涉”,點(diǎn)擊“播放”按鈕,即可觀看立體倉庫堆垛機(jī)(編輯啟迪)中國煤化工工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果;如果有干涉,干涉處將以紅色作者顯示;如果單擊“運(yùn)動(dòng)包絡(luò)”按鈕,打開“創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)”對(duì)CNMHG方向?yàn)闄C(jī)電一體化、機(jī)械話框,設(shè)置運(yùn)動(dòng)級(jí)別值,選取零件,既可預(yù)覽零件的包絡(luò)收稿日期:2007-03-0770機(jī)2007年第8期萬方數(shù)遺業(yè)信息化M拉動(dòng)吊索離開地面時(shí),發(fā)射物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相當(dāng)大的水平向轉(zhuǎn)軸點(diǎn)(根據(jù)它來確定扭矩方程)不重合,還需找出橫梁重左的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為沿切線方向的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量。在運(yùn)動(dòng)過程中,心的加速度與角加速度和速度的關(guān)系。由r的含義有:發(fā)射物不斷加速,最終超過橫梁,使吊索上的繩環(huán)脫離吊3)鉤,這樣吊索打開,發(fā)射物就可以很高的速度向右上方發(fā)(4)射出去對(duì)上述兩式求關(guān)于時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù),就可以得到如拋石機(jī)用傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法來分析是很困難的。下的加速度方程:這種動(dòng)力機(jī)構(gòu)本身所產(chǎn)生的速度是不斷變化的。它只受到重力的作用,而且我們也很難預(yù)測(cè)吊索的釋放時(shí)x2+r-aasin82=-rywicose(5)間。但是,這種裝置對(duì)其各個(gè)不同構(gòu)件的幾何參數(shù)和慣性參數(shù)具有很高的靈敏度。我們可以通過完整的動(dòng)力2.2運(yùn)動(dòng)方程的建立學(xué)仿真來分析這種裝置。本圖2為橫梁的隔離體受力圖,作用的外力如圖所示。文介紹用 MATLAB和注意到我們?cè)诘谝幌笙抟胝?2(橫梁與x軸正向的夾Simulink軟件來進(jìn)行計(jì)算角),這樣能很容易準(zhǔn)確地說明各個(gè)力的符號(hào)。下面是橫機(jī)仿真分析。梁的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方程:2拋石機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析圖1拋石機(jī)位移矢量圖矢量環(huán)F12A+F3,=m2x2(7)拋石機(jī)的矢量環(huán)非常簡F12,+F3,y-m2g=m2y2(8)F單很容易得到約束方程。圖-Fx. asin@2+Fx2. xcos0x-m2gT2 cosB=la2 (9)1給出了拋石機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程同樣地圖3表示的是吊索的受力分析圖。注意到吊索是中相關(guān)的位移矢量。取拋石用粗繩或鋼絲繩做成,不是剛性連接,所以不能傳遞扭機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),矩。而且繩子的質(zhì)量一般比橫梁和重物小得多,所以可以圖2橫梁受力分析圖所得矢量方程為R+R產(chǎn)R忽略吊索的慣性力,而認(rèn)為重物是作用在吊索末端的個(gè)在此方程中,我們假定質(zhì)點(diǎn)。很容易寫出下面三個(gè)方程吊索一直處于張拉狀態(tài),并F且繩環(huán)也一直掛在吊鉤上。(10)下面將討論當(dāng)繩環(huán)打開,重物開始飛出時(shí)的情況。注意Fxx Fn taney=0(12)圖3吊索受力分析圖到橫梁的重心一般不與位移23矩陣方程矢量方向重合,我們可以連由方程(1)~(12)可以得到帶有10個(gè)變量的矩陣方接矢量起始位置和物體中心的連線,設(shè)其距離為r2,符號(hào)程(13)(令方程中C2=cos62、S2sinB2、C=cos63、S=sin63)。取負(fù)號(hào)。矢量環(huán)方程沿x方向、方向的分量為:式中,62、63分別是對(duì)應(yīng)矢量與x軸正向的夾角,規(guī)定逆時(shí)針為正XY Graph對(duì)方程關(guān)于時(shí)間取階導(dǎo)數(shù)得到速度方程為:一rQ2sin62-r3in6=xfunetionHAHu對(duì)方程關(guān)于時(shí)間取二階導(dǎo)workspace數(shù)得到加速度方程為xrtragsingntr3a3sine=vorarxwicoser-r a3cosB, (1)中國煤化工yrTaa2cosB2-F C3cosB=r-wisinerra3sin8, (2)CNMH因?yàn)闄M梁的重心與旋圖4拋石機(jī)的 Simulink仿真圖機(jī)械工程師2007年第8期l71M遭業(yè)值惠化(計(jì)1 AI)NAIVATICDN01-rxc2-ryc300000000r2520100000y00100000m20-10-1000000m20-10-1500501001500020000052-x220000010F2(a)3kg重物拋射軌跡(b)8kg重物拋射軌跡0000001000000C3F3-TAicrrajcy20=20-rx200.10.20.304-100.0.20.3(17)(c)3kg重物質(zhì)心x方向(d)3kg重物質(zhì)心y方向速度軌跡速度軌跡2g2. c23動(dòng)態(tài)仿真方程(13)描述的是在使重物產(chǎn)生動(dòng)量的時(shí)間段內(nèi)拋0.10.20.3石機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。當(dāng)?shù)跛鞅会尫?重物被發(fā)射出去后,式(13)對(duì)研究拋射物的運(yùn)動(dòng)學(xué)也具有指導(dǎo)意義。這時(shí),我(e)3kg重物時(shí)Fa變化軌跡(f)3kg重物時(shí)F變化軌跡們可以忽略吊索的影響,只計(jì)算拋射物和橫梁的運(yùn)動(dòng)加速度。運(yùn)動(dòng)方程如下:x=0;y=-g;a=-m2/gC要想測(cè)出吊索釋放的確切時(shí)間是非常困難的,所以5m我們可以避免這一點(diǎn),假設(shè)通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修正,調(diào)整橫梁末端的吊鉤使其在拋射物的速度方向與水平方向成-150045°角時(shí)釋放吊索,這樣將得到拋射的最遠(yuǎn)距離。0.10.20.30.10.20.33. 1 Simulink仿真圖圖4為拋石機(jī)的 Simulink仿真圖。在這個(gè)仿真中要(g)3kg重物時(shí)F變化軌跡(h)3kg重物時(shí)Fs變化軌跡調(diào)用兩個(gè)函數(shù)文件。一個(gè)是 function1函數(shù),用來解方程圖5仿真結(jié)果(13)的聯(lián)立約束矩陣,另一個(gè)為 function1函數(shù),用來設(shè)射了125m多的距離。另外還可以從仿真結(jié)果看到重物質(zhì)置拋射重物的釋放心的速度的變化以及運(yùn)動(dòng)副處的作用力的變化情況。3.2設(shè)定仿真的初始條件[參考文獻(xiàn)]拋石機(jī)的初始條件如表1、表2所示。[1]曲秀全,等RR-RRP平面六桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的 MATLAB動(dòng)力學(xué)仿真[J]系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(11):2404-2408表1拋石機(jī)的慣性參數(shù)表2拋石機(jī)仿真的初始條件[2]王華杰基于 MATLAB的偏心輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)[].機(jī)械研和幾何參數(shù)積分求解器初值積分求解器初值究與應(yīng)用,2003,16(4):80-83.參數(shù)取值參數(shù)取值xpl-ot0x/m1.12132[3]柯宏袁順林,等糧油食品機(jī)械中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)Akg 500 F,/m 3.00Y/m-21232[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2003(4):20-21m/kg3n2/m-0.52554]于建國,劉志杰趙洪剛飼草壓捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真[]東lkgm 10 r,/m 1.0北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(2):68-70(編輯明濤)3.3仿真結(jié)釆(見圖5)作者簡介:劉春景(1975-),男,博士研究生,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)楲設(shè)本文用矩陣建立了拋石機(jī)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,根據(jù)數(shù)中國煤化工究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論學(xué)模型編制了用于 MATLAB仿真的m函數(shù)。從仿真結(jié)果CNMHG可知8kg的重物被拋射了6lm多的距離,3kg的重物被拋收稿日期:2007-03-25721機(jī)數(shù)師2007年第8期