基于ADAMS的旋转电弧传感器的振动分析

刘继忠，祝顺风，叶艳辉

（南昌大学机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌330031）

基于ADAMS的旋转电弧传感器的振动分析

刘继忠，祝顺风，叶艳辉

（南昌大学机器人与焊接自动化重点实验室，江西南昌330031）

针对旋转电弧传感器在焊接时存在的振动现象，先通过ADAMS联合ANSYS对传感器建立刚柔耦合模型，在此基础上再利用ADAMS/Vibration对模型进行模态分析和强迫振动分析，得到系统的各阶固有频率、模态主振型以及频率响应曲线，为旋转电弧传感器的结构改进提供了基础。

旋转电弧传感器；ADAMS；振动分析；刚柔耦合

1 旋转电弧传感器的结构

旋转电弧传感器的结构示意如图1所示。旋转电弧传感器采用圆锥摆动原理，电机、调心球轴承1、两个深沟球轴承固定在外壳上。导电杆穿过空心轴，在导电杆上部安装调心球轴承1，并通过它与外壳连接，在导电杆下部安装调心球轴承2，调心球轴承2固定在偏心机构中，通过调节滑块在偏心机构中的位置，使导电杆与空心轴轴线存在一个角度。由于偏心机构与空心轴保持固定，当电机带动空心轴旋转时，固定在偏心机构中的调心球轴承外圈就会拨动导电杆做圆锥运动。

2 刚柔耦合模型的建立

利用Pro/E根据传感器的结构建立三维模型，并将其保存为IGES格式，然后导入到ADAMS软件中，并添加材料属性及运动副，模型在ADAMS中的总体坐标系方向如图1所示。此时ADAMS软件中的构件都为刚性构件，在受力的情况下不会发生变形，但是在现实中，一些重要零件的变形会严重影响机构的正常运作。本研究中焊炬连接件薄而长，支撑着旋转电弧传感器的运动，承受着比较大的力和力矩，它的变形直接对焊接产生重大影响，因此，在振动分析前应将焊炬连接件由刚性体转化为柔性体。

图1 旋转电弧传感器结构示意

2.1 柔性体的生成

ADAMS中自带有创建柔性体的模块，但由于焊炬连接件结构比较复杂，所以通过ADAMS/AutoFlex模块创建柔性体比较困难[1]。利用ANSYS进行柔性化处理，将焊炬连接件从刚性体转化为柔性体的过程如下：

（1）导入模型。将Pro/E中焊炬连接件的三维模型导出成IGES格式，然后通过接口技术导入到ANSYS中，并设置单位。

（2）创建有限元模型。在这一步中需要定义单元类型、材料属性以及划分网格。在选用单元类型时，如果模型比较复杂，应选择适合复杂结构网格划分的四面体单元，如果结构简单则选择六面体单元。Soild187是带中间节点的四面体。由于焊炬连接件的模型比较复杂，选用Soild187网格单元。焊炬连接件的材料是硬铝LY12，查手册知其弹性模量为0.68e11（单位：Pa），泊松比0.34，密度2 700 kg/m3。本研究采用自动划分网格来进行，Smart Size的大小为3。

（3）创建刚性区域。在与其他构件有关联运动副位置上创建interfacenodes，然后单击菜单preprocessor→coupling/ceqn→rigid region，拾取interface nodes及其附近的节点，将柔性件与其他构件相连的区域定义为刚性区域。设置完成后的模型如图2所示。

图2 焊炬连接件在ANSYS中柔性化的模型

（4）生成MNF文件：单击菜单solution→ADAMS connection→Exportto ADAMS，选取节点后，单击Solve and treatexponfile to ADAMS按钮后，ANSYS开始求解，并生成MNF文件。

2.2 刚柔耦合模型的建立

将MNF文件导入ADAMS中，单击菜单Build→Flexible Bodies→Rigid to Flex，将原先的刚性构件替换成ANSYS中生成的MNF文件，最后得到的刚柔耦合模型如图3所示。

图3 刚柔耦合模型

3 振动分析

3.1 模态分析

模态分析用于确定系统自身结构的振动特性即固有频率和模态振型。利用ADAMS/Vibration对系统进行模态分析得到系统的各阶模态的固有频率和振型，该系统共有13阶模态。频率200Hz以内的各阶模态的固有频率如表1所示，各阶模态的主振型如图4所示。

从模态振型图可以看出各阶模态的振动情况，一阶固有频率为0.68Hz，主要表现在导电杆绕y轴的自转。二阶固有频率为111.63Hz，主要表现在焊炬连接件沿x方向摆动。三阶固有频率为142.61Hz，主要表现在焊炬连接件沿x方向摆动和绕y轴扭转的复合变形。

表1 模态固有频率

图4 模态振型

由于旋转电弧传感器的工作频率为10～60Hz，故工作频率不在系统的各阶固有频率附近，系统不会发生共振现象。此外，传感器在刚起步时会经历一阶固有频率，但电机稳定工作后就不会受到影响。

3.2 强迫振动分析

3.2.1 强迫振动分析理论

旋转偏心质量激励下的强迫振动微分方程为

式中y为振动位移；ωn为固有频率；F0为偏心质量产生的离心力；c为阻尼系数；k为弹簧刚度；ζ为阻尼比；m为偏心质量；ω为角速度；e为偏心距离。

式（1）的特解为：

3.2.2 强迫振动仿真分析

利用ADAMS/Vibration进行强迫振动分析需要定义输入通道，并添加振动激励以及定义输出通道。传感器的振动主要是由偏心机构做高速回转运动产生的离心力引起。根据公式，作用于空心轴上的离心力大小为

式中m为物体质量；ω为电机转速；r为物体质心到旋转轴的径向距离[2]。

单击Tool菜单下的Aggregate Mass查看旋转部分的质量和质心，在质心处沿x和z方向添加离心力振动激励，创建输入通道：Input_channel_x，Input_ channel_z。以焊枪末端在x和z方向的位移为输出通道：Output_channel_x，Output_channel_z。最后利用后处理器模块ADAMS/Post Processor得到频率响应曲线如图5、图6所示。

图5 焊枪末端x方向的位移频率响应

图6 焊枪末端z方向的位移频率响应

图5是焊枪末端在x方向上的位移频率响应。当激励频率从0.1Hz逐步增加到85.09Hz时，焊枪末端的频率响应也随之逐步增加；当激励频率超过85.09Hz后，焊枪末端的频率响应随着激励频率的增加有一个比较大的上升；当激励频率到达112.59Hz时，频率响应到达最大值，之后呈明显的下降；当激励频率为142.58Hz时，频率响应出现转折，下降速度变慢；当激励频率到达155.08Hz时，系统的频率响应到达一个极小值，随后呈现比较平缓的趋势。

图6是焊枪末端在z方向上的位移频率响应。当激励频率从1.5Hz逐步增加到85.09Hz时，焊枪末端的频率响应也随之逐步增加；当激励频率超过85.09Hz后，焊枪末端的频率响应随着激励频率的增加有一个小的下降；当激励频率到达97.59Hz时，频率响应呈现一个极小值，之后呈现明显的起伏；当激励频率到达112.59 Hz时，系统的频率响应到达最大值；当激励频率为142.58Hz时，系统的频率响应出现一个明显的极大值，随后呈现比较平缓的下降趋势。

通过上述分析可知，频率0.1～200Hz区间，当频率到达112.59Hz时，焊枪末端的频率响应出现最大值，当频率到达142.58Hz时，焊枪末端的频率响应出现极大值，这是因为这两个频率接近旋转电弧传感器的共振频率。同时从图5、图6可知，旋转电弧传感器工作时在x方向的振动幅度要比z方向大，是因为焊炬连接件是薄而长的形状，x方向的刚度小于z方向的刚度。

4 结论

通过ADAMS/Vibration对模型进行自由振动分析和强迫振动分析，得到系统的各阶固有频率、各阶模态的振动特点和频率响应特性。从各阶固有频率中发现旋转电弧传感器工作频率不在其各阶固有频率附近，所以不会发生共振现象。从频率响应特性中发现系统的振动主要来自强迫振动，并且振动的幅值较大，应该优化平衡块的尺寸参数和位置，使旋转电弧传感器旋转部分的质心靠近回转轴，减小离心力，从而减少振动。

[1]肖峰，姜月娇，李二鹏，等.精密冲床肘杆机构刚柔耦合模型的仿真分析[J].机械设计与制造，2012（1）：167-169.

[2]万茂林，张光慧，郭明.基于ADAMS的汽车悬架的振动分析[J].汽车零部件，2012（8）：82-85.

[3]熊震宇，张华，贾剑平，等.旋转电弧传感器的研制[J].传感器技术，2003（7）：1-3.

[4]贾剑平，李红利，孙鹏.TIG焊旋转电弧传感器结构设计[J].传感器与微系统，2010，29（6）：122-124.

[5]张庆飞.基于虚拟样机的并联机构振动仿真分析[D].沈阳：沈阳理工大学，2012.

[6]刘静，李郝林，黄德杰.基于ADAMS/Vibration的轧辊磨床测量装置振动特性仿真[J].机械设计，2010，27（12）：29-33.

Vibration analysis of rotating arc sensor based on ADAMS

LIU Jizhong，ZHU Shunfeng，YE Yanhui
（RobotandWelding Automation Key Laboratory，Nanchang University，Nanchang330031，China）

For vibration phenomenon of rotating arc sensor in welding，a rigid-flexible coupledmodelof the sensor is setup by ADAMS and ANSYS.Then modal analysis and forced vibration analysis are conducted through ADAMS/Vibration，the each order natural frequency，mode shapes and frequency response curve of the system are obtained to provide the basis for structural improvement of rotating arc sensor.

rotating arc sensor；ADAMS；vibration analysis；rigid-flexible coupling

TG409

A

1001-2303（2015）07-0009-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.03

0 前言

2014-09-12

江西省自然科学基金（20132BAB206028）；江西省自然科学基金（20132BAB206030）

刘继忠（1974—），男，山东成武人，副教授，博士，主要从事智能机电系统与机器人的研究工作。

旋转电弧传感器是利用电弧扫描坡口时，弧长的变化引起电流的变化来获得传感信息的，不需要在焊炬附近添加其他传感器，因此，焊接时不受焊接环境因素的干扰，特别适合应用在焊接自动化设备上。但是旋转电弧传感器旋转部分的质心不在旋转轴上，因此当旋转电弧传感器进行高速旋转时存在离心力，从而产生强迫振动，同时旋转电弧传感器自身的固有振动特性也会影响系统。为了了解系统的振动特性，提高焊接质量，有必要对旋转电弧传感器进行振动分析。