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摘要：作为轮胎胎面拾取系统的重要组成部分，胎面翻转机构翻转胎面的效果直接影响胎面质量及生产效率.给出一种新型胎面翻转机构，为了探讨影响翻转效果因素及影响关系，对胎面翻转过程进行了运动学分析，从理论上推断出不同参数对翻转效果产生的影响；并利用机械动力学仿真软件ADAMs建立了胎面翻转机构仿真模型，通过改变翻转速度、摩擦系数等参数，对胎面翻转过程进行了不同控制条件下的仿真.研究了翻转速度、摩擦系数等因素对翻转效果的影响规律，为翻转电机选型、确定翻转速度控制规律以及翻转机构摩擦系数和材料的选择提供了参考和依据。
关键词：胎面翻转机构；运动学分析；ADAMS；仿真
DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.019
中图分类号：TP391.9
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）06-0100-06
0.引言
随着自动化程度的提高，笨拙的由人工在轮胎胎面生产线上收取胎面的方式正逐步被淘汰，取而代之的是轮胎胎面自动收取系统，它不仅可以降低工人的劳动强度，提高生产效率，还能提高胎面的质量，胎面翻转机构作为轮胎胎面自动收取系统的一部分，负责把原生产线挤压出来的覆面朝下的胎面翻转180°，使之覆面朝上，落到承接装置上，目前国内外胎面翻转机构大多依赖真空吸盘的吸附作用，在胎面翻转过程中，通过将吸盘抽成真空，产生的吸附力吸住胎面，从而保证胎面被平稳的翻转，然而由于单个吸盘的吸附面积及产生的吸附力较小，因此必须采用大量密集分布的吸盘才能满足要求，这无疑增加了生产成本及维护难度，难以满足当今企业发展的要求，因此对不依赖吸盘的胎面翻转机构的研究便显得很有价值。
ADAMS（automatic dynamic analysis of mechani-cal systems）软件是基于虚拟样机技术的多体动力学仿真软件，它可以使产品设计不依赖于实体样机，给设备的调试和实验数据的分析带来极大方便，本文以ADAMS软件建立一种没有吸盘的胎面翻转机构模型，通过控制翻转速度、摩擦系数等参数对胎面翻转过程进行运动仿真，分析翻转速度、摩擦系数等因素对翻转效果的影响，得出影响规律，为寻找胎面最佳翻转效果提供依据。
1.胎面翻转机构的工作原理及运动学分析
1.1工作原理
本文设计和研究的胎面翻转机构结构简图如图1（a）所示，工作时电机驱动翻转机构旋转180°，使胎面从水平位置翻转180°之后落到承接装置上，翻转过程中应保证胎面相对托架不存在分离、坠落、滑动等情况，或者胎面与托架之间虽有分离、滑动情况，但趋势很小，不影响正常翻转，整个翻转过程应稳定可靠的进行，使胎面平稳的完成翻转动作，达到最佳翻转效果，翻转过程运动简图如图1（b）所示。
1.2翻转过程运动学分析
翻转过程中不同阶段胎面受力情况各不相同，因此，对翻转过程不同阶段胎面受力及运动情况进行分析，确定其受力及运动情况随翻转角度变化的规律，为最佳翻转过程的运动规划提供一定的参考和依据，具体可以将胎面翻转过程分为3个阶段，小于90°阶段，等于90°阶段，90°～180°阶段。
1.2.1小于90°阶段
胎面翻转角度小于90°阶段受力情况如图2所示。
由此可知，翻转机构加减速时间之比应足够大，以克服90°之后胎面重力加速度對胎面翻转的影响，使支持力N保持不小于0的状态足够长，以使胎面尽可能晚的从翻转机构上脱落；同时应通过增大翻转角速度和摩擦系数等参数，以增加胎面翻转所需的向心力，保证胎面与翻转机构之间相对滑动趋势最小，从而达到最佳的翻转效果。
1.3运动学分析总结
通过以上的运动学分析可推测，翻转速度、摩擦系数、翻转过程中加减速时间之比是影响翻转效果的主要因素.速度越大，则翻转所需的向心力越大，胎面才不会因为向心力不足而从翻转机构上滑落；摩擦系数越高，则所能提供的向心力越大，越能满足最佳翻转过程的需要；翻转过程中加减速时间之比越大，则胎面重力加速度对翻转的影响越小，翻转效果越佳。
2.胎面翻转机构建模与仿真分析
2.1仿真模型的建立
由于ADAMS软件对复杂机构建模的效果差、速度慢，因此没有必要按照胎面翻转机构的实体形状对其进行建模，这里对胎面翻转机构进行结构简化，在ADAMS软件中，分别用四个长方体构件作为胎面翻转机构的翻转托架、外侧挡板、胎面翻转之后的承接装置及胎面，并按照实际情况对各部件的位置进行分配。
2.2约束和驱动的添加
实体模型建立完成之后，根据胎面翻转机构各部件之间的连接关系和实际工况添加约束和驱动，在翻转机构和大地之间添加旋转副（joint）和电机驱动（motion），用于带动翻转机构绕着中心点旋转；在翻转机构和胎面间添加接触力（contact），用于模拟实际接触状态；最终建立的胎面翻转机构仿真模型如图5所示，其中水平方向为坐标系的x轴，竖直方向为坐标系的Y轴。
2.3仿真与结果分析
通过改变电机的速度（在motion中改变）及胎面与翻转机构问的摩擦系数u（在接触力contact中改变），对不同翻转速度及摩擦系数下的胎面翻转过程进行运动仿真，通过ADAMS的Measure建立两个测量，分别为胎面相对翻转机构在x轴方向上偏移量的测量AX，以及胎面外侧相对翻转机构在y轴方向上偏移量的测量AY，在ADAMS/PostProces-sor中加载不同摩擦系数及翻转速度下的测量曲线，并进行对比分析，研究不同因素对翻转效果的影响规律。
2.3.1摩擦系数对胎面翻转效果的影响
将仿真模型中motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真时间设为1.3秒，仿真步数设为200步，对摩擦系数为0、0.5、20三种情况下的翻转过程分别进行仿真，研究在翻转速度曲线相同的情况下，摩擦系数对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图6所示（其中，JOINT 1-angle为翻转角度，turn-t001.CM_Angular_Velocity.Mag为翻转速度，horizon-taldistance为AX，verticaldistance为AY）。 由图可知，摩擦系数为0时，当翻转角度为10°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为350mm；摩擦系数为0.5时，当翻转角度为50°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为150mm；摩擦系数为20时，当翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为75mm。
可以看出，在翻转速度曲线一致的情况下，摩擦系数越高，翻转过程中胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：摩擦系数越大，胎面所受到垂直于翻转方向的最大静摩擦力越大，则胎面所受到的指向翻转中心的合力越趋近于翻转所需的向心力，越能满足翻转过程中对向心力的要求，从而有效降低胎面相对翻转机构滑落的趋势，增强翻转效果。
另外，由图可以看出，随着摩擦系数的增大，翻转终止位置偏差AX也随之增大，这是由于随着摩擦系数的减小，仿真过程中胎面脱离翻转机构的时间也越早，胎面向外抛离的趋势也会增大，由于翻转机构外侧挡板的存在，阻挡了胎面抛离的路径，使胎面贴近外侧挡板落下，因而翻转终止位置偏差也越小，但翻转过程中胎面脱离现象却十分明显，对翻转过程产生严重影响。这也表明“摩擦系数越大，翻转效果俞佳”是正确的。
2.3.2速度峰值对胎面翻转效果的影响
将摩擦系数设置为20，分别进行如下仿真，1）将motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真时间为1.3s，仿真步数为200步；2）motion函数为STEP（time，0，0d，0.6，500d）+STEP（time，0.6，0d，0.72，-500d），仿真时间0.73s，仿真步数为200步；3）motion函数为STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d），仿真时问为0.4s，仿真步数为200步；研究在摩擦系数及翻转电机加减速趋势相同的条件下，翻转速度峰值对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图7所示（其中，JOINT 1-angle为翻转角度，tumt001.CM-Angular-Velocity.Mag为翻转速度，horizontaldis-tanee为AX，verticaldistance为△Y）。
由图可知，速度峰值为300°/s时，当翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为75mm，AX最终值为150mm；速度峰值为500°/s时，当翻转角度为120°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为35mm，AX最终值为25mm；速度峰值为900°/s时，当翻转角度为160°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为27mm，AX最终值为5mm。
可以看出，在摩擦系数及翻转电机加减速趋势相同的情况下，翻转速度峰值越高，翻转过程中胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：翻转速度越小，则胎面翻转所需向心力也越小，当所需向心力小于作用在胎面上、垂直于翻转路径且指向翻转中心的合力后，胎面将有相对翻转机构滑落的趋势，从而影响翻转效果；而随着翻转速度的增大，胎面翻转所需的向心力也随之增大，由于翻转機构外侧带有挡板，因此可满足胎面翻转过程中对大的向心力的要求，从而有效降低胎面滑动及脱落的趋势，提升翻转效果。
2.3.3加减速时间之比对胎面翻转效果的影响
将摩擦系数设置为20，仿真时间为0.4秒，仿真步数为200步，分别进行如下仿真，1）将motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，0.1，900d）+STEP（time，0.1，0d，0.4，-900d）；2）motion函数为STEP（time，0，0d，0.2，900d）+STEP（time，0.2，0d，0.4，-900d）；3）motion函数为STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d）；研究在摩擦系数及翻转电机速度峰值相同的情况下，加减速时间之比对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图8所示（其中，JOINT_1_angle为翻转角度，turnt001.CM_Angular-Veloci-ty.Mag为翻转速度，horizontaldistance为△x，verti-caldistance为AY）。
由图可知，当加速时间小于减速时间时，在翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为175mm，△x最终值为140mm；当加速时间等于减速时间时，在翻转角度为125°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为125mm，△x最终值为60mm；当加速时间大于减速时间时，在翻转角度为160°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为28mm，△x最终值为5mm。
可以看出，在摩擦系数和翻转速度峰值相同的情况下，翻转过程中电机加减速时间之比越大，胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：如果加速时间所占比例过小，则在翻转角度达到90°及大于90°之后，胎面将由于重力及惯性等原因产生平抛、斜抛等状况，无法完成平稳翻转，而如果增大加速时间所占比例，则可通过翻转加速度来抵消重力加速度对翻转过程产生的影响，从而降低胎面相对翻转机构产生的分离趋势，使其尽可能平稳的完成翻转。
3.结论
本文给出了一种胎面翻转机构，对翻转过程进行了运动学分析，提出了影响翻转效果的因素及影响关系，并利用ADAMS软件建立了胎面翻转机构的仿真模型，对胎面翻转过程进行了不同运动状态下的仿真，通过仿真可知，在允许的范围之内，胎面与翻转机构之问的摩擦系数越大、翻转电机速度峰值越高、翻转过程电机加减速时间之比越大，则翻转效果俞佳.通过仿真建立了摩擦系数、翻转速度等因素对翻转效果的影响规律，验证了动力学分析的正确性，为翻转机构摩擦系数及材料的选择、翻转电机选型及确定翻转电机速度控制规律提供了参考和依据。
关键词：胎面翻转机构；运动学分析；ADAMS；仿真
DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.019
中图分类号：TP391.9
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）06-0100-06
0.引言
随着自动化程度的提高，笨拙的由人工在轮胎胎面生产线上收取胎面的方式正逐步被淘汰，取而代之的是轮胎胎面自动收取系统，它不仅可以降低工人的劳动强度，提高生产效率，还能提高胎面的质量，胎面翻转机构作为轮胎胎面自动收取系统的一部分，负责把原生产线挤压出来的覆面朝下的胎面翻转180°，使之覆面朝上，落到承接装置上，目前国内外胎面翻转机构大多依赖真空吸盘的吸附作用，在胎面翻转过程中，通过将吸盘抽成真空，产生的吸附力吸住胎面，从而保证胎面被平稳的翻转，然而由于单个吸盘的吸附面积及产生的吸附力较小，因此必须采用大量密集分布的吸盘才能满足要求，这无疑增加了生产成本及维护难度，难以满足当今企业发展的要求，因此对不依赖吸盘的胎面翻转机构的研究便显得很有价值。
ADAMS（automatic dynamic analysis of mechani-cal systems）软件是基于虚拟样机技术的多体动力学仿真软件，它可以使产品设计不依赖于实体样机，给设备的调试和实验数据的分析带来极大方便，本文以ADAMS软件建立一种没有吸盘的胎面翻转机构模型，通过控制翻转速度、摩擦系数等参数对胎面翻转过程进行运动仿真，分析翻转速度、摩擦系数等因素对翻转效果的影响，得出影响规律，为寻找胎面最佳翻转效果提供依据。
1.胎面翻转机构的工作原理及运动学分析
1.1工作原理
本文设计和研究的胎面翻转机构结构简图如图1（a）所示，工作时电机驱动翻转机构旋转180°，使胎面从水平位置翻转180°之后落到承接装置上，翻转过程中应保证胎面相对托架不存在分离、坠落、滑动等情况，或者胎面与托架之间虽有分离、滑动情况，但趋势很小，不影响正常翻转，整个翻转过程应稳定可靠的进行，使胎面平稳的完成翻转动作，达到最佳翻转效果，翻转过程运动简图如图1（b）所示。
1.2翻转过程运动学分析
翻转过程中不同阶段胎面受力情况各不相同，因此，对翻转过程不同阶段胎面受力及运动情况进行分析，确定其受力及运动情况随翻转角度变化的规律，为最佳翻转过程的运动规划提供一定的参考和依据，具体可以将胎面翻转过程分为3个阶段，小于90°阶段，等于90°阶段，90°～180°阶段。
1.2.1小于90°阶段
胎面翻转角度小于90°阶段受力情况如图2所示。
由此可知，翻转机构加减速时间之比应足够大，以克服90°之后胎面重力加速度對胎面翻转的影响，使支持力N保持不小于0的状态足够长，以使胎面尽可能晚的从翻转机构上脱落；同时应通过增大翻转角速度和摩擦系数等参数，以增加胎面翻转所需的向心力，保证胎面与翻转机构之间相对滑动趋势最小，从而达到最佳的翻转效果。
1.3运动学分析总结
通过以上的运动学分析可推测，翻转速度、摩擦系数、翻转过程中加减速时间之比是影响翻转效果的主要因素.速度越大，则翻转所需的向心力越大，胎面才不会因为向心力不足而从翻转机构上滑落；摩擦系数越高，则所能提供的向心力越大，越能满足最佳翻转过程的需要；翻转过程中加减速时间之比越大，则胎面重力加速度对翻转的影响越小，翻转效果越佳。
2.胎面翻转机构建模与仿真分析
2.1仿真模型的建立
由于ADAMS软件对复杂机构建模的效果差、速度慢，因此没有必要按照胎面翻转机构的实体形状对其进行建模，这里对胎面翻转机构进行结构简化，在ADAMS软件中，分别用四个长方体构件作为胎面翻转机构的翻转托架、外侧挡板、胎面翻转之后的承接装置及胎面，并按照实际情况对各部件的位置进行分配。
2.2约束和驱动的添加
实体模型建立完成之后，根据胎面翻转机构各部件之间的连接关系和实际工况添加约束和驱动，在翻转机构和大地之间添加旋转副（joint）和电机驱动（motion），用于带动翻转机构绕着中心点旋转；在翻转机构和胎面间添加接触力（contact），用于模拟实际接触状态；最终建立的胎面翻转机构仿真模型如图5所示，其中水平方向为坐标系的x轴，竖直方向为坐标系的Y轴。
2.3仿真与结果分析
通过改变电机的速度（在motion中改变）及胎面与翻转机构问的摩擦系数u（在接触力contact中改变），对不同翻转速度及摩擦系数下的胎面翻转过程进行运动仿真，通过ADAMS的Measure建立两个测量，分别为胎面相对翻转机构在x轴方向上偏移量的测量AX，以及胎面外侧相对翻转机构在y轴方向上偏移量的测量AY，在ADAMS/PostProces-sor中加载不同摩擦系数及翻转速度下的测量曲线，并进行对比分析，研究不同因素对翻转效果的影响规律。
2.3.1摩擦系数对胎面翻转效果的影响
将仿真模型中motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真时间设为1.3秒，仿真步数设为200步，对摩擦系数为0、0.5、20三种情况下的翻转过程分别进行仿真，研究在翻转速度曲线相同的情况下，摩擦系数对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图6所示（其中，JOINT 1-angle为翻转角度，turn-t001.CM_Angular_Velocity.Mag为翻转速度，horizon-taldistance为AX，verticaldistance为AY）。 由图可知，摩擦系数为0时，当翻转角度为10°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为350mm；摩擦系数为0.5时，当翻转角度为50°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为150mm；摩擦系数为20时，当翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为75mm。
可以看出，在翻转速度曲线一致的情况下，摩擦系数越高，翻转过程中胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：摩擦系数越大，胎面所受到垂直于翻转方向的最大静摩擦力越大，则胎面所受到的指向翻转中心的合力越趋近于翻转所需的向心力，越能满足翻转过程中对向心力的要求，从而有效降低胎面相对翻转机构滑落的趋势，增强翻转效果。
另外，由图可以看出，随着摩擦系数的增大，翻转终止位置偏差AX也随之增大，这是由于随着摩擦系数的减小，仿真过程中胎面脱离翻转机构的时间也越早，胎面向外抛离的趋势也会增大，由于翻转机构外侧挡板的存在，阻挡了胎面抛离的路径，使胎面贴近外侧挡板落下，因而翻转终止位置偏差也越小，但翻转过程中胎面脱离现象却十分明显，对翻转过程产生严重影响。这也表明“摩擦系数越大，翻转效果俞佳”是正确的。
2.3.2速度峰值对胎面翻转效果的影响
将摩擦系数设置为20，分别进行如下仿真，1）将motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，1，300d）+STEP（time，1，0d，1.2，-300d），仿真时间为1.3s，仿真步数为200步；2）motion函数为STEP（time，0，0d，0.6，500d）+STEP（time，0.6，0d，0.72，-500d），仿真时间0.73s，仿真步数为200步；3）motion函数为STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d），仿真时问为0.4s，仿真步数为200步；研究在摩擦系数及翻转电机加减速趋势相同的条件下，翻转速度峰值对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图7所示（其中，JOINT 1-angle为翻转角度，tumt001.CM-Angular-Velocity.Mag为翻转速度，horizontaldis-tanee为AX，verticaldistance为△Y）。
由图可知，速度峰值为300°/s时，当翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为75mm，AX最终值为150mm；速度峰值为500°/s时，当翻转角度为120°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为35mm，AX最终值为25mm；速度峰值为900°/s时，当翻转角度为160°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为27mm，AX最终值为5mm。
可以看出，在摩擦系数及翻转电机加减速趋势相同的情况下，翻转速度峰值越高，翻转过程中胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：翻转速度越小，则胎面翻转所需向心力也越小，当所需向心力小于作用在胎面上、垂直于翻转路径且指向翻转中心的合力后，胎面将有相对翻转机构滑落的趋势，从而影响翻转效果；而随着翻转速度的增大，胎面翻转所需的向心力也随之增大，由于翻转機构外侧带有挡板，因此可满足胎面翻转过程中对大的向心力的要求，从而有效降低胎面滑动及脱落的趋势，提升翻转效果。
2.3.3加减速时间之比对胎面翻转效果的影响
将摩擦系数设置为20，仿真时间为0.4秒，仿真步数为200步，分别进行如下仿真，1）将motion速度函数设置为STEP（time，0，0d，0.1，900d）+STEP（time，0.1，0d，0.4，-900d）；2）motion函数为STEP（time，0，0d，0.2，900d）+STEP（time，0.2，0d，0.4，-900d）；3）motion函数为STEP（time，0，0d，0.35，900d）+STEP（time，0.35，0d，0.4，-900d）；研究在摩擦系数及翻转电机速度峰值相同的情况下，加减速时间之比对翻转过程产生的影响，得到的数据曲线如图8所示（其中，JOINT_1_angle为翻转角度，turnt001.CM_Angular-Veloci-ty.Mag为翻转速度，horizontaldistance为△x，verti-caldistance为AY）。
由图可知，当加速时间小于减速时间时，在翻转角度为75°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为175mm，△x最终值为140mm；当加速时间等于减速时间时，在翻转角度为125°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为125mm，△x最终值为60mm；当加速时间大于减速时间时，在翻转角度为160°左右时胎面有脱离倾向，AY最大值为28mm，△x最终值为5mm。
可以看出，在摩擦系数和翻转速度峰值相同的情况下，翻转过程中电机加减速时间之比越大，胎面开始有脱离倾向的时刻越靠后，偏移量△x及AY越小，翻转效果俞佳。
仿真结果验证了动力学分析的正确性：如果加速时间所占比例过小，则在翻转角度达到90°及大于90°之后，胎面将由于重力及惯性等原因产生平抛、斜抛等状况，无法完成平稳翻转，而如果增大加速时间所占比例，则可通过翻转加速度来抵消重力加速度对翻转过程产生的影响，从而降低胎面相对翻转机构产生的分离趋势，使其尽可能平稳的完成翻转。
3.结论
本文给出了一种胎面翻转机构，对翻转过程进行了运动学分析，提出了影响翻转效果的因素及影响关系，并利用ADAMS软件建立了胎面翻转机构的仿真模型，对胎面翻转过程进行了不同运动状态下的仿真，通过仿真可知，在允许的范围之内，胎面与翻转机构之问的摩擦系数越大、翻转电机速度峰值越高、翻转过程电机加减速时间之比越大，则翻转效果俞佳.通过仿真建立了摩擦系数、翻转速度等因素对翻转效果的影响规律，验证了动力学分析的正确性，为翻转机构摩擦系数及材料的选择、翻转电机选型及确定翻转电机速度控制规律提供了参考和依据。