基于ADAMS的壓緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真研究

范茂　李世蕓

摘 ?要： 作為傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的典型機(jī)構(gòu)之一，壓緊機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于不同機(jī)械設(shè)備中，因此具有一定的研究價值。本文選取研究對象是普通小型壓力機(jī)，其壓緊機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)是曲柄連桿結(jié)構(gòu)，研究目的是研究該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，為以后研究更加相對復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)提供一定的參考價值。首先利用ADAMS建立壓力機(jī)的虛擬樣機(jī)，再利用ADAMS完成運(yùn)動學(xué)仿真分析，最后得到了壓緊過程的仿真動畫和工件所受壓力變化的曲線圖，曲線圖直觀反映了壓緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律。分析曲線圖表明，曲線圖上壓緊力的變化符合實(shí)際情況，為進(jìn)一步深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：?壓力機(jī);壓緊機(jī)構(gòu);ADAMS;建模;運(yùn)動學(xué)仿真

中圖分類號： TP391.77????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.031

【Abstract】： As one of the common typical mechanisms in traditional mechanical structure， compaction mechanism is widely used in different mechanical equipment， so it has certain research value. The research object selected in this paper is a common small press. Its pressing mechanism is essentially a crank-connecting rod structure. The purpose of the research is to study the movement law of this mechanism and provide a certain reference value for future research on more complicated mechanical structures. Firstly， ADAMS is used to build a virtual prototype of the press， and then ADAMS is used to complete kinematic simulation analysis. Finally， the simulation animation of the pressing process and the graph of the pressure change on the workpiece are obtained. The graph directly reflects the movement rule of the pressing mechanism. The analysis graph shows that the change of the pressing force on the graph accords with the actual situation and provides a reference for further in-depth research.

【Key words】： Press; Compaction mechanism; ADAMS; Modeling; Kinematic simulation

0 ?引言

作為當(dāng)前設(shè)計制造領(lǐng)域的新技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)對于我們來說，不算一個陌生的名詞。虛擬樣機(jī)技術(shù)偏向于應(yīng)用虛擬樣機(jī)，具體是指對與物理樣機(jī)具有功能相似性的系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型進(jìn)行的基于計算機(jī)的仿真[1]。其涉及的領(lǐng)域有航空航天、機(jī)械電子、航海、造船、汽車制造等行業(yè)[2]。利用虛擬樣機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)，不但縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了工作效率，而且提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量[1-2]。

本文研究的虛擬樣機(jī)是壓力機(jī)，其壓緊結(jié)構(gòu)模型可以簡化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干剛性構(gòu)件組成，利用低副把不同的構(gòu)件連接到一起[3-5]。它不僅廣泛應(yīng)用于眾多農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械，如內(nèi)燃機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)等，還應(yīng)用于人造衛(wèi)星太陽能板的展開機(jī)構(gòu)、折疊傘的收放機(jī)構(gòu)等[3，5]，具有一定的研究意義。

到目前為止，不少學(xué)者已經(jīng)利用ADAMS對不同機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性展開過研究，并取得不錯的效果。其中涉及的機(jī)構(gòu)如泥漿泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)[6]、人員閘門鎖緊機(jī)構(gòu)[7]、壓力機(jī)三角連桿機(jī)構(gòu)[8]、曲柄擺桿機(jī)構(gòu)[9]以及偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[10]等等，這些研究成果為本研究開展提供參考。相比較于傳統(tǒng)設(shè)計，二者既有相同之處，也有顯著區(qū)別。相同之處在于開發(fā)流程有類似之處;區(qū)別之處在于傳統(tǒng)設(shè)計耗時長而且成本高，采用虛擬樣機(jī)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)上的不足，可在虛擬的軟件環(huán)境中對產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行修改、測試其功能等。在?ADAMS軟件環(huán)境中，壓緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真研究大致分為三步。第一步是建立壓緊機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的三維模型，并對樣機(jī)添加約束和載荷等;第二步是仿真與測試，得到一些參數(shù)的動畫和曲線圖。最后一步是對仿真結(jié)果分析，得出結(jié)論[10]。

1??壓力機(jī)的描述

壓力機(jī)是一種通用性小型機(jī)器設(shè)備，在生產(chǎn)車間隨處可見。實(shí)物模型示意圖如圖1所示。它主要用途是沖孔和成形等工藝。壓力機(jī)工作原理是以電動機(jī)作為動力的輸出源，再傳動機(jī)構(gòu)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對工件施加作用力，完成作業(yè)。壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)有多種類型，如螺旋機(jī)構(gòu)和和曲柄連桿機(jī)構(gòu)等。本文選取研究的工作機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

圖2為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，選定機(jī)構(gòu)各參數(shù)如下：AB桿長0.1?m，BC桿和CD桿長度相等，均為0.2?m，D點(diǎn)為驅(qū)動力F的作用點(diǎn)，力大小為150?N，方向垂直于AD，滑塊C向下運(yùn)動表示壓緊工件，彈簧阻尼系數(shù)為0，剛度系數(shù)為5?N/mm。

2??壓力機(jī)的建模與仿真

2.1??創(chuàng)建虛擬樣機(jī)模型

利用ADAMS生成三維模型有兩種常用的方法，分別是直接建模法和間接建模法。直接建模法是直接利用ADAMS/View自己本身具有的建模工具完成三維模型的建模。當(dāng)需要建立的模型比較簡單時，可以利用直接建模法完成模型的創(chuàng)建，比較方便;間接建模法常用于復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，僅僅依賴ADAMS自身的幾何建模工具無法完成用戶的需求。因此需要利用CAD軟件完成復(fù)雜模型的建模，如UG、Solidworks、Solid edge等一系列三維軟件，再通過二者之間的數(shù)據(jù)接口，將建立好的模型直接導(dǎo)入ADAMS，最后在ADAMS中編輯修改，得到符合要求的剛性構(gòu)件。本文所研究的結(jié)構(gòu)簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，分析該壓力機(jī)的壓緊機(jī)構(gòu)可知，機(jī)構(gòu)由曲柄、連桿、彈簧和滑塊組成，模型并不復(fù)雜，利用ADAMS直接建模法完成該模型的創(chuàng)建，達(dá)到對模型的要求。在ADAMS中建立的模型如圖3所示。

2.2??添加約束

約束是聯(lián)系機(jī)構(gòu)中各獨(dú)立構(gòu)件的橋梁。運(yùn)動機(jī)構(gòu)在約束的作用下，可以使不同構(gòu)件彼此之間形成的相對的運(yùn)動關(guān)系[1]。

2.2.1 ?添加轉(zhuǎn)動副約束

曲柄連桿機(jī)構(gòu)需要完成3個轉(zhuǎn)動副的創(chuàng)建，曲柄與大地之間的轉(zhuǎn)動副、曲柄與連桿之間的轉(zhuǎn)動副以及連桿與滑塊之間的轉(zhuǎn)動副，分別為Joint-A、Joint-B以及Joint-C1。首先連接主工具箱的工具集，選擇鉸接副命令，彈出參數(shù)欄設(shè)置對話框，依次選擇2 Bodies-1 Location-Pick Geometry Feature-Pick First Body-Pick First Body，然后選擇需要添加約束的兩個構(gòu)件及添加轉(zhuǎn)動副的位置點(diǎn)。

2.2.2 ?添加移動副約束

該機(jī)構(gòu)只有1個移動副需要創(chuàng)建，滑塊相對于大地的移動。找到主工具箱的工具集，選擇移動副命令，彈出參數(shù)欄設(shè)置對話框，依次選擇2 Bodies-1 Location-Pick Geometry Feature-Pick First Body-Pick First Body，接著選擇大地、滑塊及滑塊的中心，拖動鼠標(biāo)和移動副一樣的方向，ADAMS界面會顯示滑塊運(yùn)動方向的矢量，單擊鼠標(biāo)左鍵，創(chuàng)建完成移動副Joint-C2。

2.3??創(chuàng)建驅(qū)動力

根據(jù)驅(qū)動力的描述可知，驅(qū)動力F作用點(diǎn)是D點(diǎn)，方向垂直于AD，驅(qū)動力大小大小為150?N。在操作區(qū)Forces項的Applied Forces中，點(diǎn)擊Create a Force圖標(biāo)，在Run-time Direction的列表中選擇Body Moving，確定Force以及輸入驅(qū)動力的大小。單擊曲柄Crank上的端點(diǎn)，將光標(biāo)水平向右移動，再點(diǎn)擊工作區(qū)，完成創(chuàng)建驅(qū)動力的任務(wù)。

至此，已經(jīng)完成壓力機(jī)的虛擬樣機(jī)的約束和驅(qū)動的添加，如圖4所示。

3??仿真與測試

3.1??仿真模型

找到ADAMS界面的主工具箱，點(diǎn)擊Simulation，界面彈出交互式仿真分析參數(shù)設(shè)置欄，在End Time和Steps兩欄分別輸入0.1和1000，分別表示仿真運(yùn)行時間和整個仿真過程總共輸出的步數(shù)。完成時間和步數(shù)的設(shè)置后，點(diǎn)擊運(yùn)行鍵便可以開始仿真分析。在整個仿真分析過程中，ADAMS界面可以實(shí)時顯示虛擬樣機(jī)的運(yùn)行狀況。仿真跟蹤和調(diào)試工具作為ADAMS必不可少的工具之一，在仿真調(diào)試過程中，跟蹤仿真結(jié)果，可以及時排除相應(yīng)的故障，使虛擬樣機(jī)更加吻合實(shí)際的壓力機(jī)。

3.2??測試模型

3.2.1 ?測量曲柄轉(zhuǎn)角

測量曲柄轉(zhuǎn)角的情況，是測試該虛擬模型重要的一部分。測量曲柄轉(zhuǎn)角一共分三步。第一步按操作步驟，找到Bodies項的Construction欄，單擊Cons truction?Geometry：Market，標(biāo)記點(diǎn)MARKER-24創(chuàng)建在大地上的標(biāo)記點(diǎn)所在位置處。第二步在操作區(qū)的Measure欄中，單擊Create a new Angle Measure，接著再單擊左側(cè)的Angle Measure欄中的Advanced。第三步是分別在First Marker、Middle Marker以及Last Marker三個文本框中輸入MARKER-4、MARKER-1和MARKER-24。完成上述步驟后，單擊OK按鈕，顯示測量結(jié)果如圖5所示。

由圖5所知，隨著仿真時間的增加，曲柄轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，說明二者成正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)時間達(dá)到最大值0.1?s時，曲柄的轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值，為189.5度。

3.2.2 ?測量彈簧力

為了研究該壓緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，本案例采用彈簧力來模擬滑塊與物體間的作用力，彈簧力可以由彈簧的變形來體現(xiàn)，直觀可見。測量彈簧力一共分三步。第一步鼠標(biāo)右擊彈簧，在彈出的快捷菜單中選擇Spring：SPRING-1-Measure命令。第二步在彈出的Assembly Measure對話框中，將Measure Name 命名為SPRING-1-MEA-FORCE。第三步是在Characteristic的列表中選擇force。完成上述步驟后，單擊OK按鈕。顯示測量結(jié)果如圖6所示，進(jìn)一步可以獲得彈簧力相對于曲柄轉(zhuǎn)角的測量曲線，如圖7所示。

由圖6的曲線圖所知，隨著時間的增加，彈簧力的大小逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，彈簧力的方向改變，大小逐漸減小?？梢哉f，如果時間足夠長，該機(jī)構(gòu)一直做周期運(yùn)動，符合實(shí)際的運(yùn)動情況。

分析圖7的曲線圖可知，當(dāng)曲柄的轉(zhuǎn)角逐漸增大時，彈簧力的大小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)曲柄夾角在0度逐漸增大到大約95度時，彈簧力的大小逐漸從0達(dá)到最大值，此時壓力機(jī)的工作情況

為逐漸壓緊工件;當(dāng)曲柄夾角在大概90度逐漸增大的時候，彈簧力的大小逐漸從最大值逐漸減小為0，此時壓力機(jī)的工作情況為逐漸放松工件，因此該曲線符合實(shí)際運(yùn)動情況。

4??結(jié)果討論

為了解決該設(shè)計問題，在ADAMS中建立了該虛擬樣機(jī)的模型，并對該模型進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，分析出了壓力機(jī)在壓緊過程中工件所受壓力的變化情況，其仿真結(jié)果符合實(shí)際情況。當(dāng)然，以后可以借助ADAMS的其他強(qiáng)大的功能對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的其他方面做進(jìn)一步的研究。總而言之，利用ADAMS來進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，首先是提高了工作效率，促進(jìn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)踐中具有廣泛的意義。

參考文獻(xiàn)

陳立平， 張云清， 任衛(wèi)群， 等. 機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2005， 1： 1-50.

郭衛(wèi)東， 李守忠， 馬璐. ADAMS2013應(yīng)用實(shí)例精解教程[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2015， 1： 1-5.

孫桓， 陳作模， 葛文杰。機(jī)械原理[M]. 第8版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 123-124.

李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2006： 1-20.

孫桓， 陳作模， 葛文杰. 機(jī)械原理[M]. 第6版， 北京： 高等教育出版社， 2001： 110-130.

朱鳳霞， 童志偉， 黃忠禮. 基于ADAMS的泥漿泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真分析[J]. 煤礦機(jī)械， 2009， 30（7）： 84-85.

朱建堯. 基于Adams的人員閘門鎖緊機(jī)構(gòu)建模與仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用， 2017， 30（6）： 42-45.

賈先， 譚栓斌， 范淑琴. 基于ADAMS的三角連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)仿真分析[J]. 機(jī)電工程， 2016， 33（9）： 1080-1083.

程熊豪. 基于ADAMS的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析[J]. 科技資訊， 2015， 2（2）： 14-15.

王國明. 基于ADAMS的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析[J]. 濱州學(xué)院學(xué)報， 2011， 27（6）： 95-97.