基于ADAMS的压紧机构运动学仿真研究

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　　摘  要： 作为传统机械结构中常见的典型机构之一，压紧机构广泛运用于不同机械设备中，因此具有一定的研究价值。本文选取研究对象是普通小型压力机，其压紧机构实质是曲柄连杆结构，研究目的是研究该机构的运动规律，为以后研究更加相对复杂的机械结构提供一定的参考价值。首先利用ADAMS建立压力机的虚拟样机，再利用ADAMS完成运动学仿真分析，最后得到了压紧过程的仿真动画和工件所受压力变化的曲线图，曲线图直观反映了压紧机构的运动规律。分析曲线图表明，曲线图上压紧力的变化符合实际情况，为进一步深入研究提供参考。
　　关键词： 压力机;压紧机构;ADAMS;建模;运动学仿真
　　中图分类号： TP391.77    文献标识码： 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
　　作為当前设计制造领域的新技术，虚拟样机技术对于我们来说，不算一个陌生的名词。虚拟样机技术偏向于应用虚拟样机，具体是指对与物理样机具有功能相似性的系统或子系统模型进行的基于计算机的仿真[1]。其涉及的领域有航空航天、机械电子、航海、造船、汽车制造等行业[2]。利用虚拟样机代替传统的物理样机，不但缩短了产品的研发周期，提高了工作效率，而且提高了产品的设计质量[1-2]。
　　本文研究的虚拟样机是压力机，其压紧结构模型可以简化为曲柄连杆机构。平面连杆机构是由若干刚性构件组成，利用低副把不同的构件连接到一起[3-5]。它不仅广泛应用于众多农业机械和工程机械，如内燃机、起重运输机等，还应用于人造卫星太阳能板的展开机构、折叠伞的收放机构等[3，5]，具有一定的研究意义。
　　到目前为止，不少学者已经利用ADAMS对不同机构的动力学特性展开过研究，并取得不错的效果。其中涉及的机构如泥浆泵曲柄连杆机构[6]、人员闸门锁紧机构[7]、压力机三角连杆机构[8]、曲柄摆杆机构[9]以及偏置曲柄滑块机构[10]等等，这些研究成果为本研究开展提供参考。相比较于传统设计，二者既有相同之处，也有显著区别。相同之处在于开发流程有类似之处;区别之处在于传统设计耗时长而且成本高，采用虚拟样机弥补了传统上的不足，可在虚拟的软件环境中对产品的参数进行修改、测试其功能等。在 ADAMS软件环境中，压紧机构运动学仿真研究大致分为三步。第一步是建立压紧机构虚拟样机的三维模型，并对样机添加约束和载荷等;第二步是仿真与测试，得到一些参数的动画和曲线图。最后一步是对仿真结果分析，得出结论[10]。
　　1  压力机的描述
　　压力机是一种通用性小型机器设备，在生产车间随处可见。实物模型示意图如图1所示。它主要用途是冲孔和成形等工艺。压力机工作原理是以电动机作为动力的输出源，再传动机构带动执行机构，对工件施加作用力，完成作业。压力机的工作机构有多种类型，如螺旋机构和和曲柄连杆机构等。本文选取研究的工作机构是曲柄连杆机构。 　　图2为曲柄连杆机构的运动简图，选定机构各参数如下：AB杆长0.1 m，BC杆和CD杆长度相等，均为0.2 m，D点为驱动力F的作用点，力大小为150 N，方向垂直于AD，滑块C向下运动表示压紧工件，弹簧阻尼系数为0，刚度系数为5 N/mm。
　　2  压力机的建模与仿真
　　2.1  创建虚拟样机模型
　　利用ADAMS生成三维模型有两种常用的方法，分别是直接建模法和间接建模法。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维模型的建模。当需要建立的模型比较简单时，可以利用直接建模法完成模型的创建，比较方便;间接建模法常用于复杂的模型结构，仅仅依赖ADAMS自身的几何建模工具无法完成用户的需求。因此需要利用CAD软件完成复杂模型的建模，如UG、Solidworks、Solid edge等一系列三维软件，再通过二者之间的数据接口，将建立好的模型直接导入ADAMS，最后在ADAMS中编辑修改，得到符合要求的刚性构件。本文所研究的结构简化为曲柄滑块机构，分析该压力机的压紧机构可知，机构由曲柄、连杆、弹簧和滑块组成，模型并不复杂，利用ADAMS直接建模法完成该模型的创建，达到对模型的要求。在ADAMS中建立的模型如图3所示。
　　2.2  添加约束
　　约束是联系机构中各独立构件的桥梁。运动机构在约束的作用下，可以使不同构件彼此之间形成的相对的运动关系[1]。
　　2.2.1  添加转动副约束
　　曲柄连杆机构需要完成3个转动副的創建，曲柄与大地之间的转动副、曲柄与连杆之间的转动副以及连杆与滑块之间的转动副，分别为Joint-A、Joint-B以及Joint-C1。首先连接主工具箱的工具集，选择铰接副命令，弹出参数栏设置对话框，依次选择2 Bodies-1 Location-Pick Geometry Feature-Pick First Body-Pick First Body，然后选择需要添加约束的两个构件及添加转动副的位置点。
　　2.2.2  添加移动副约束
　　该机构只有1个移动副需要创建，滑块相对于大地的移动。找到主工具箱的工具集，选择移动副命令，弹出参数栏设置对话框，依次选择2 Bodies-1 Location-Pick Geometry Feature-Pick First Body-Pick First Body，接着选择大地、滑块及滑块的中心，拖动鼠标和移动副一样的方向，ADAMS界面会显示滑块运动方向的矢量，单击鼠标左键，创建完成移动副Joint-C2。
　　2.3  创建驱动力
　　根据驱动力的描述可知，驱动力F作用点是D点，方向垂直于AD，驱动力大小大小为150 N。在操作区Forces项的Applied Forces中，点击Create a Force图标，在Run-time Direction的列表中选择Body Moving，确定Force以及输入驱动力的大小。单击曲柄Crank上的端点，将光标水平向右移动，再点击工作区，完成创建驱动力的任务。
　　至此，已经完成压力机的虚拟样机的约束和驱动的添加，如图4所示。
　　3  仿真与测试
　　3.1  仿真模型
　　找到ADAMS界面的主工具箱，点击Simulation，界面弹出交互式仿真分析参数设置栏，在End Time和Steps两栏分别输入0.1和1000，分别表示仿真运行时间和整个仿真过程总共输出的步数。完成时间和步数的设置后，点击运行键便可以开始仿真分析。在整个仿真分析过程中，ADAMS界面可以实时显示虚拟样机的运行状况。仿真跟踪和调试工具作为ADAMS必不可少的工具之一，在仿真调试过程中，跟踪仿真结果，可以及时排除相应的故障，使虚拟样机更加吻合实际的压力机。
　　3.2  测试模型
　　3.2.1  测量曲柄转角
　　测量曲柄转角的情况，是测试该虚拟模型重要的一部分。测量曲柄转角一共分三步。第一步按操作步骤，找到Bodies项的Construction栏，单击Cons truction Geometry：Market，标记点MARKER-24创建在大地上的标记点所在位置处。第二步在操作区的Measure栏中，单击Create a new Angle Measure，接着再单击左侧的Angle Measure栏中的Advanced。第三步是分别在First Marker、Middle Marker以及Last Marker三个文本框中输入MARKER-4、MARKER-1和MARKER-24。完成上述步骤后，单击OK按钮，显示测量结果如图5所示。
　　由图5所知，随着仿真时间的增加，曲柄转角呈现逐渐增长的趋势，说明二者成正相关的关系。当时间达到最大值0.1 s时，曲柄的转角达到最大值，为189.5度。
　　3.2.2  测量弹簧力
　　为了研究该压紧机构的运动规律，本案例采用弹簧力来模拟滑块与物体间的作用力，弹簧力可以由弹簧的变形来体现，直观可见。测量弹簧力一共分三步。第一步鼠标右击弹簧，在弹出的快捷菜单中选择Spring：SPRING-1-Measure命令。第二步在弹出的Assembly Measure对话框中，将Measure Name 命名为SPRING-1-MEA-FORCE。第三步是在Characteristic的列表中选择force。完成上述步骤后，单击OK按钮。显示测量结果如图6所示，进一步可以获得弹簧力相对于曲柄转角的测量曲线，如图7所示。 　　由图6的曲线图所知，随着时间的增加，弹簧力的大小逐渐增大，当达到最大值后，弹簧力的方向改变，大小逐渐减小。可以说，如果时间足够长，该机构一直做周期运动，符合实际的运动情况。
　　分析图7的曲线图可知，当曲柄的转角逐渐增大时，弹簧力的大小呈现先增大后减小的趋势。当曲柄夹角在0度逐渐增大到大约95度时，弹簧力的大小逐渐从0达到最大值，此时压力机的工作情况
　　为逐渐压紧工件;当曲柄夹角在大概90度逐渐增大的时候，弹簧力的大小逐渐从最大值逐渐减小为0，此时压力机的工作情况为逐渐放松工件，因此该曲线符合实际运动情况。
　　4  结果讨论
　　为了解决该设计问题，在ADAMS中建立了该虚拟样机的模型，并对该模型进行了动力学仿真分析，分析出了压力机在压紧过程中工件所受压力的变化情况，其仿真結果符合实际情况。当然，以后可以借助ADAMS的其他强大的功能对曲柄连杆机构的其他方面做进一步的研究。总而言之，利用ADAMS来进行运动学仿真，首先是提高了工作效率，促进了虚拟样机技术的发展，在实践中具有广泛的意义。
　　参考文献
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