馮立艷,周新磊（華北理工大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院,河北　唐山　063009）

?

基于ADAMS弧面凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真

馮立艷,周新磊
（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北唐山063009）

摘 要：弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)是具有性能優(yōu)良的分度機(jī)構(gòu)之一，具有速度快、剛度大、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文在已經(jīng)建立出弧面凸輪機(jī)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上，利用ADAMS軟件建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，并對其進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證模型的正確性。然后對機(jī)構(gòu)進(jìn)行不同機(jī)構(gòu)參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)仿真，得到改變參數(shù)情況下接觸力的變化曲線圖。通過對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，為今后的動(dòng)力學(xué)建模和數(shù)控加工提供了幫助。

關(guān)鍵詞：ADAMS；弧面凸輪機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；仿真

0　引言

弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)因具有結(jié)構(gòu)簡單，高精度，分度性能良好等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于間歇分度機(jī)械中，所以其運(yùn)動(dòng)學(xué)性能自然的成為了研究的重點(diǎn)。為了得到精確的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，必須考慮構(gòu)件的柔性條件這一因素,仿真結(jié)果大部分是以輸出分度盤輸出響應(yīng)即加速度響應(yīng)，或分度盤與凸輪之間的接觸力響應(yīng)為主。因此如何建立合適的分析模型一直是實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)仿真的核心問題和難點(diǎn)。本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用ADAMS建立其剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)模型，并改變其凸輪轉(zhuǎn)速、分度盤軸向載荷等運(yùn)動(dòng)參數(shù)來進(jìn)一步分析其運(yùn)動(dòng)性能。剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)模型的建立，及改變不同參數(shù)對接觸力的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對該機(jī)構(gòu)后續(xù)的動(dòng)力學(xué)建模、模態(tài)分析，還有數(shù)控加工等研究都提供了一定的參考。

1　弧面凸輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

本文利用CREO2.0建立的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的三維模型，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，聯(lián)合ADAMS軟件對該機(jī)構(gòu)建立剛?cè)狁詈系倪\(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

1.1模型的導(dǎo)入

Creo2.0軟件和ADAMS軟件能夠通過MECHANISM/PRO接口完成無損連接，非常便捷。將Creo2.0軟件建立的模型導(dǎo)入到ADAMS中的方法是：在Creo2.0中，選取“文件”下“保存副本”，并保存為“.X_T”格式，然后就可以導(dǎo)入到ADAMS軟件中[1]。

1.2剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

將模型進(jìn)過MECHANISM/PRO導(dǎo)入ADAMS后，此時(shí)的模型只是具有每個(gè)零件之間的相對位置、幾何特征等。因此需要在Adams/ View環(huán)境中對模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[2]。弧面分度凸輪模型的設(shè)定包含：環(huán)境設(shè)定、質(zhì)量屬性設(shè)定、約束設(shè)定、接觸力設(shè)定、驅(qū)動(dòng)設(shè)定等。

（1）環(huán)境設(shè)定：對模型所處的環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。對于該機(jī)構(gòu)，在ADAMS/View中只有重力場，無需設(shè)定磁場。對于重力場的設(shè)定，選取系統(tǒng)默認(rèn)的重力方向，即大地坐標(biāo)系Y軸的負(fù)方向，大小為-9806.65；（2）質(zhì)量屬性設(shè)定：弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)可以分為兩個(gè)部分，主動(dòng)件凸輪以及從動(dòng)件轉(zhuǎn)盤和載荷盤。凸輪選用20CrMnTi鋼，轉(zhuǎn)盤和載荷盤的材料選為45鋼，由于材料的差距較大，因此需要分別對兩個(gè)部分進(jìn)行質(zhì)量屬性設(shè)定；（3）約束設(shè)定：機(jī)構(gòu)模型在導(dǎo)入后，不是一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)，需要添加約束將所有零件組成為一個(gè)機(jī)構(gòu)。根據(jù)三維模型進(jìn)行約束設(shè)定，凸輪凸脊與基本體之間應(yīng)該添加固定約束；分度盤和大地、基本體與大地之間分別添加旋轉(zhuǎn)約束; （4）接觸力的設(shè)定：在弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪凸脊與轉(zhuǎn)盤滾子之間存在接觸力，這樣才能完成分度盤的旋轉(zhuǎn)，因此在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭欣響?yīng)設(shè)定接觸力來反應(yīng)真實(shí)情況; （5）驅(qū)動(dòng)設(shè)定：為使機(jī)構(gòu)在仿真時(shí)可以運(yùn)動(dòng)，需要在凸輪和大地之間添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。在之前創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副上，設(shè)定凸輪為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為，這樣就完成了凸輪與大地之間的驅(qū)動(dòng)設(shè)定。

通過以上的設(shè)定后，就完成了弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型的建立，該模型代表了該機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)模型，結(jié)果如圖1所示。

1.3剛?cè)狁詈夏Ｐ偷尿?yàn)證

在運(yùn)動(dòng)仿真之前，需要對系統(tǒng)的構(gòu)成、自由度、未定義質(zhì)量的構(gòu)件和過約束情況進(jìn)行查詢，即便是在建立模型的過程中，也進(jìn)行查詢，以保證模型的準(zhǔn)確性。左鍵依次單擊Tools→Model Verify，系統(tǒng)彈出系統(tǒng)信息窗口，如圖2所示，從中看到有關(guān)模型的詳細(xì)信息。

2　剛?cè)狁詈夏Ｐ蛣?dòng)態(tài)仿真

僅僅通過模型內(nèi)的驗(yàn)證還不足以說明模型的正確性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該虛擬樣機(jī)模型的正確性，本文對修正正弦加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的弧面度凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對仿真結(jié)果與理論曲線進(jìn)行比驗(yàn)證得出結(jié)論[3]。

2.1模型求解器的設(shè)置

單擊菜單欄中Settings，依次選擇Solver、Display，在彈出的對話框的Show Messages欄中選取NO，在Update Graphics下拉菜單中選擇Never。再次單擊菜單欄中的Settings，依次單擊Solver、Contacts，系統(tǒng)彈出定義接觸按鈕，在Geometry Library下拉列表中選擇Parasolids，單擊Close按鈕完成設(shè)置。第三次單擊菜單欄中的Settings，選擇Solver，再選擇Display，系統(tǒng)彈出定義動(dòng)力學(xué)選項(xiàng),。由于弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真的研究對象是其加速度以及凸輪與滾子間的接觸力，因此選擇計(jì)算精度高和穩(wěn)定性好的求解器，在Integrator下拉列表中選擇WSTIFF，在Formulation下拉列表中選擇SI2。

2.2模型的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)上述設(shè)定，在ADAMS/View模塊中進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其中End time為0.2，Steps為1000。仿真設(shè)定完成后，進(jìn)入ADAMS軟件的post processor后處理模塊查看仿真結(jié)果，結(jié)果如圖3所示。

本文以載荷盤為研究對象，仿真計(jì)算得到其位移、速度、加速度曲線。由于建立的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)模型所選用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為修正正弦加速度，其與ADAMS軟件模擬仿真得到的曲線一致，所以本文中建立的凸輪模型是正確的，模型的準(zhǔn)確性得到了保證，模型的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析完成。

3　剛?cè)狁詈夏Ｐ筒煌瑓?shù)下的動(dòng)態(tài)仿真

本文以凸輪與滾子之間的接觸力為分析目標(biāo)，研究各參數(shù)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的影響。影響弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能的因素有很多，比如：間隙，輸入轉(zhuǎn)速，軸向載荷，徑向載荷，阻尼系數(shù)，凸輪軸直徑，負(fù)載盤寬度等[4]。由于篇幅所限本文只研究輸入轉(zhuǎn)速和軸向載荷。

3.1輸入轉(zhuǎn)速對機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響

弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)可以在多種轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此研究不同轉(zhuǎn)速對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能影響具有重要意義。本文對修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，中心距，負(fù)載盤厚度20，不考慮負(fù)載工況下，轉(zhuǎn)速分別300、600、800、1000的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。

輸入轉(zhuǎn)速對弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能有明顯的影響。在停歇期的各項(xiàng)指標(biāo)變化不太明顯，但是分度期的影響十分明顯。通過不同轉(zhuǎn)速下接觸力的最大值可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，接觸力呈逐漸增大的趨勢。

3.2軸向載荷對機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響

為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)要求，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的輸出端會(huì)附加各種載荷，其中軸向負(fù)載是常見形式。本文為了簡化仿真過程，假設(shè)機(jī)構(gòu)受到單一軸向負(fù)載作用，研究軸向負(fù)載對弧面分度凸輪運(yùn)動(dòng)性能的影響。本文對修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，負(fù)載盤厚度20mm，轉(zhuǎn)速為300r/min工況下，軸向載荷分別為500N、1000N、5000N、8000N弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5所示。

不同軸向載荷對接觸力影響不大，因此軸向載荷對弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能影響不明顯，說明該機(jī)構(gòu)軸向承載能力較強(qiáng)，能在不同軸向載荷下保持高精度平穩(wěn)運(yùn)行，這一特性使弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)有持久的工作壽命。

4　結(jié)束語

本文以弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)并聯(lián)合ADAMS軟件，建立了弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)模型并對其運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析。通過模型建立的系統(tǒng)信息和正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析曲線與理論曲線一致這兩點(diǎn)說明剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的正確性。最后還研究了不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的影響，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬志平.弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)研究[D].西安:陜西科技大學(xué),2014.

[2]徐鋒,徐年富,賀煒.弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的仿真研究[J].輕工機(jī)械,2010,28(04):54-56.

[3]王莉,周林航,劉紅.基于虛擬技術(shù)的弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)研究[J].中國制造業(yè)信息化,2007,36(13):24-27.

[4]于春玲.含間隙弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械傳動(dòng),2011,35(06):41-44.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.208