基于ADAMS的精壓機工作機構的運動分析

摘要：文章所述研究結合精壓機的工作特征，對如何借助ADAMS軟件工具進行精壓機工作機構的建模與運動學仿真進行了分析和討論。隨后，將仿真結果與理論進行對比，以此證實仿真的準確性和有效性。實踐結果表明，該方法有利于設計周期和設計經費的壓縮，具有廣闊的發展前景和較高的工程實用價值。

關鍵詞：ADAMS；精壓機；工作機構；運動分析

中圖分類號：TG305 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0054-03

1 概述

作為少、無切削工藝的一類，精壓工藝包括體積、平面精壓兩種類型。平面精壓能夠使沖壓件、鍛件的表面精度得到提升，并使其高度尺寸更為精確；體積精壓則可以使沖壓件、鍛件獲得較高的表面精度和更為精確的重量。精度高、工件變形量小是精壓工藝的兩大特點，所以在進行精壓機的設計工作時，應注意確保剛度的合理性，并讓工作速度趨于平緩，同時使工件加壓時間得到相應的延長，所配備的裝模高度調整設備也要更為可靠。其原因在于，更小的滑塊行程不僅同樣可以滿足精壓機精壓工件的需求，而且還能夠大幅減少能耗，有利于生產成本的進一步下降。為了使設計成果在尺寸與形式方面都更為合理，實驗研究是必不可少的內容，而對于仿真分析模型的實驗分析，則可以為不同工況的分析以及改型設計提供更多的依據，并且有效減少物理實驗所需費用和復雜計算的工作量。所以，對于后續物理模型的設計工作而言，實現一種基于仿真的數字模型，無論是對于工作效率的提升還是經費的節約，都將發揮出積極的推動作用。正是基于仿真分析模型的這些優點，我們借助ADAMS軟件進行關于精壓機工作結構運動的仿真分析，以期為今后相關研究及實踐活動的開展提供一定的參考和借鑒。

2 精壓機工作結構運動的仿真模型構建

2.1 精壓機工作機構的選擇

為了最大程度降低精壓工藝的工作行程以及精壓機工作機構對于彈性變形的要求，我們選擇了曲柄肘桿，其特點是滑塊的形成較小，由兩肘桿承受絕大部分的工作變形力，連桿的受力因此得到顯著的下降，同時，肘桿的長度也可以得到有效控制。

曲柄肘桿機構按照運動、受力情況的差異，可以分為單次行程通過一次、兩次下死點以及連桿在工作狀態下承受壓力、拉力這四種基本類型。其中，單次行程通過兩次下死點的類型可以讓工件受壓時間更長，使其更容易成型。不過，壓力機的工作效率在下死點附近時相對較低，也就是說，保壓時間的延長會在一定程度上導致壓力機效率降低的問題。從連桿受力改善的角度來看，連桿承受壓力的形式無疑是有益的，但是在這種結構下，連桿的長度相對較短，連桿系數約為1/3，所以無論是工作滑塊的速度變化還是曲軸的扭矩都必然得到相當程度的提升。因此，選擇連桿在工作狀態下承受壓力、單次形成通過兩次下死點的類型能夠獲得更好的效果，詳見圖1：

2.2 建立模型

ADAMS虛擬樣機分析軟件集可視化、求解、建模技術于一體，是當前世界范圍內使用最為廣泛也是最著名的機械系統仿真分析軟件，它通過力庫、約束庫、零件庫以及交互式圖形環境等讓機械系統轉變為全部參數化的模型，而多剛體系統動力學理論中拉格朗日方程的運用則讓求解器對于系統動力學方程的構建成為了可能，通過運動學、動力學、靜力學等方面的分析，最終完成對所虛擬機械系統的位移、加速度、速度、反作用力曲線等測試結果的輸出。無論是機械系統的峰值載荷、性能與運動范圍的預測，還是碰撞檢測工作，我們都可以借助ADASM軟件的仿真能力對結果加以預測。

軟件的基本模塊主要包括用戶界面（ADAMS/View）、處理器（ADAMS/Solver）以及后處理三個部分，其中，用戶界面模塊的作用是通過所提供的對話環境方便用戶進行各種操作。同時，該模塊也具備在正式分析前對相關數據進行預處理、設置虛擬樣機的分析參數，提供與其他應用程序的接口等功能。

通過ADAMS軟件，我們可以直接實現對簡單幾何模型的建模，如果模型相對復雜，則可通過其他的三維建模軟件先進行預處理，再將其導入ADAMS以施加各類作用和約束力。結合本次研究所涉及模型的實際情況，我們直接通過ADAMS軟件建模，詳見圖2：

3 針對精壓機工作機構的運動分析

結合圖1，我們將曲柄OA設為R，將連桿AB設為L，肘桿BC=BD設為l。圖中實線所示為曲柄轉角為α時的位置。若BC、BD處在同一條直線上，那么滑塊到達下死點D0。而當曲柄轉為α角時，滑塊則到達D點，此時的位移S=D0D。由圖我們可以得出。

在公式中，α的值未知，當我們賦予其不同值時，就會得出與該值相對應的S的值，隨后，再借助包括求導在內的一系列計算，就可以得出滑塊的速度和加速度。若結果表明滑塊的這些參數未能達到設計要求，工作人員就需要對相關條件進行重新調整，并再次計算滑塊在調整后的運動特性。

ADAMS軟件可以免去因反復調整設計參數而帶來的大量計算任務，設計人員只需要對仿真模型的特定參數進行修正，計算機就會通過軟件的運動仿真功能，完成對不同工況和條件下精壓機工作機構運動特征的計算和反饋，使設計人員能夠更加快速和方便地對自己的設計成果進行檢驗，更好地實現確保設計成果科學性和合理性的工作目標。

在本次研究中，我們對相關參數進行了如下選擇：R=170mm，α=1130mm，L=1297mm，l=600mm。在輸入數據后，軟件就會自動進行針對精壓機工作機構運動的仿真分析，并最終將系統不同構件的位置、速度、加速度與時間函數的關系反映出來。由于構件的受力變形是分析工作可以忽略的內容，因此建模與幾何參數選擇的準確性就成為了決定仿真精度的重要指標。圖3、圖4、圖5分別為精壓機滑塊運動的位移、速度與加速度曲線。

4 結語

在采用常規方法開展的精壓機設計工作中，設計人員不得不通過手工的方式對設計參數進行反復的修改以便最終獲得令人滿意的設計成果，這種做法不僅會導致重復工作的大量進行，而且也不利于設計結果精確性的有效保障。在本次研究中，我們對于精壓機工作機構的設計借助了ADAMS軟件的建模與仿真分析等功能，并通過理論分析與仿真結果之間的對比來驗證仿真分析的準確性。結果表明，與制造物理樣機的方式相比，通過ADAMS軟件的建模與仿真分析功能，可以使精壓機工作機構設計成果的性能檢測更加簡捷，分析結果也更為準確，這樣一來，設計人員就得以借助仿真實驗的結果在更短的時間內完成對產品設計進行針對性的修正，從而大幅縮短了產品設計周期，減少了設計開發的經費要求，也從側面向我們展現了該方法廣闊的發展前景以及巨大的工程實用價值。

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作者簡介：廖前行（1967—），廣西賓陽人，廣西職業技術學院機械系高級技師，工程師，研究方向：機械設計制造及自動化。