基于ADAMS的模切機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

摘 要：文章采用ADAMS軟件建立其仿真模型，對模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析其形式及運(yùn)動特點(diǎn)。并研究、分析了雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)特性，從而能夠得到其對模切機(jī)構(gòu)工作性能造成的影響，結(jié)果表明在應(yīng)用ADAMS軟件對模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動問題進(jìn)行求解的過程中，具有精度高、速度快以及便于根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行修改模型等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：模切機(jī)；雙肘桿機(jī)構(gòu)；ADAMS；運(yùn)動分析

引言

模切機(jī)是印刷、包裝行業(yè)壓制商標(biāo)、紙盒和紙箱等紙制品的專用設(shè)備，是印刷包裝行業(yè)中重要的印后加工設(shè)備。雙肘桿機(jī)構(gòu)是模切、壓痕部分的核心部件，其性能的好壞直接影響印刷品的模切速度和模切精度。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析所能達(dá)到的條件就是要滿足已知原動件運(yùn)動規(guī)律的情況，從而能夠得到機(jī)構(gòu)中另外構(gòu)件上特殊點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、位移、速度及加速度和構(gòu)件的角位移、角速度及角加速度[1]。而其分析方法總的來說，可以分為圖解法和解析法兩種。圖解法能夠直觀、方便地進(jìn)行分析，其缺點(diǎn)就是低精度，畫圖次數(shù)要求多；解析法則更是具有人工運(yùn)算量較大，且非常容易發(fā)生錯(cuò)誤。眾所周知，ADAMS軟件是一種典型的虛擬樣機(jī)應(yīng)用軟件，它是集建模、求解、后處理于一體的機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System：ADAMS）[2-3]，能夠很容易對構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析討論。與傳統(tǒng)的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析方法相比來說，ADAMS軟件在分析平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)方面具有非常高的精度以及快速等的特點(diǎn)。本文采用ADAMS軟件對模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，能夠得到肘桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律，并著重分析了機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性對模切機(jī)性能的影響，從而為模切機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案提供重要的依據(jù)。

1 模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)

如圖1所示為模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)就是一種轉(zhuǎn)動副與移動副并存的復(fù)雜十桿機(jī)構(gòu)[4]，它分別是由2個(gè)二級桿組OECA和OFDB以及1個(gè)三級桿組CGMHD結(jié)構(gòu)組成的，在圖1中，CE和FD為連桿，EOF為曲柄，AC和BD為下肘桿，CG和DH為上肘桿，G和H鉸鏈點(diǎn)上方為活動平臺，M為鉸鏈點(diǎn)處為導(dǎo)向滑塊。其動力源是通過蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的作用下來帶動曲柄EOF并做勻速圓周運(yùn)動所產(chǎn)生的，帶動連桿CE和FD擺動，從而帶動肘桿AC，CG，BD和DH擺動，使鉸接在G和H點(diǎn)上方的活動平臺在導(dǎo)向滑塊的約束下做“左右搖擺，上下起伏”[5]的循環(huán)運(yùn)動，當(dāng)活動平臺運(yùn)動至上死點(diǎn)時(shí)，會和固定平臺之間形成一定的壓力，從而可以使得平臺之間的紙張被模壓成型。

2 基于ADAMS的雙肘桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

2.1 建立雙肘桿機(jī)構(gòu)模型

當(dāng)設(shè)定初始條件Φ = 0時(shí)，采用ADAMS建立雙肘桿機(jī)構(gòu)模型，將圖1中的A點(diǎn)處在ADAMS系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，通過在三維軟件SolidWorks中進(jìn)行草繪，可以確定C，D，E，F(xiàn)，G，H和M點(diǎn)的位置，然后在ADAMS中通過創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)（point），在point table中精確定位各點(diǎn)。再通過創(chuàng)建連桿（link），連接AC，BD，CE，EF，F(xiàn)D，CG和DH。在M點(diǎn)處創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)向滑塊（box），并通過在G和H上方建立2個(gè)塊，利用布爾減運(yùn)算法，生成機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平臺。同時(shí)在A，B，O，M點(diǎn)處需要增添滑塊或連桿與機(jī)架之間的一個(gè)旋轉(zhuǎn)副（revolute）約束；需要在C，E，F(xiàn)，D，G和H等連接的關(guān)鍵點(diǎn)處也增添一個(gè)各個(gè)連桿或連桿與活動平臺之間的旋轉(zhuǎn)副（revolute）約束；而且還要在導(dǎo)向滑塊與運(yùn)動平臺之間增添一個(gè)平移副（translational）約束。如圖2所示就是在ADAMS軟件中建立的雙肘桿機(jī)構(gòu)模型圖。

2.2 對雙肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析

首先在圖1中的O點(diǎn)與機(jī)架之間的旋轉(zhuǎn)副約束上增添一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（rotational joint motion），并設(shè)定其旋轉(zhuǎn)速度為20rad/s，然后設(shè)定此旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的屬性為實(shí)驗(yàn)屬性，同時(shí)在功能函數(shù)前面加上“-”， 并使曲柄EOF進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。最后再點(diǎn)擊仿真分析命令（simulation），設(shè)定動畫仿真時(shí)間以及步數(shù)，就能夠達(dá)到進(jìn)行動畫仿真的效果。

2.3 仿真結(jié)果及分析

在進(jìn)行仿真分析結(jié)束后，此時(shí)便進(jìn)入了后處理（postprocessor）模塊，從中能夠測試出各個(gè)機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果曲線，本文以圖1中的肘桿CG與肘桿DH的運(yùn)動軌跡為例，通過在ADAMS中對運(yùn)動圖形進(jìn)行后處理作用，能夠得到桿CG及桿DH的角位移（此處的角位移是指桿與X軸正方向的夾角），如圖3所示為CG及桿DH的角位移分析曲線，如圖4所示為CG及桿DH的角速度分析曲線，如圖5所示為桿CG與桿DH的角加速度曲線。因此，在后處理模塊中，調(diào)用plot tracking按鈕，同時(shí)在精確測量出Φ為任意角度的情況下，還能夠測量出其相對應(yīng)的角位移，角速度，角加速度。

由圖3，圖4和圖5我們可以看出上肘桿CG與DH的角位移、角速度、角加速度隨著Φ的變化規(guī)律，同時(shí)可以得出，桿CG的角位移、角速度、角加速度與桿DH的角位移、角速度、角加速度變化規(guī)律是對稱的[6]。兩上肘桿在運(yùn)動過程中有超過40rad/s2的角加速度，且最大加速度出現(xiàn)在模切平臺到達(dá)最高位置進(jìn)行模切動作時(shí)，產(chǎn)生較大沖擊載荷和附加慣性力對模切動作產(chǎn)生不利效果，增大機(jī)構(gòu)的受力，降低模切精度；使機(jī)器產(chǎn)生振動，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度，模切機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的平穩(wěn)性較差、可靠性不高。

3 結(jié)束語

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)是分析評價(jià)機(jī)構(gòu)工作性能，優(yōu)化、改進(jìn)新機(jī)構(gòu)的基本依據(jù)。本文通過運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，得出雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動特性，在此基礎(chǔ)上，尋找一種新的機(jī)構(gòu)，滿足模切精度的前提下，改善模切機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度和模切工藝，提高機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在利用ADAMS軟件對平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析的過程中，能夠避免人為復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而能夠提高其求解速度，并能保證其求解精度，另外，也可以通過利用反復(fù)地修改模型方法來達(dá)到滿意的運(yùn)動學(xué)要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張平格（1964-），女，河北邢臺人，碩士，河北工程大學(xué)教授，主要從事機(jī)械工程方面的教學(xué)與科研。