基于ADAMS弧面凸輪機構運動學分析和仿真

馮立艷,周新磊（華北理工大學　機械工程學院,河北　唐山　063009）

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基于ADAMS弧面凸輪機構運動學分析和仿真

馮立艷,周新磊
（華北理工大學機械工程學院,河北唐山063009）

摘 要：弧面分度凸輪機構是具有性能優良的分度機構之一，具有速度快、剛度大、承載能力強等優點。本文在已經建立出弧面凸輪機構三維模型的基礎上，利用ADAMS軟件建立剛柔耦合動力學模型，并對其進行正運動學分析，驗證模型的正確性。然后對機構進行不同機構參數下的運動仿真，得到改變參數情況下接觸力的變化曲線圖。通過對機構的運動仿真，為今后的動力學建模和數控加工提供了幫助。

關鍵詞：ADAMS；弧面凸輪機構；運動學；仿真

0　引言

弧面分度凸輪機構因具有結構簡單，高精度，分度性能良好等優勢，被廣泛地應用于間歇分度機械中，所以其運動學性能自然的成為了研究的重點。為了得到精確的弧面分度凸輪機構運動仿真結果，必須考慮構件的柔性條件這一因素,仿真結果大部分是以輸出分度盤輸出響應即加速度響應，或分度盤與凸輪之間的接觸力響應為主。因此如何建立合適的分析模型一直是實現該機構剛柔耦合運動仿真的核心問題和難點。本文基于虛擬樣機技術，利用ADAMS建立其剛柔耦合運動模型，并改變其凸輪轉速、分度盤軸向載荷等運動參數來進一步分析其運動性能。剛柔耦合運動模型的建立，及改變不同參數對接觸力的運動學分析，對該機構后續的動力學建模、模態分析，還有數控加工等研究都提供了一定的參考。

1　弧面凸輪機構剛柔耦合模型的建立

本文利用CREO2.0建立的弧面分度凸輪機構的三維模型，采用虛擬樣機技術，聯合ADAMS軟件對該機構建立剛柔耦合的運動學模型。

1.1模型的導入

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，然后就可以導入到ADAMS軟件中[1]。

1.2剛柔耦合模型的建立

將模型進過MECHANISM/PRO導入ADAMS后，此時的模型只是具有每個零件之間的相對位置、幾何特征等。因此需要在Adams/ View環境中對模型進行參數設定[2]。弧面分度凸輪模型的設定包含：環境設定、質量屬性設定、約束設定、接觸力設定、驅動設定等。

（1）環境設定：對模型所處的環境進行設定。對于該機構，在ADAMS/View中只有重力場，無需設定磁場。對于重力場的設定，選取系統默認的重力方向，即大地坐標系Y軸的負方向，大小為-9806.65；（2）質量屬性設定：弧面分度凸輪機構可以分為兩個部分，主動件凸輪以及從動件轉盤和載荷盤。凸輪選用20CrMnTi鋼，轉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部分進行質量屬性設定；（3）約束設定：機構模型在導入后，不是一個完整的機構，需要添加約束將所有零件組成為一個機構。根據三維模型進行約束設定，凸輪凸脊與基本體之間應該添加固定約束；分度盤和大地、基本體與大地之間分別添加旋轉約束; （4）接觸力的設定：在弧面分度凸輪機構運動時，凸輪凸脊與轉盤滾子之間存在接觸力，這樣才能完成分度盤的旋轉，因此在剛柔耦合模型中理應設定接觸力來反應真實情況; （5）驅動設定：為使機構在仿真時可以運動，需要在凸輪和大地之間添加旋轉驅動。在之前創建的旋轉副上，設定凸輪為順時針旋轉，轉速為，這樣就完成了凸輪與大地之間的驅動設定。

通過以上的設定后，就完成了弧面分度凸輪機構在ADAMS中的虛擬樣機模型的建立，該模型代表了該機構的剛柔耦合運動學模型，結果如圖1所示。

1.3剛柔耦合模型的驗證

在運動仿真之前，需要對系統的構成、自由度、未定義質量的構件和過約束情況進行查詢，即便是在建立模型的過程中，也進行查詢，以保證模型的準確性。左鍵依次單擊Tools→Model Verify，系統彈出系統信息窗口，如圖2所示，從中看到有關模型的詳細信息。

2　剛柔耦合模型動態仿真

僅僅通過模型內的驗證還不足以說明模型的正確性，為了進一步驗證該虛擬樣機模型的正確性，本文對修正正弦加速度的運動規律的弧面度凸輪機構進行正運動學分析，對仿真結果與理論曲線進行比驗證得出結論[3]。

2.1模型求解器的設置

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按鈕完成設置。第三次單擊菜單欄中的Settings，選擇Solver，再選擇Display，系統彈出定義動力學選項,。由于弧面分度凸輪機構動態仿真的研究對象是其加速度以及凸輪與滾子間的接觸力，因此選擇計算精度高和穩定性好的求解器，在Integrator下拉列表中選擇WSTIFF，在Formulation下拉列表中選擇SI2。

2.2模型的正運動學分析

根據上述設定，在ADAMS/View模塊中進行正運動學分析，其中End time為0.2，Steps為1000。仿真設定完成后，進入ADAMS軟件的post processor后處理模塊查看仿真結果，結果如圖3所示。

本文以載荷盤為研究對象，仿真計算得到其位移、速度、加速度曲線。由于建立的弧面分度凸輪機構模型所選用的運動規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，模型的準確性得到了保證，模型的正運動學分析完成。

3　剛柔耦合模型不同參數下的動態仿真

本文以凸輪與滾子之間的接觸力為分析目標，研究各參數對機構運動學性能的影響。影響弧面分度凸輪機構的運動性能的因素有很多，比如：間隙，輸入轉速，軸向載荷，徑向載荷，阻尼系數，凸輪軸直徑，負載盤寬度等[4]。由于篇幅所限本文只研究輸入轉速和軸向載荷。

3.1輸入轉速對機構動態性能的影響

弧面分度凸輪機構可以在多種轉速下運行，因此研究不同轉速對機構的運動性能影響具有重要意義。本文對修正正弦運動規律，中心距，負載盤厚度20，不考慮負載工況下，轉速分別300、600、800、1000的弧面分度凸輪機構的運動性能進行研究，結果如圖4所示。

輸入轉速對弧面分度凸輪機構的運動性能有明顯的影響。在停歇期的各項指標變化不太明顯，但是分度期的影響十分明顯。通過不同轉速下接觸力的最大值可知，隨著轉速的增加，接觸力呈逐漸增大的趨勢。

3.2軸向載荷對機構動態性能的影響

為了實現各種生產要求，弧面分度凸輪機構的輸出端會附加各種載荷，其中軸向負載是常見形式。本文為了簡化仿真過程，假設機構受到單一軸向負載作用，研究軸向負載對弧面分度凸輪運動性能的影響。本文對修正正弦運動規律，負載盤厚度20mm，轉速為300r/min工況下，軸向載荷分別為500N、1000N、5000N、8000N弧面分度凸輪機構的運動性能進行研究，結果如圖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構的運動性能影響不明顯，說明該機構軸向承載能力較強，能在不同軸向載荷下保持高精度平穩運行，這一特性使弧面分度凸輪機構有持久的工作壽命。

4　結束語

本文以弧面分度凸輪機構為研究對象，運用虛擬樣機技術并聯合ADAMS軟件，建立了弧面分度凸輪機構的剛柔耦合運動學模型并對其運動情況進行了仿真分析。通過模型建立的系統信息和正運動學分析曲線與理論曲線一致這兩點說明剛柔耦合運動學模型建立的正確性。最后還研究了不同運動參數對機構運動性能的影響，為后續的研究奠定了基礎。

參考文獻：

[1]馬志平.弧面分度凸輪機構剛柔耦合動力學研究[D].西安:陜西科技大學,2014.

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

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

[4]于春玲.含間隙弧面分度凸輪機構的ADAMS動力學仿真[J].機械傳動,2011,35(06):41-44.

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