基于SOLIDWORKS與ADAMS的推送料機械系統仿真分析

陸武慧

摘 要：推送料機構作為自動化生產線上重要的構成部分，文中將推送料機構簡化為兩個曲柄滑塊機構構成的機械系統，共同完成自動線對物料的推送過程。針對自動化生產線上推送料關鍵運動機構，在SOLIDWORKS軟件中，建立三維模型，導入到ADAMS軟件中通過添加運動副約束，建立出推送料機械系統的虛擬樣機模型，通過仿真分析，得到物料的質心運動情況，為實際物理樣機的生產和進一步優化提供參數依據。

關鍵詞：推送料;機械系統;仿真;ADAMS

中圖分類號：TP24;TP391.9 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0136-04

Simulation Analysis of Feeding Mechanical System Based on SOLIDWORKS and ADAMS

Lu Wuhui

（School of General Aviation， Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710089， China）

Abstract：As an important constituent of the automatic production line， the push material mechanism is simplified to a mechanical system composed of two crank slider mechanisms to jointly complete the push process of the automatic line to materials in this paper. For the key movement mechanism of the push material on the automatic production line， a 3D model is established in the SOLIDWORKS software and imported into the ADAMS software to establish a virtual prototype model of the motion auxiliary constraint by adding the push material mechanical system. Through simulation analysis， the center of mass motion provides parameter basis for production and further optimization of actual physical prototype.

Key words：push material; mechanical system; simulation; ADAMS

隨著經濟的發展和科技的不斷進步，自動化產品設計越來越得到客戶青睞，成為現代生產的主要手段。隨著自動化生產線被廣泛地應用在國民經濟的各個領域，從航空航天、交通運輸、機械電子、醫療器械再到生活中的汽車、家電行業、包裝行業，產品物料的傳送由原來的人工放置過渡到采用機器人或者機械手所代替，目前有對電池蓋板自動上料機構進行設計[1]。基于伺服系統的開卷自動線送料系統的方案設計及送料系統的構成研究[2]，對易撕蓋蓋圈送料機構進行建模和運動仿真的研究[3]，在不同角度進行了自動線上料機構的研究。自動化生產線的使用不僅可以改善工人的作業環境，還可以減少生產中的失誤率和危險性，提高了生產效率、產品質量和材料的利用率等。推送料機構是自動化生產線上重要的一個環節，自動化生產線是根據工藝順序自動完成全部或部分制造過程的生產系統，傳統的推送料過程，往往采用人工送料模式，將板料依次放置在上料平臺上，這種手動上料的方式導致生產效率低、產品數據統計錯亂等問題，也不能滿足迅猛的發展需求和客戶的生產效率。采用推送料機構不僅提高了生產效率，還避免人工參與生產所產生的統計失誤、危險、誤操作等。

1 推送料機械系統運動學分析

如圖1所示的為自動線上推送料機構簡化為由兩個曲柄滑塊機構組成的一個簡單機械系統。當推料機構在力矩的作用下，帶動推料曲柄轉動，帶動連桿，利用推料滑塊將物料向右推到指定位置處，之后，送料曲柄在給定力矩的作用下，帶動送料曲柄轉動，帶動連桿，利用送料滑塊將物料向下送到既定位置，方便進行物料的加工和操作。

在具體的工作過程中，推料機構先工作，由推料滑塊推動物料同步運動，使得物料到達指定位置，緊接著送料滑塊開始向下運動，當送料滑塊接觸到物料時，送料滑塊推動物料一起向下運動，同時保持推料滑塊和限位塊對物料的夾持作用。

1.1 推料機構運動學分析

推料機構是自動化生產線上重要的機構之一，是進行物料運輸的重要環節。推料機構是由推料曲柄、推料欄桿和推料滑塊組成，可以簡化為曲柄滑塊機構，設推料曲柄轉動角度為β，推料滑塊運動的距離為x1，得到下面的公式：

變形得到如下式：

化簡后，得到下式：

對上式進行求導，得到關于速度的方程如下：

推料滑塊與導軌之間存在摩擦力，因此在設計滑槽過程中，考慮減少摩擦力的作用，可以將導軌的滑槽設計為燕尾式，減少阻力。

1.2 送料機構運動學分析

送料機構是由送料曲柄、送料欄桿和送料滑塊組成，可以簡化為曲柄滑塊機構，設送料曲柄轉動角度為，送料滑塊運動的距離為x2，得到下面的公式：

變形得到如下式：

化簡后，得到下式：

對上式進行求導，得到關于速度的方程如下：

2 仿真模型建立

2.1 推送料機械系統三維建模

產品三維建模是進行運動學和動力學仿真模擬的前提和基礎，三維模型的建立也為導入到仿真軟件提供了依據。根據推送料機械系統的關鍵機構，其簡化模型包括推料曲柄、推料連桿、推料滑塊、送料曲柄、送料連桿、送料滑塊、物料、限位塊等尺寸信息。在SOLIDWORKS軟件中對推送料機械系統的關鍵機構進行三維建模。

當前，虛擬樣機技術廣泛應用于機械制造、設計研發等多個領域，它充分借助計算機軟件，建立產品和設備的三維實體模型，在三維模型的基礎上，完成運動學和動力學模型的仿真模擬，為產品的設計、研發和制造提供基礎和依據。通過在計算機軟件上建立虛擬樣機，對其動力學模型進行仿真計算、分析和優化，用仿真的方式創新了傳統實際樣機的試驗環節[4-6]。

2.2 推送料機械系統虛擬樣機模型建立

動力學仿真軟件ADAMS，不僅可以作為機械系統進行運動學和動力學仿真分析的工具，而且它具備多種接口，可以作為虛擬樣機的開發工具，適合多種開放性程序類型，為產品和設備樣機的二次開發提供平臺和基礎[7-8]。

通過動力學軟件ADAMS建立推送料機械系統的虛擬樣機模型，為其進一步分析運動軌跡做好鋪墊。在推送料機械系統的三維建模建立基礎之上，導出成ADAMS軟件能夠讀取的parasolid格式，在動力學軟件ADAMS中導入該格式的推送料機械系統三維模型，對三維模型進行約束添加[9-10]。

具體添加以下約束：（1）在推料曲柄和電機之間建立旋轉副，形成鉸鏈;在推料曲柄和推料連桿之間建立旋轉副，形成鉸鏈;在推料連桿與推料滑塊之間建立旋轉副，形成鉸鏈;在送料曲柄和電機之間建立旋轉副，形成鉸鏈;在送料曲柄和送料連桿之間建立旋轉副，形成鉸鏈;在送料連桿與送料滑塊之間建立旋轉副，形成鉸鏈。（2）推料滑塊與導軌之間建立移動副;送料滑塊與導軌之間建立移動副。（3）由于要求物料在被推動向右運動但沒有達到要求位置時，送料機構不能運動，所以需要在送料曲柄和大地之間創建1個固連副，限位塊與地面之間創建1個固連副。（4）在推料滑塊與物料之間創建1個碰撞力，用于當物料被送料機構推動向下運動時，對物料的水平運動進行限制;在送料滑塊與物料之間創建1個碰撞力，用于推動物體向下運動;在物料與限位塊之間創建1個碰撞力，用來限制物料的水平向右運動。

對三維模型進行約束添加之后，從而建立起推送料機械系統的動力學模型，如圖2所示。

3 模型仿真分析

3.1 仿真過程描述

為了實時得到碰撞力，需要創建傳感器，來感知物料質心位置和滑塊與物料之間碰撞力。在創建仿真過程中，動力學仿真描述的語句為：SIMULATE/DYNAMIC， END=2.5，STEPS=1000;在執行仿真過程中，推料機構推動物料向右運動，而送料機構不動，當物料質心到達指定位置時，傳感器感知到狀態，并中斷當前的仿真，送料機構開始運動，同時要解除感知質心的傳感器的作用，從而送料機構才可以開始運動。為此，添加動力學仿真語句：SIMULATE/DYNAMIC， END=2.5，STEPS=1000;在此過程中，雖然感知質心的傳感器不再起作用，但由于推料機構和限位塊的共同作用，物料仍會保持在設定的位置不動。

當送料機構運動到一定位置時，送料滑塊與物料接觸產生碰撞力，當該碰撞力達到或者超過50 N，感知碰撞力的傳感器發揮作用，中斷當前動力學仿真，接下來，物體在送料滑塊的推動下要向下運動，需要解除物料與推料滑塊之間固連副作用，所以還需要添加仿真描述語句，得到完整的仿真描述語句如圖3所示。

選擇Simulate＼Scripted Controls菜單項，在Simulation Control 對話框中右擊Simulation Script Name文本框，在快捷菜單中選擇建模和定義號的文件夾名稱為Simulation_Script＼Guesses＼MODEL_sensor.SIM_SCRIPT_1;單擊Start Simulation工具按鈕，即開始執行仿真過程描述，模型的仿真過程如圖4所示。

3.2 驗證機構合理性

根據推送料機械系統的機構實際運動過程，對推送料的機構進行運動學仿真計算，測得物料在整個仿真過程中質心位置的變化過程，也是物料質心的運動軌跡。以物料的質心為研究點，其位移曲線平穩流暢，如圖5所示，速度曲線光滑平穩，具有周期性，如圖6所示。在推送物料的整個過程中，運行過程平穩無死點，驗證了推送料機構采用兩個曲柄滑塊機構的合理性。

通過分析，我們發現，物料在最初的一段時間內，質心運動軌跡Y方向的數值不變，此階段，是由推料機構推動物料向右移動。因此，Y方向的質心位移不發生變化，直到物料向右運動到指定位置后，送料機構開始運動，在送料滑塊的作用下，將物料向下傳送，這個時候，物料質心Y方向的位移發生變化。對于質心運動軌跡的速度曲線，速度平穩，呈周期性，在推料機構推動物料向右移動的過程中，類似于勻加速運動。送料機構開始運動，在送料滑塊的作用下，速度方向發生改變，直到傳送到指定的位置，完成推送動作，符合工程實際情況，也為進一步優化推送料機構提供了參數依據。

4 結語

通過動力學軟件ADAMS對推送料機械系統進行三維模型和動力學仿真模型建立，并得出了物料質心的運動軌跡曲線和運動速度曲線，符合工程實際情況。仿真結果表明：在推送物料的整個過程中，運行過程平穩無死點，驗證了推送料機構采用兩個曲柄滑塊機構的合理性，證明仿真的正確性。利用動力學分析軟件實現了對推送料機械系統的仿真分析研究，有助于提高產品設計的準確性，為進一步優化推送料機械系統提供了參數依據和基礎。

參考文獻

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