基于ADAMS的糕點切片機切刀和送料機構的運動仿真

□ 李守成 □ 吳海濤 □ 劉泓濱

昆明理工大學 機電工程學院 昆明 650500

虛擬樣機技術是一種新的產品開發技術，運用虛擬樣機技術可以大大簡化機械產品的設計開發過程，大幅度縮短產品開發周期，減少實驗和實驗室建設經費，提高產品的系統性能，獲得最優化和創新的設計產品［1］。美國MSC開發的機械系統動力學自動分析軟件ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是專門用于機械產品虛擬樣機開發方面的工具。本文通過基于ADAMS的Adams/View和求解Adams/Solver對糕點切片機切刀往復運動機構和間歇送料機構進行運動學仿真分析,實現了糕點切片機切刀往復運動機構和間歇送料機構的良好配合，驗證了模型的合理性和正確性。

1 糕點切片機建模［2、3］

糕點切片機的模型設計主要包括：切刀的往復直線運動、送料機構的間歇運動以及提供動力并保證機構穩定運行的減速電機機構。糕點切片機的三維模型如圖1所示。

1.1 切刀往復運動機構設計

▲圖1 糕點切片機

為使切刀實現往復直線切割運動，利用曲柄滑塊機構和曲柄搖桿機構原理設計了切刀往復運動機構，機構運動簡圖如圖2所示。設計機構尺寸為：曲柄BC(DE)長150 mm(兩曲柄等長且平行)，切刀連桿 AC長 250 mm，搖桿 GF長 450 mm，連桿FE長500 mm。

1.2 間歇運動送料機構的設計

間歇運動機構采用棘輪-傳送帶機構，如圖3所示。棘輪半徑R=44 mm，棘輪周長 L=271.92 mm(L＝2πR)，則 1°圓心角對應的弧長約為0.76 mm。設計需要的切片厚度為38 mm，根據切片的厚度可計算出棘輪一個周期內的角位移為50°。為使棘輪能夠安全工作，在棘輪鉸接處安裝了渦卷彈簧來保證棘輪與扳手之間有足夠的壓緊力，為了防止棘輪反轉，增加了防止反轉的棘輪扳手，保證了機構的可靠性。

▲圖2 切刀機構運動簡圖

▲圖3 棘輪-傳送帶機構

▲圖4 二級減速裝置輪系圖

1.3 減速機構的設計

切片機在工作時，不僅要保證能快速地切片，而且還要保證機構的穩定工作，故設計如圖4所示的二級減速裝置。電動機的原始角速度選定為1 080 r/min（1 080 r/min=6 480°/s），傳動比 i為：

2 ADAMS 運動學仿真［4、5］

2.1 3D模型建立

ADAMS軟件主要用于運動學、動力學、靜力學仿真以及簡單模型的建立，而對于結構較為復雜的3D模型則不宜采用ADAMS建模。故運用有強大靈活建模能力的SolidWorks軟件進行建模和虛擬裝配，然后通過ADAMS和SolidWorks的接口將糕點切片機的3D模型導入到ADAMS中。

2.2 模型簡化

將3D模型導入ADAMS中時需要進行模型簡化，否則在ADAMS中需要添加繁瑣的約束，極大地增加仿真難度。在導入ADAMS后，為進一步簡化模型，減少約束，部分零件在ADAMS中運用布爾運算將其作為一個整體，其中將支撐板、支撐杠、軸承座作為一個整體。在兩帶輪和兩滾輪之間分別添加耦合副可達到仿真的目的，故可將皮帶和傳送帶省略，簡化后的模型如圖5所示。

▲圖5 簡化模型圖

2.3 添加材料及運動副

按照實際情況進行添加材料，材料為鋼。本模型需要運用的運動副有轉動副、移動副、齒輪副、耦合副以及固定副，共有14個轉動副、2個移動副、2個齒輪副、2個耦合副以及2個固定副。轉動副主要添加在有轉動的構件間，移動副添加在刀片與導桿間，齒輪副加在減速機構的齒輪與齒輪間，耦合副加在兩帶輪和兩滾輪之間，添加好材料與運動副后的模型如圖6所示。

2.4 糕點切片機模型的運動學仿真分析

在ADAMS中，對模型進行簡化、添加材料、修改外觀以及添加運動副后，對模型進行運動學仿真（end time=5 s，steps=500）并測量刀片、棘輪等構件的相關參數。運動學仿真完成后，進入ADAMS/Postprocessor界面，對仿真測量的結果進行處理及分析。

送料機構-棘輪-傳送帶要實現間歇運動的要求，對棘輪機構進行相關參數的測量，由于在ADAMS中只能直接測量出棘輪的角速度，故用ADAMS/Postprocessor工具對棘輪的角速度求積分得到棘輪的角位移［6］，如圖7所示。從圖中可看出，棘輪在一個周期內實現的是間歇運動，設計符合實際需求。

糕點切片機切刀機構要實現往復運動，并且還要能實現與間歇運動的送料機構密切配合。當切刀遠離送料機構運動時，送料機構應向前移動設定的距離；當切刀運動至最低點將要進行切割時，送料機構應該是停止；切刀的速度要快，這樣才不會使切料損壞。圖8所示中，切刀進行切割時送料機構處于停止狀態，滿足設計要求。同時送料機構在一個周期內的角位移為49.8°，理論角位移為50°。圖9所示中，切刀的速度在0～600 mm/s內變化，可實現快速切割。

3 結束語

▲圖6 添加材料及運動副后的模型圖

▲圖7 棘輪角速度和角位移圖

▲圖8 切刀位移和棘輪角位移圖

▲圖9 切刀速度圖

通過ADAMS軟件，對在Solid Works軟件中按設計要求建立的糕點切片機模型進行運動學仿真研究。根據仿真結果與設計值對比，各項仿真值均接近理論設計值，實現了糕點切片機切刀往復運動機構和間歇送料機構的良好配合,證明該模型是正確的，同時仿真結果可以為模型的進一步優化提供理論依據。

［1］ 王國強.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐［M］.西安：西安工業大學出版社,2002.

［2］ 葛正浩，梁金生，蔡曉霞，等.SolidWorks2008典型機械零件設計實訓教程［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［3］ 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［4］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［5］ 賈長治，殷軍輝，薛文星，等.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［6］ （美）MSC.Sortware著，邢俊文，陶永忠譯.ADAMS/View高級培訓教程［M］.北京:清華大學出版社,2005.