基于ADAMS的機械壓力機虛擬樣機運動學仿真研究

錢茹，蔣安鵬，戴陽，駱澤陽，鄭航

基于ADAMS的機械壓力機虛擬樣機運動學仿真研究

錢茹，蔣安鵬，戴陽，駱澤陽，鄭航

（東南大學成賢學院，江蘇南京210088）

曲軸連桿滑塊機構作為壓力機的重要傳動部件，決定著整機工作效率。設計了無偏置、正偏置、反偏置三種方案.在UG中建立三維模型，并通過ADAMS進行運動學仿真分析，得出滑塊位移、速度、加速度的曲線，并通過數據比較，得出負偏置曲軸滑塊效率最高，為后續研究提供了基礎。

虛擬樣機；運動學分析；ADAMS；曲軸

壓力機是一種用途廣泛，生產效率高的沖壓設備，多應用于切斷、沖孔、落料、彎曲、鉚合和成形等工藝當中[1]。曲柄滑塊機構在壓力機中應用廣泛，但在使用過程中效率低，其運動性能的研究非常關鍵。ADAMS軟件作為一種多功能的仿真分析軟件[2]，工程人員能夠有效便捷的針對虛擬樣機模型進行仿真研究來評估其實際工作情況。本文以曲軸連桿滑塊機構作為對象，設計三種不同的傳動機構，通過UG建立三維模型，并在ADAMS下建立簡化仿真模型，進行運動學分析比較，最終得出一種最優方案。

1 曲軸連桿滑塊方案設計

根據曲軸連桿滑塊工作時，曲軸的偏心距帶動連桿滑塊運動的原理，設計出如下三種方案。

如圖1所示為三種曲軸方案簡化模型，分別為結點無偏置、負偏置、正偏置型[3]，其中滑塊上下移動軸線與曲軸回轉軸線的水平距離表示偏距e.OA表示曲軸回轉中心距曲柄頸中心距離，AB表示連桿有效長度?；谏鲜鰠?，以正偏置結構方案為參考可得：

由上述理論分析無法直接看出偏心距e與滑塊之間的關系，故需進一步了解滑塊運動特性。

圖1 三種設計方案簡圖

2 曲軸系統運動模型建立

2.1 零部件建模

由于ADAMS對于建模自身條件的限制，本文首先在根據設計出的尺寸UG環境中建立起曲軸運動模型。壓力機曲軸系統關鍵零件由以下幾個部分組成：

（1）曲軸（驅動機構）；（2）連桿、連桿蓋，兩者組成一個連接機鉤分別與曲軸和滑塊連接；（3）滑塊（執行機構）。工作時壓力機曲軸在電機的驅動下繞軸轉動經過連桿機構，最終轉化成滑塊的滑動。

2.2 三維模型的建立

三維零件模型建立完成之后，需要對曲軸系統樣機模型進行裝配[4]，通過改變滑塊與曲軸回轉軸線的偏距，得到不同方案，建立的虛擬樣機裝配模型如下圖2所示。

圖2 三種設計方案的三維模型

3 曲軸系統運動學仿真分析

3.1 ADAMS中建立仿真模型

本文研究的是曲軸連桿滑塊機構的運動學仿真分析，故在ADAMS中進行運動學分析時忽略對運動無關的小零部件。將曲軸回轉軸中心與連桿的連接簡化成曲柄，建立三種簡化實體模型如圖3所示。

圖3 三種偏置簡化實體模型

3.2 邊界條件

建立好上述圖3的簡化實體模型，需要建立各零件之間的約束關系。在曲柄和大地、曲柄和連桿、連桿和滑塊之間創建轉動副約束。在滑塊和大地之間建立移動副約束。最后給予曲柄一個旋轉驅動，并定義曲柄角速度，為50 r/min.在上述操作完成之后，設置仿真時間為5 s，步長為0.01.為了得出所需的運動學關系，選擇滑塊質心為輸出點。

3.3 仿真結果分析

在上述操作完成之后，點擊繪圖操作，得到各結構類型的滑塊運動關系圖，如圖4各類型的滑塊運動參數曲線所示。

圖4 滑塊運動參數曲線圖

從圖4中可知，位移上升為工作行程，下降為回程，周期為1.2 s.若速度和加速度曲線為光滑曲線，表明無剛性和柔性沖擊。無偏置結構，位移、速度、加速度曲線均為對稱分布；正偏置結構，在周期2.86 s～4.06 s中，在速度上升和下降時雖無明顯差異，但在加速度在2.86 s～3.46 s中與時間軸圍成的面積明顯大于在3.46 s～4.06 s圍成的面積；負偏置結構，在周期2.8 s～4.0 s中，速度上升和下降時無明顯差異，但加速度在2.8 s～3.4 s中與時間軸圍成的面積明顯小于在3.4 s～4 s圍成的面積。故負偏置機構工作行程平均速度小于滑塊回程平均速度，體現著偏置曲柄滑塊機構的急回特性，提高了工作效率。

4 結論

本文利用ADAMS軟件分別對三種軸連桿滑塊結構進行運動學仿真，獲得滑塊的位移、速度、加速度曲線。從運動學看，負偏置機構憑借其急回特性相比無偏置及正偏置連桿機構效果較優，能夠提高工作效率。該結論為此類構型的壓力機設計提供了重要參考依據[5]。

[1]宋曉華.機械壓力機運動仿真分析和虛擬樣機研究[D].杭州：浙江工業大學，2005.

[2]靳嵐.基于Mtlab的偏置曲柄滑塊機構的運動特性仿真研究[J].中國制造業信息化，2008，37（23）：3337.

[3]王粟，賈嶺，阮衛平，等.機械式壓力機曲柄六桿機構運動學特性分析[J].機械傳動，2011，35（1）：61.

[4]林翠青.基于曲柄壓力機中曲柄滑塊機構的運動分析及其研究[J].數字技術與應用，2010（7）：67-68.

[5]MOURELATOS Z P.An efficient crankshaft dynamic analysis using substructuring with Ritz vectors[J].J.of Sound and Vbi ration，2000，238（3）：495-527.

Kinematics Simulation of Virtual Prototype of Mechanical Press Based on ADAMS

QIAN Ru，JIANG An-peng，DAI Yang，LUO Ze-yang，ZHENG Hang
（Cheng Xian College，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210088，China）

The crankshaft connecting rod slider mechanism，as an important drive part of the press，determines the working efficiency of the whole machine.Design without bias，positive bias,reverse bias of three.The establishment of three-dimensional model in UG，and kinematics simulation analysis was carried out by ADAMS，the slider displacement，velocity and acceleration curve，and through the data comparison，the maximum negative bias crank slider efficiency，provides the basis for follow-up study.

virtual prototyping；cinematics analysis；ADAMS；crankshaft

TG305

A

1672-545X（2017）07-0015-03

2017-04-07

東南大學成賢學院大學生實踐創新訓練項目（ycx1648）

錢茹（1980-）女，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向：機械產品的數字化模擬與仿真。