ADAMS运动学分析（精选十篇）
ADAMS运动学分析 篇1
关键词：牛头刨床,运动学分析,运动仿真,ADAMS
0引言
ADAMS是一款虚拟样机领域非常优秀的软件, 它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型, 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法, 建立系统动力学方程, 能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析, 输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。本文运用VC程序设计以及ADAMS运动仿真, 得到了牛头刨床执行机构的位移、速度和加速度曲线图, 通过比较分析, 二者相互验证了其合理性。
1牛头刨床机构
大多中小型牛头刨床采用平面连杆机构传动, 图1是一种常见的牛头刨床机构简图, 其中, lBC=300 mm, lAD=1 100 mm, lAB=600 mm, H=1 300 mm, BC杆为原动件, 以角速度ω=10 rad/s逆时针转动, E点所在的杆件为牛头刨床的执行机构。本文以E点的运动特性来代表牛头刨床执行机构的运动特性进行分析。
2VC程序分析
根据牛头刨床执行机构的运动方程, 利用VC编程, 以连杆BC与x轴的夹角θ为变量, 可以计算出在不同夹角时E点的运动情况, 主要包括E点的位移s、速度v、加速度a, 计算结果见表1。
根据表1的数据在Excel中作出一个周期内转角θ与E点位移、速度、加速度之间的关系图, 如图2、图3、图4 所示。从图中可以直观地反映出在一个周期内牛头刨床执行机构的运动特性。
3ADAMS运动仿真分析
利用UG完成了牛头刨床机构的简化三维建模及装配, 如图5所示, 然后在ADAMS中进行运动仿真。仿真结果的正确与否主要取决于约束的正确性, 首先要弄清楚各构件之间的运动副关系, 然后正确地添加上去。在图1所示的机构中, A、B为转动副, C、D两点既有转动副也有移动副, E点为移动副。当所有的约束都完成后, 机构运动仿真还必须有主动件, 即在B点添加主运动, 转速设置为10 rad/s。程序计算中是以转角为自变量的, 而仿真时是以时间为自变量, 根据单位换算, 可以得到机构运动一周期的时间为t=360/ (10*180/3.14) =0.628 s, 通过后处理便得到在一周期内E点的位移、速度、加速度的结果, 也就是我们所需要的执行机构的运动特性, 如图6、图7和图8所示。
4结论
本文采用了两种不同的方法对典型的牛头刨床执行机构的运动进行分析, 分别得到了执行机构的位移、速度及加速度曲线。两种分析方法得到的结果在数值上非常相近, 在曲线形状上也非常相似, 两种分析方法的结果基本相符。
参考文献
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adams运动仿真教学 篇2
1）启动ADAMS 1.运行ADAMS，选择create a new model;2.modal name 中命名为lift_mecha;3.确认gravity 文本框中是earth normal(-global Y)，units文本框中是MKS；ok 4.选择setting——working grid，在打开的参数设置中，设置size在X和Y方向均为20 m，spacing在X和Y方向均为1m；ok 5.通过缩放按钮2）建模
1.查看左下角的坐标系为XY平面
2.选择setting——icons下的new size图标单位为1 3.在工具图标中，选择实体建模按钮中的box按钮4.设置实体参3.53.数；
，使窗口显示所有栅格，单击F4打开坐标窗口。On ground Length :12 Height:4 Depth:8 5.鼠标点击屏幕上中心坐标处，建立基座部分 6.继续boxNew part Length :3 Height:3 Depth: 3.5 设置完毕，在基座右上角建立座架Mount部件 建立Mount座架部件，设置参数：
7.左键点击立体视角按钮架到基座中间部位：，查看模型，座架Mount不在基座中间，调整座
①右键选择主工具箱中的position按钮图标
中的move按钮
②在打开的参数设置对话框中选择Vector，Distance项中输入3m，实现Mount移至基座中间位置
③设置完毕，选择座架实体，移动方向箭头按Z轴方向，Distance项中输入2.25m，完成座架的移动
右键选择座架，在快捷菜单中选择rename，命名为Mount 8.选择setting—working grid 打开栅格设置对话框，在set location中，选择pick 选择Mount.cm座架质心，并选择X轴和Y轴方向，选择完毕，栅格位于座架中心
选择主工具箱中的视角按钮，观察视图 将spacing—working grid，设置spacing中X和Y均为0.5 10.选择圆柱实体绘图按钮New part Length:10m Radius:1m 选择座架的中心点，点击左侧确定轴肩方向，建立轴肩，单击三维视图按钮，观察视图，设置参数：
11.继续圆柱工具① 设置参数： New part Length: 13m Radius: 0.5m ② 选择Mount.cm作为创建点，方向同轴肩，建立悬臂，绘制悬臂
③ 右键选择新建的悬臂，在快捷菜单中选择part_4——Rename，命名为boom ④选择悬臂，移动方向沿X轴负向，实现悬臂的向左移动：
1）右键选择工具箱中的position按钮中的move按钮
2）在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2m，点击悬臂，实现移动
⑤ 右键点击实体建模按钮设置圆角半径为1.5m ⑥ 左键选择座架上侧的两条边，点击右键，完成倒角，在弹出的下一级菜单中选择导圆角工具，12.选择box按钮图标① 设置参数： New part Length : 4.5 Height: 3.0 Depth: 4.0 ② 选择悬臂左侧中心点，命名为bucket，建立铲斗，创建铲斗
③ 右键选择position按钮下一级按钮move按钮
④ 在打开的参数对话框中，选择vector，distance中输入2.25m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系X轴负方向，实现铲斗的横向移动
⑤ 在主工具箱中，选择三维视图按钮，察看铲斗
⑥ 继续选择move按钮，设置参数中选择vector，distance中输入2.0m，选择铲斗，移动方向沿全部坐标系 Z轴负方向，实现铲斗的纵向移动
⑦ 移动完毕，选择主工具箱中的渲染按钮render，察看三维实体效果，再次选择render按钮，实体图则以线框显示
⑧ 右键点击实体建模按钮，再弹出的下一级按钮中选择倒角工具的参数设置对话框中，设置倒角Width为1.5m，⑨ 选择铲斗下侧的两条边，完毕单击右键，完成倒角
⑩ 右键选择实体建模工具按钮，再下一级按钮中选择Hollow按钮的参数设置对话框中设置参数Thickness为0.25m 选择铲斗为挖空对象，铲斗上平面为工作平面，完毕点击右键挖空铲斗，在打开，在打开
3）添加约束
根据图示关系，添加链接 ① 在主工具箱中，选择转动副bod——1 loc和pick feature，下方的参数设置对话框中，设置参数2 ② 选择基座和座架，然后选择座架中心Mount.cm，旋转轴沿y轴正向，建立座架与基座的转动副
③ 继续用转动副按钮，建立轴肩与座架间的转动副，设置参数为2 bod——1 loc和Normal to grid，选择轴肩和座架，再选择座架中心点，建立转动副 ④ 继续用转动副按钮，建立铲斗与悬臂间的转动副，设置参数为2 bod——1 loc和Normal to grid，选择铲斗与悬臂，再选择铲斗下侧中心点，建立转动副 ⑤ 选择主工具箱中的平动副，设置参数2 bod——1 loc和pick feature，选择悬臂与轴肩，再选择悬臂中心标记点，移动方向沿X轴正方向，建立悬臂和轴肩间的平动副
⑥ 右键点击窗口右下角的Information 信息按钮，选择约束按钮，观察是否按要求施加约束，关闭信息窗口 ⑦ 检查完毕，选择仿真按钮运动 4）添加运动
① 选择主工具箱中的旋转运动按钮，右键点击座架中心标记点，在弹出的，对系统进行仿真，观察系统在重力作用下的选择窗口中，选择JOINT_mount_ground,给座驾与基座的转动副添加转动运动 ② 选择俯视图按钮，观察旋转运动副的箭头图标
③ 右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_mount_ground——modify在修改对话框中，修改function项为360d*time ④ 重复上述动作，在轴肩和座架之间建立旋转运动Motion_shoulder_ground, ⑤ 右键点击该运动，在弹出的快捷菜单中选择motion_shoulder_ground——modify在修改对话框中，修改function项为-STEP(time,0,0,0.10,30d)⑥ 重复上述动作，在铲斗和悬臂之间建立旋转运动Motion_bucket_boom ⑦ 设置运动函数为45d*（1-cos（360d*time））
⑧ 右键点击主工具箱中旋转运动按钮，选择下一级平行运动按钮，点击悬臂中心平动副，在悬臂和座架间建立平行运动
⑨ 设置平行运动函数为STEP（time，0.8，0，1，5）
⑩ 选择主工具箱中的仿真按钮，设置仿真参数END Time：1；Steps：100，进行仿真
5）测量和后处理
① 鼠标右键点击铲斗，打开右键快捷键，选择测量measure ② 系统打开参数设置对话框，将Characteristic设置为CM Point，Component 设置为Y,测量Y向位移。
③ 点击Apply，出现空白的测量窗口 ④ 点击总工具箱中测量长度按钮，测量悬臂左端点与轴肩右端点间的距离
保存文件qizhongji在E：jiben0520053377目录中，推出系统。
其它CAD图与ADAMS软件的接口
1）在solid-edge、solid-working、p-re、UG等三维造型软件中，绘制三维图形，下图所示为装载机的工作装置CAD三维图；
装载机工作装置中包含许多零部件，为简化仿真模型，可以在建立三维图形时，将链接螺栓等非传动件忽略，将其质量添加到相连的传动件上即可，切记：在CAD软件装配图绘制完三维图后，将文件保存为.igs为后缀的格式退出。2）将三维CAD图形文件调入ADAMS软件
打开ADAMS软件，进入ADAMS界面，进行以下操作：
① 在File菜单，选择Import命令，显示文件输入对话框。
② 在File Type栏，选择输入的CAD文件格式，后缀为.igs格式，显示输入的CAD文件对话框，如上图所示。
③ 在File To Read右边的空框内输入文件名，方法为：鼠标放在空框内，点击右键，选择browse，打开文件浏览对话框，找到已保存的后缀为.igs的文件，双击即可。
④ 在Part Name 栏，输入ADAMS数据库名。
⑤ 选择OK按钮，即可将CAD文件调入ADAMS软件中。
1）点击放大缩小图标示调入的图形；
2）修改个零部件的物理特性：视图在由CAD软件调入ADAMS软件后，其各部件的物理特性丢失，只保留了几何特性，所以，为进行系统仿真，需要对每一个零部件添加材料特性，方法如下：
① 将鼠标放在要修改的零部件上，点击右键，依次选择：浮动菜单的第一项part—modify，打开修改对话框；，将鼠标放在绘图视窗内，按下左键，移动鼠标，显
② 在category栏选择mass properties；在define mass by栏选择geometry and material type；在material type 栏，输入零件的材料
③ 点击修改对话框下角的show calculated inertia，计算零件的质量和转动惯量等参数；
④ Ok退出，即完成零件的物性修改，其它零件类推。
ADAMS运动学分析 篇3
关键词：ADAMS；精压机；工作机构；运动分析
中图分类号：TG305 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0054-03
1 概述
作为少、无切削工艺的一类，精压工艺包括体积、平面精压两种类型。平面精压能够使冲压件、锻件的表面精度得到提升，并使其高度尺寸更为精确；体积精压则可以使冲压件、锻件获得较高的表面精度和更为精确的重量。精度高、工件变形量小是精压工艺的两大特点，所以在进行精压机的设计工作时，应注意确保刚度的合理性，并让工作速度趋于平缓，同时使工件加压时间得到相应的延长，所配备的装模高度调整设备也要更为可靠。其原因在于，更小的滑块行程不仅同样可以满足精压机精压工件的需求，而且还能够大幅减少能耗，有利于生产成本的进一步下降。为了使设计成果在尺寸与形式方面都更为合理，实验研究是必不可少的内容，而对于仿真分析模型的实验分析，则可以为不同工况的分析以及改型设计提供更多的依据，并且有效减少物理实验所需费用和复杂计算的工作量。所以，对于后续物理模型的设计工作而言，实现一种基于仿真的数字模型，无论是对于工作效率的提升还是经费的节约，都将发挥出积极的推动作用。正是基于仿真分析模型的这些优点，我们借助ADAMS软件进行关于精压机工作结构运动的仿真分析，以期为今后相关研究及实践活动的开展提供一定的参考和借鉴。
2 精压机工作结构运动的仿真模型构建
2.1 精压机工作机构的选择
为了最大程度降低精压工艺的工作行程以及精压机工作机构对于弹性变形的要求，我们选择了曲柄肘杆，其特点是滑块的形成较小，由两肘杆承受绝大部分的工作变形力，连杆的受力因此得到显著的下降，同时，肘杆的长度也可以得到有效控制。
曲柄肘杆机构按照运动、受力情况的差异，可以分为单次行程通过一次、两次下死点以及连杆在工作状态下承受压力、拉力这四种基本类型。其中，单次行程通过两次下死点的类型可以让工件受压时间更长，使其更容易成型。不过，压力机的工作效率在下死点附近时相对较低，也就是说，保压时间的延长会在一定程度上导致压力机效率降低的问题。从连杆受力改善的角度来看，连杆承受压力的形式无疑是有益的，但是在这种结构下，连杆的长度相对较短，连杆系数约为1/3，所以无论是工作滑块的速度变化还是曲轴的扭矩都必然得到相当程度的提升。因此，选择连杆在工作状态下承受压力、单次形成通过两次下死点的类型能够获得更好的效果，详见图1：
2.2 建立模型
ADAMS虚拟样机分析软件集可视化、求解、建模技术于一体，是当前世界范围内使用最为广泛也是最著名的机械系统仿真分析软件，它通过力库、约束库、零件库以及交互式图形环境等让机械系统转变为全部参数化的模型，而多刚体系统动力学理论中拉格朗日方程的运用则让求解器对于系统动力学方程的构建成为了可能，通过运动学、动力学、静力学等方面的分析，最终完成对所虚拟机械系统的位移、加速度、速度、反作用力曲线等测试结果的输出。无论是机械系统的峰值载荷、性能与运动范围的预测，还是碰撞检测工作，我们都可以借助ADASM软件的仿真能力对结果加以预测。
软件的基本模块主要包括用户界面（ADAMS/View）、处理器（ADAMS/Solver）以及后处理三个部分，其中，用户界面模块的作用是通过所提供的对话环境方便用户进行各种操作。同时，该模块也具备在正式分析前对相关数据进行预处理、设置虚拟样机的分析参数，提供与其他应用程序的接口等功能。
通过ADAMS软件，我们可以直接实现对简单几何模型的建模，如果模型相对复杂，则可通过其他的三维建模软件先进行预处理，再将其导入ADAMS以施加各类作用和约束力。结合本次研究所涉及模型的实际情况，我们直接通过ADAMS软件建模，详见图2：
3 针对精压机工作机构的运动分析
结合图1，我们将曲柄OA设为R，将连杆AB设为L，肘杆BC=BD设为l。图中实线所示为曲柄转角为α时的位置。若BC、BD处在同一条直线上，那么滑块到达下死点D0。而当曲柄转为α角时，滑块则到达D点，此时的位移S=D0D。由图我们可以得出。
在公式中，α的值未知，当我们赋予其不同值时，就会得出与该值相对应的S的值，随后，再借助包括求导在内的一系列计算，就可以得出滑块的速度和加速度。若结果表明滑块的这些参数未能达到设计要求，工作人员就需要对相关条件进行重新调整，并再次计算滑块在调整后的运动特性。
ADAMS软件可以免去因反复调整设计参数而带来的大量计算任务，设计人员只需要对仿真模型的特定参数进行修正，计算机就会通过软件的运动仿真功能，完成对不同工况和条件下精压机工作机构运动特征的计算和反馈，使设计人员能够更加快速和方便地对自己的设计成果进行检验，更好地实现确保设计成果科学性和合理性的工作目标。
在本次研究中，我们对相关参数进行了如下选择：R=170mm，α=1130mm，L=1297mm，l=600mm。在输入数据后，软件就会自动进行针对精压机工作机构运动的仿真分析，并最终将系统不同构件的位置、速度、加速度与时间函数的关系反映出来。由于构件的受力变形是分析工作可以忽略的内容，因此建模与几何参数选择的准确性就成为了决定仿真精度的重要指标。图3、图4、图5分别为精压机滑块运动的位移、速度与加速度曲线。
4 结语
在采用常规方法开展的精压机设计工作中，设计人员不得不通过手工的方式对设计参数进行反复的修改以便最终获得令人满意的设计成果，这种做法不仅会导致重复工作的大量进行，而且也不利于设计结果精确性的有效保障。在本次研究中，我们对于精压机工作机构的设计借助了ADAMS软件的建模与仿真分析等功能，并通过理论分析与仿真结果之间的对比来验证仿真分析的准确性。结果表明，与制造物理样机的方式相比，通过ADAMS软件的建模与仿真分析功能，可以使精压机工作机构设计成果的性能检测更加简捷，分析结果也更为准确，这样一来，设计人员就得以借助仿真实验的结果在更短的时间内完成对产品设计进行针对性的修正，从而大幅缩短了产品设计周期，减少了设计开发的经费要求，也从侧面向我们展现了该方法广阔的发展前景以及巨大的工程实用价值。
参考文献
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ADAMS运动学分析 篇4
目前, 国内研究的多连杆高速精密压力机的多连杆驱动机构结构较之国外比较复杂, 给设计和制造带来了困难, 本文研究了多连杆压力机较之传统机械压力机的优势, 并结合软件进行了机构的运动学分析和仿真。研究比较了不同曲柄长度下滑块的运动性能曲线。该分析方法仅需推导出各杆端点及滑块的位移方程, 通过测量可得到所有运动学方程的曲线, 分析结果直观形象, 减少了设计人员的工作量, 缩短了产品研发周期。
1 多连杆压力机驱动机构结构
图1为多连杆压力机驱动机构的结构图, 该机构由曲柄滑块机构、菱形机构、肘杆机构及动平衡机构组成;杆1和1’为曲柄, 杆2和2’、杆4和4’、杆5和5’为连杆;三个滑块分别为:主滑块6、副滑块7、助滑块3和3’, 其中主滑块为冲压滑块。
2 多连杆压力机驱动机构的Matlab仿真
该文应用机理分析法建立了多连杆压力机驱动机构的数学模型, 在进行运动学分析时为简化方程, 将助滑块3与3’等效为质点, 并对机构的单个构件进行模块化分析。
曲柄1如图2所示, 设曲柄1的长度为l1, 转角为ϕ1。
由解析法得到, 曲柄1与连杆2的铰接点P12的位移方程:
其中, X12和Y12分别为铰接点P12的X方向和Y方向位移。
同理可得出其余各构件的位移方程, 其速度、加速度方程可由位移方程求导得到。
应用Matlab软件提供的强大计算和绘图功能, 对上述运动方程进行仿真分析, 得到了压力机关键机构滑块的运动性能曲线, 并和曲柄滑块机构的运动性能曲线作比较, 如图6所示。其中, 图3 (a) 为滑块位移曲线, 图3 (b) 为滑块速度曲线, 图3 (c) 为滑块加速度曲线。通过仿真结果对比可以看出:多连杆机构滑块在主要参考下死点附近运动位移平滑, 速度平稳, 加速度绝对值较小, 所以多连杆机构在多方面性能参数上优于曲柄滑块机构。
3 多连杆压力机驱动机构运动学分析
利用Adams的参数化模型来对多连杆压力机驱动机构进行运动仿真, 考虑到机构的对称性, 用曲柄与各连杆的长度为参数进行了参数化建模。
压力机的性能好坏取决于滑块在运动中的性能参数, 即滑块的位移、速度、加速度等关键指标。通过对运动学方程的理论推导, 已经得到了滑块的理论性能曲线;再将参数化模型的测量数据导入Matlab中得到模型曲线, 两种曲线绘制在同一个图中, 如图4所示。其中, 图4 (a) 表示滑块的位移曲线, 图4 (b) 表示滑块的速度曲线, 图4 (c) 表示滑块加速度曲线。从图中可以看出:参数化模型滑块位移、速度、加速度的仿真数据与MATLAB推导公式所绘的理论曲线完全重合, 从而验证了该参数化模型的正确性。
4 多连杆驱动机构的参数化分析
该文以曲柄1的长度变化为例, 利用ADAMS/View的参数化分析方法分析了杆长变化对滑块行程、速度和加速度的影响。曲柄长度变化对滑块行程、速度、加速度的影响如图5所示。
图5反映了曲柄1半径变化对滑块行程、速度、加速度的影响, 图5 (a) 表明滑块行程随曲柄1长度的增大而增大;图5 (b) 表明滑块在下死点的速度为0, 在到达下死点前滑块的速度随半径的增大而减小, 到达下死点后随半径的增大而增大。随着半径的增大滑块在下死点附近的速度更平稳, 更接近冲压的工艺要求;图5 (c) 表明滑块下死点的加速度随曲柄1半径的增大而减小。
5 结语
多连杆驱动机构较之曲柄滑块驱动机构在压力机冲压性能方面确有很大的优势。模块化分析省时高效, 在Matlab中仿真分析得到运动曲线, 用ADAMS软件对压力机多连杆驱动机构进行参数化建模分析得到的运动学曲线及结果参数与Matlab分析结果一致, 验证了改驱动机构的可行性, 且此分析方法省时高效, 能缩短研发周期, 分析结果可做为企业制造该多连杆压力机驱动机构的理论依据。
参考文献
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[6]郭仁生.机械工程设计分析和MATLAB应用[M].机械工业出版社, 2011.
ADAMS运动学分析 篇5
空间红外遥感仪器多采用双轴承高速转动结构,仪器的失效往往是由于转动部件轴承的失效而引起.本文以调制系统为例,在MSC.ADAMS软件环境下建立其动力学仿真模型.通过多次仿真,模拟出了轴向载荷以及径向载荷与轴承接触应力之间的.关系.分析结果对于红外遥感仪器转动部件的设计具有指导意义.
作 者：孙素明 袁杰 王翔 SUN Su-ming YUAN Jie WANG Xiang 作者单位：孙素明,袁杰,SUN Su-ming,YUAN Jie(中国科学院上海技术物理研究所,上海,83)
王翔,WANG Xiang(井冈山大学,江西,吉安,343700)
ADAMS运动学分析 篇6
关键词：ADAMS,球形机器人,虚拟样机,运动仿真
球形机器人是一种以滚动运动为主的球形运动体。运动动力是依靠内驱动装置改变自身重心位置和外界摩擦力提供。例如Mukherjee[1]等制作了一种以配重改变重心位置的球形机器人。球形机器人具有运动效率高, 适应环境能力增强, 转向灵活, 机构自由度少, 驱动简单等特点[2]。球形机器人已成为一个全新的研究领域, 在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景, 在反恐、军事及其他尖端领域具有重大的应有价值。特别在军事方面如果在球形机器人的球壳里装入炸药, 通过控制就很容易让它进入敌人的领地, 这样球形机器人就相当于一个智能炸弹。同样, 也可以在球形机器人上面加装侦查装置和通信装置, 用于军事侦察和通信。
球形机器人平面运动系统为一个欠驱动系统, 同时又是一个非完整系统。非完整系统可以用较小的驱动机构控制较多的自由度, 有利于降低机器人的重量, 但是也会导致轨迹规划变得复杂[3]。ADAMS软件是最广泛使用的动力学多体系统仿真软件, 本文主要是利用ADAMS软件对球形机器人进行运动仿真, 并且分析摆长、配重、摩擦系数等因素对运动状态影响。
1 系统结构
大多数球形机器人的主要结构是由改变球体重心位置的驱动机构及转向机构组成的, 球体内除配重和摆杆之外其它所有构件的质量集中于球心处, 这样有利于保持球形机器人的姿态稳定。
本文所用球形机器人转向和驱动行走运动相互独立, 并且一般不同时进行, 这样便于控制。图1中驱动步进电动机4带动配重1、摆杆2, 转轴3绕电机轴转动, 由于配重的运动使球形机器人重心位置改变, 从而实现直线运动。转向电动机6启动时, 带动1、2、3、4同时绕轴5转动, 从而实现了球形机器人0半径转弯, 机器人在低速前进时可以同时启动转向步进电动机1完成机器人在运动中转弯, 但此时拐弯过程比较难精确控制, 本文主要研究其直线运动。球形机器人结构简图如图1所示。
在虚拟样机分析过程中我们对样机进行了结构简化, 这样既可以减小因为模型从其他三维软件导入而带来的误差, 同时仿真的精度也大大提高。球形机器人虚拟样机机构及连接副如表1所示, 虚拟样机模型如图2所示。
1—球壳, 2—长轴, 3—摆杆, 4—摆锤, 5—平面
2 球形机器人直线运动分析
当驱动步进电动机4带动摆杆以角速度π/4 (rad/s) 做匀速圆周运动时, 球体的速度、球体与地面间的摩擦力、摆杆摆角 (摆杆与竖直方向的夹角) 曲线如图3所示。
可以看出机器人先加速运动, 摩擦力瞬间由静摩擦变为动摩擦, 然后速度稳定在一定的范围内, 速度成正弦规律变化。加速时, 摆角大于0, 球体重心偏前, 摩擦力大于0。减速时, 摆角小于0, 球体重心偏后, 摩擦力小于0, 球体与地面间为纯滚动摩擦。
3 各种因素对球体运动速度的影响
为了研究配重质量m、摆长l、摆速ω、动摩擦系数μ对球形机器人运动速度的影响, 分别以以上因素建立ADAMS变量, 仿真得到的速度曲线与图4所示。
由图 (a) 可以看出在较小摆速下, 随着配重质量 (1—5kg) 的增加球形机器人的最大运动速度和加速度增加, 平均速度基本不变, 配重质量较小时, 速度变化比较慢, 配重质量较大时, 速度变化比较快, 也就是说配重对球形机器人的加速度有影响。由图 (b) 可以看出摆长[ (60—100) mm]的变化对球形机器人的平均速度基本没有影响, 对加速度有一定的影响。由图 (c) 可以看出随着摆速 (pi/6—pi rad/s) 的增加, 球形机器人平均速度及最大速度都增加, 因此摆速是影响球形机器人速度的主要因素。由图 (d) 可以看出动摩擦系数 (0.1—0.3) 的变化对球形机器人的速度基本没有影响。
总结以上分析得到表1所示结论, 对物理样机的制作提供了依据。在只考虑球形机器人运动速度时, 摆锤质量和摆速起着关键作用。
5 结论
综上所述可以得出以下结论:
(1) 球形机器人是一类新型的机器人, 本文所研究的球形机器人由两个步进电动机作为输入, 而球体在平面上有三个自由度, 属于非完整欠驱动系统, 结构简单但其运动状态很难控制, 简化的AD-AMS虚拟样机模型能够胜任球形机器人的运动规律分析。
(2) 球形机器人运动速度成正弦规律变化, 加速和减速交替结合, 运动动力是依靠内驱动装置改变自身重心位置和外界摩擦力提供, 与地面之间为纯滚动摩擦。
(3) 配重质量和摆速是影响球形机器人运动速度的主要因素。
参考文献
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[2]肖爱平, 孙汉旭, 谭月胜.一种球形机器人运动轨迹规划与控制.机器人, 2004;26 (5) :444—448
ADAMS运动学分析 篇7
机床导轨的爬行现象是一种常见的不正常的运动状态,它将严重地影响加工工件表面质量和机床的定位精度,尤其是在高精密、超高精密的机床中尤为严重,因此研究如何从根本上消除爬行对机床加工精度的影响意义重大。国内外众多学者关于爬行现象的研究早就有之,但并没有得出统一的结论[1]。本文在理论分析的基础上运用ADAMS软件对机床爬行建立动态仿真模型,通过研究各主要参数的变化来分析机床爬行产生的原因。
1爬行的机理分析
考虑到机床导轨运行的实际情况,可以将联轴器、齿轮、丝杠螺母副简化为一个刚度为k的弹簧和一个阻尼为c的等效阻尼,工作台与导轨之间的摩擦力为F[2]。当电机以匀速v0驱动时,由于有摩擦力的影响,在电机转动的一小段时间里,工作台静止不动,弹簧被压缩存储能量,直到弹簧的弹性力超过静摩擦力的时候,工作台开始移动。工作台移动后,静摩擦力转变为动摩擦力,工作台得到一个加速度,速度逐渐增加,速度的增加又使动摩擦力减小,从而速度进一步更快地增加。当弹簧的压缩量减小到弹性力和动摩擦力大小相等、方向相反时,工作台受力平衡。但由于工作台的惯性,使其继续向前滑动,导致弹簧压缩量继续减少,使弹簧的弹力小于摩擦阻力,工作台开始减速,如果惯性较大,使弹簧力减小到不能维持工作台的运动,运动出现停顿。如此循环往复从而形成了爬行现象。
图1为机床爬行的物理模型[3]。
根据图1的物理模型建立如下的数学模型:
undefined。 (1)
其中:x为物体位移;m为物体质量;k为弹簧刚度;F为物体与支撑面的摩擦力;c为系统阻尼。
在图1所示的模型中,x为物体滑行的位移量,当物体滑行时,弹簧储存的能在减小,所以物体的合力方向与弹簧储存的力方向相反,阻尼力对于弹簧储存的力来说也是相反方向的,同时,驱动速度是使弹簧不断储能,因此与弹簧储能方向相同,摩擦力始终与驱动力方向相反。设物体在t时刻的速度为vt,弹簧压缩量为xt,由v0在此时间过程中所产生的位移为v0t,因此可得弹簧压缩量xt以及vt分别为:
xt=x0+v0t-x 。
undefined。
其中:x0为工作台开始运动时的弹簧压缩量。
当驱动件运动时间t后,工作台的位移为x,则运动方程为:
undefined。 (2)
当在滑动中时,物体所受的摩擦力为动摩擦力,又因为动摩擦力与速度和加速度有关,因此,采用动摩擦质量b来描述质量及其加速度对动摩擦力的影响,则有:
undefined。 (3)
其中:F0为工作台开始运动时的摩擦力。
将式(3)代入式(2),得:
undefined。
又因为v0为恒驱动速度,x0为工作台开始运动时弹簧的瞬时压缩量,F0为工作台开始运动时的瞬时摩擦力,所以F0-cv0-kx0=0。故式(4)可以转化成:
undefined。 (5)
式(5)中的右端可以看做斜坡输入信号,R(t)=v0t,且令undefined,式(5)经拉普拉斯变换,转化为kR(s)=(m+b)s2X(s)+2csX(s)+kX(s),整理后得:
undefined。
其中:undefined,为无阻尼自然频率;undefined,为阻尼系数。
2ADAMS仿真实验
图2为机床爬行的ADAMS仿真模型图。
1-施力件;2-等效弹簧;3-工作台;4-导轨
2.1 工作台质量改变对爬行的影响
当驱动速度为80 mm/s,传动刚度为1 000 N/mm,系统阻尼为0.001 kg/s,动、静摩擦系数之差为0.3,工作台质量分别为10 kg、40 kg、100 kg时所得到的实验结果见图3。由图3可以看出:当其他主要参数不变,工作台质量由小到大变化时,三者的位移曲线重合;速度曲线图中,工作台质量越大时速度波动越小,出现的曲线震荡幅度越不明显;加速度曲线显示,工作台质量愈大,加速度的值愈接近于0值。这说明在其他主要参数不变时,工作台质量越大,导轨运行越稳定,出现爬行的现象就越不明显。
2.2 驱动速度的改变对爬行的影响
当工作台质量为40 kg,传动刚度为1 000 N/mm,系统阻尼为0.001 kg/s,动、静摩擦系数之差为0.3,驱动速度分别为20 mm/s、50 mm/s、100 mm/s时所得到的实验结果见图4。由图4可知:当其他主要参数不变,工作台所受到的驱动速度由小到大改变时,由于驱使速度的提高在相同的时间段内所达到的位移量依次变大;速度曲线图显示,当工作台所受到的驱使速度越大时,工作台的运行速度就越大,速度的变化波动也越大;从加速度曲线图可以看出,三条曲线都是围绕t轴上下波动,驱使速度愈大所出现的加速度的波动愈大。由此说明:在其他主要参数不变的情况下,仅仅改变驱使速度的值,工作台的运行均不平稳,对爬行现象的改进并未有太大的影响。
2.3 传动刚度改变对爬行的影响
当工作台质量为40 kg,驱动速度为80 mm/s,系统阻尼为0.001 kg/s,动、静摩擦系数之差为0.3,传动刚度分别为800 N/mm、1 500 N/mm、2 500 N/mm时所得到的实验结果见图5。由图5可以看出:当其他主要参数不变,工作台传动刚度越大,工作台达到临界速度所用的时间越少,越不容易出现爬行现象;三条速度曲线所体现的工作台运行状态都不平稳;加速度曲线相似。根据图5的曲线图可以得出如下结论:传动刚度越大,工作台越能更早地达到临界速度,使机床避免出现爬行。
2.4 系统阻尼的改变对爬行的影响
当工作台质量为40 kg,驱动速度为80 mm/s,传动刚度为1 000 N/mm,动、静摩擦系数之差为0.3,系统阻尼分别为0.000 5 kg/s、0.002 kg/s、0.01 kg/s时所得到的实验结果见图6。由图6可以看出:当其他主要参数不变,系统阻尼由小到大变化时,三条位移曲线重合;由速度曲线可以看出,系统阻尼越大工作台越能尽早地达到临界速度,三条曲线均未出现爬行;由三条加速度曲线看出,系统阻尼越大,加速度曲线波动越大,这说明工作台运行越不平稳,但不会出现爬行。
2.5 动静摩擦系数之差△f的改变对爬行的影响
当工作台质量为40 kg,驱动速度为80 mm/s,传动刚度为1 000 N/mm,系统阻尼为0.001 kg/s,动、静摩擦系数之差分别为0.3、0.2、0.1时所得到的实验结果见图7。由图7可以看出: 当其他主要参数不变,导轨与工作台的动、静摩擦系数之差△f为0.3时,工作台运行不平稳,出现爬行现象;当△f为0.2时,工作台运动不平稳,但没有出现爬行现象;当△f为0.1时,工作台运行平稳,没有出现爬行现象。这说明导轨与工作台的动、静摩擦系数之差△f越小,工作台运行就越平稳,工作台到达临界速度的时间就越短,越不容易出现爬行现象。
3结论
通过对机床爬行机理的理论分析,建立起爬行的简化的二元物理模型和数学模型。运用ADAMS软件对机床导轨进行动态仿真。通过动态仿真分析产生了各类数据图,根据实际的生产状况,改变一个或多个参数以达到最优的机床导轨参数模型来克服爬行现象。
参考文献
[1]曹东海,卢泽生.爬行物理模型的建立与仿真分析[J].机械工程学报,2004(11):107-111.
[2]苏丹.爬行机理的研究及计算机仿真[D].兰州:兰州理工大学,2007:9-20.
ADAMS运动学分析 篇8
关键词：ADAMS技术,回转窑传动系统,虚拟样机技术
回转窑是冶金、化工、建材等行业的关键设备，其结构主要由筒体、传动装置、支承装置、窑衬、窑尾密封装置、窑头罩及燃烧装置等部分组成。在生产过程中，窑体易产生不同程度的弯曲、扭转变形等。当变形超标时，很容易造成停窑事故。
回转窑传动装置是保证回转窑长期安全运转的重要部件，主要由电动机、减速器、大小齿轮和辅助传动装置组成。回转窑传动装置性能对整个回转窑性能的影响很大。因此对回转窑传动装置进行分析和研究是非常有必要和实用价值的。随着经济和社会的发展，传统的机械设计和研究方法已经不再满足现代设计和研究。为此本文采用采用运动学模拟与仿真技术对回转窑传动系统进行分析与研究。
1 回转窑传动系统三维模型的建立
为了达到动力学模拟和仿真，首先必须建立回转窑传动系统的三维实体模型。本文选用Pro/e来作为三维建模的主要工具。回转窑传动系统的建模主要是大齿圈和小齿轮的建模。而大齿圈和小齿轮均是直齿圆柱齿轮，所以建模时可以先拉伸得到一个齿，最后通过阵列来得到所有的齿。轮齿画完以后可以通过拉伸、旋转命令等逐步完善齿轮结构。传动系统其它部分的建模则主要用拉伸和旋转命令就完成。最后的建模结果如图1所示：
2 回转窑及其传动系统的运动学仿真
为了实现对整个回转窑机构的运动模拟、检验各构件的运动轨迹和运动情况及检查构件之间可能发生的干涉，需要在Pro/Mechanism环境下对整个回转窑进行了的运动学仿真。
2.1 回转运动学模型中运动副和驱动的定义
经过分析，回转窑运动学模型中的运动副主要有：小齿轮轴绕其自身轴线的转动副、小齿轮与小齿轮轴之间的刚性副、大齿圈绕其自身轴线的转动副、小齿轮与大齿圈之间的齿轮副、大齿圈与筒体之间的刚性副、托轮绕其自身轴线的转动副。
定义好各运动副，施加驱动。因回转窑的驱动来电机，经小齿轮传动给大齿圈，所以在小齿轮轴处添加一伺服电机驱动即可达到驱动整个系统的目的。最后的运动学仿真模型如图2所示：
2.2 回转窑运动学分析
对回转窑运动学模型进行仿真得到大小齿轮运动轨迹及速度曲线如图3和图4所示图线：
从图中可以看出大齿圈和小齿轮是匀速转动的，且两者的转动方向相反，这点是和理论结果一致的。再看两者的转速数值，小齿轮转速为50r/min，大齿圈转速为6.83r/min，两者比值7.317与两齿轮理论传动比7.524相接近。从这些数据来看，此次仿真结果与理论结果是一致的。
理论上大齿轮轮齿上一点的运动轨迹图线是一个圆形，而图4所示图线约为3/4个圆，是在仿真过程中设置的时间过短，图4也说明了运动学仿真结果与理论结果一致。
综上所述，本文所建立的回转窑传动系统模型及添加的各向约束是正确的。
3 结论
本文针对冶金、化工、建材等行业的关键设备———回转窑的传动系统，基于虚拟样机技术，利用ADAMS创建了大型回转窑传动系统模型。对实际工况进行分析后，在模型上添加系统约束，对所建立的回转窑传动系统模型进行了运动学分析，得到了与理论分析相符的运动学曲线，从而验证了所建了回转窑传动系统模型的正确性，为后续模型的动力学分析做好了准备。
参考文献
[1]贾志军.回转窑传动齿圈振动分析及处理方法[J].水泥工程, 2003.
ADAMS运动学分析 篇9
颚式破碎机是一种广泛应用于矿山、冶金、建材、化工等行业中工业原料破碎作业的重要设备。在矿山工程中, 多用来将开采的石料破碎, 以获得规定尺寸的矿石。在硅酸盐工业中, 则用来对水泥、石灰的固体原料、燃料和半成品进行各种破碎加工, 使其粒度达到各道工序的要求以便进一步加工操作或使用。按其工作原理, 颚式破碎机分为简摆型与复摆型两种。比较而言, 复摆型颚式破碎机结构更简单, 质量更轻, 破碎物料更均匀, 效率更高, 因而在中小型破碎作业中得到广泛应用。
颚式破碎机问世一百多年来, 经过一代又一代人的不断改进, 性能已得到巨大提升。其设计方法上也积累了大量宝贵的经验。目前国内多数破碎机生产企业沿用的, 也正是以这些经验为基础形成的、以经验公式、图表、设计手册为主要依据的传统设计方法。近几十年来, 计算机技术的广泛使用极大地促进了现代设计理论和方法的发展。因而, 如何将现代设计方法的最新成果引入颚式破碎机设计制造流程, 变破碎机的静态设计为动态设计, 定性设计为定量设计, 经验设计为科学设计, 成为一个值得高度关注的问题。
1 复摆型颚式破碎机的工作原理
电动机通过带传动驱动皮带轮, 皮带轮安装在一根偏心轴上, 带轮转动, 通过偏心轴的偏心段带动动颚板运动, 进入破碎腔内的物料受动颚板的挤压发生破碎, 并在重力作用下下落, 在下层破碎腔内再次破碎下落, 直至粒度达到要求后从出料口排出, 如图1 (a) 所示。
由上可知, 从运动学角度看, 复摆型颚式破碎机实质上可视为一种曲柄摇杆机构, 如图1 (b) , 其中偏心段充当曲柄, 推力板作摇杆, 而动颚板则机构中扮演作平面运动的连杆角色[3]。
2 复摆型颚式破碎机用常规设计法设计的不足
常规设计法被广泛应用于颚式破碎机的设计工作中, 通过常规设计出来的颚式破碎机, 一般在破碎力、强度、功率、生产能力等方面基本能满足要求。但是要进一步提升破碎机的综合性能, 常规设计法的不足就会显现出来。例如, 要提高设备的破碎精度和避免堵塞, 动颚板需要在运动学上定量满足以下三方面的核心要求: (1) 排料口尺寸b, 即动颚板下端运动时和定颚板的最大水平距离, 此值对应为破碎后矿料最大粒度; (2) 排料口水平行程Sx, 即动颚板运动时排料口尺寸变化范围, 此值对应为破碎后矿料尺寸的变动量; (3) 动颚板的工作面上从上到下各点的运动轨迹逐渐从近似圆形轨迹变成近似扁平椭圆轨迹, 如图2 所示。这样既可以实现矿料在破碎腔靠上部位受到充分挤压而破碎, 又可以实现矿料落至排料口附近时, 受动颚板下端点上下方向扁平椭圆运动的搓揉作用而向下运送通过排料口, 避免排料口的堵塞[4,5,6]。
由于工作时, 动颚板所作的是既转又移的平面运动, 故作为静态设计的常规设计法难以精确把握其运动规律, 无法确保实现上述三点要求。
3 ADAMS环境下产品机构运动学分析及尺度优化的基本思想
ADAMS是一款应用广泛的虚拟样机分析软件。其对虚拟机械系统进行静动力学分析、运动学仿真中的设计功能十分强大, 相比其他同类软件具有明显的优势。尤其在机械产品的方案设计, 亦即机构设计阶段, ADAMS能发挥出更加显著的作用。 通过使用ADAMS运动仿真功能, 可以方便直观地检验机构的功能实现。利用ADAMS优化设计功能, 还能实现机构的尺度优化。本文尝试将这一基本思想引入破碎机挤压机构的设计, 以期克服常规设计之不足, 有效提升破碎机的综合性能。
4 ADAMS环境下破碎机的机构运动学分析及尺度优化算例
以主参数600×900 的复摆型颚式破碎机为例, 根据假定矿石特性规定:排料口尺寸b=90 mm, 排料口水平行程Sx=17~20 mm, 动颚板的工作面上从上到小各点的运动轨迹逐渐从近似圆形轨迹变成近似扁平椭圆轨迹。应用上节方法对机构运动学分析及尺度优化, 使之满足这几点要求。
(1) 按传统经验进行常规正向设计, 初定机构几何模型
按设计手册提供的经验公式和参数取值范围初步进行机构设计, 确定机构几何模型基本形式和尺度, 如图3所示。
图中, 多边形AEFHI为动颚板外形, 由于动颚板是破碎功能直接执行件, 尺寸庞大, 结构复杂, 过度简化将引起仿真结果的较大偏差, 所以尽量将其实际外形保留, 并且在动颚板工作面上从上到下等间距布置A、B、C、D、E五个观测点, 用于描述动颚板运动轨迹。杆IK表示偏心轴, 杆GJ代表推力板, 这里只确定推力板GJ的长度, 而铰链点J的确切位置并未定死, 作为优化中的设计变量处理。
(2) ADAMS环境下的虚拟样机构建
对应于机构参数简图, 在ADAMS环境下依次进行几何建模, 约束添加, 载荷施加, 完成破碎机虚拟样机建设, 如图4所示。
(3) ADAMS环境下进行运动学仿真分析和优化
设推力板GJ位置为设计变量, 测量E点水平位移量Sx=70~90 mm为目标, 进行优化并进行运动学仿真分析。结果如下:
J点坐标取在 (1328, -1035, 0) 时, 机构运动最佳。
动颚板A、B、C、D、E五个观测点运动轨迹如图5所示。
由于原仿真各点轨迹线大小很小, 易被遮挡, 所以这个作了放大处理。
可以看出:动颚板的工作面上从上到下各点的运动轨迹, 满足逐渐从近似圆形轨迹变成近似扁平椭圆轨迹的要求。
图6为动颚板排料口水平方向位移图。
由图可知, 排料口尺寸b约为90 mm, 排料口水平行程Sx在70~90 mm范围内变动, 符合要求。
5 结语
仿真分析表明:利用ADAMS运动学仿真分析和优化的方法, 可以在破碎机设计初始方案阶段, 对机器的工作状态实现精确的把握, 使得不同个体方案间的取舍以及个体方案参数优化, 有了操作简便、结论科学的依据。对于在整个设计过程中, 减轻设计师的工作量, 少走弯路, 有着显著的指导作用。该方法将现代设计方法在破碎机设计中合理应用, 克服静态常规设计之局限性, 有利于提升破碎机的综合性能。
参考文献
[1]廖汉元.腭式破碎机[M].北京:机械工业出版社, 1995.
[2]郭年琴.颚式破碎机现代设计方法[M].北京:冶金工业出版社, 2012.
[3]窦照亮, 董为民.颚式破碎机工作装置的运动仿真研究[J].矿山机械, 2009, 37 (23) :82-84.
[4]刘长福.颚式破碎机的运动学及动颚和机架的仿真与优化[D].太原:太原理工大学, 2012.
[5]赵丽梅.基于Recur Dyn的颚式破碎机工作装置运动学分析[J].矿山机械, 2012, 33 (3) :99-101.
ADAMS运动学分析 篇10
随着科技的发展,计算机辅助设计技术越来越广泛地应用于各个设计领域。现在它已逐渐转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的机械系统动态仿真技术。机构的运动分析及仿真也就是对机构的位移、速度、加速度、轨迹进行计算机动态仿真分析,根据原动件的运动规律,求解出从动件的运动规律。由于机构的复杂性,用传统的方法分析机构,不但费时而且精度也低。三工位隔离开关是用于电气回路接通、隔离和接地的电气设备,它对于电网的运行质量具有较大的影响,而在三工位隔离开关机构中的指示机构不仅起着分、合闸指示的作用,更为重要的是它还控制着机构中部分的电气零件(如辅助开关),起着电气控制装置的作用。如指示机构运动不到位,将使整个隔离开关机构产生动作上的偏差,使隔离开关失去应有的作用,直接危害电网的正常运行,所以有必要对其进行研究分析。文中主要以三工位隔离开关中的指示机构为例,采用强大的三维软件UG进行计算机建模,然后导入到著名的多体动力学仿真软件ADAMS中进行仿真,求解计算机模型,获得精确的机构运动参数,用图形和动画来模拟机构的实际运动过程,从而可以清楚地观察到机构任意时刻的运动状况,这是采用传统方法分析所不能比拟的,同时也为设计和实际的分析提供了更可靠的理论依据。
1 机构三维模型的建立
要进行机构的3D仿真分析,首先要建立它的3D模型,把零件的几何形状属性等描述清楚,UG采用的是“复合建模”工具,结合了传统建模和参数建模的优点,具有全相关的参数化功能,引入了特征操作的方式,可用表达式直接控制并驱动三维模型,同时它与其他软件具有较好的接口功能,故文中采用此软件来建立所需分析的机构零件的三维模型;然后在UG装配建模中进行机构的虚拟装配,考虑到关心内容及仿真的方便,特做如下假设:(1)个别运动副内的摩擦忽略不计;(2)各运动副均为刚性连接,内部间隙不计;(3)忽略部分非关键的零件,只保留机构关键部分为研究对象,并根据具体情况对结构给以适当的合理简化。经简化后,研究的对象模型如图1所示。
1、3、5、6、7-连杆2-销4、8-辅助开关芯轴9-滑动销10-转动盘11-转轴12-机架13-指示轴
销2用于连杆之间的连接,转轴11为所研究机构的输入轴,连杆5和连杆7控制电气转换开关4、8的芯轴转动,指示轴13用于指示装置的输出,控制指示装置的转换动作。研究对象要求转轴11转动±90°时,连杆5和连杆7要同步转动±60°,以保证其中心位置的辅助开关芯轴4和8能同时实现电气的转换控制,指示轴13要转动±25°,以保证指示装置的正确显示。其中最为关键的是连杆5和7的转动角度,因为它们分别直接安装在控制着三工位隔离开关的电器——辅助开关的芯轴4和8上,并以辅助开关芯轴4和8为其转动中心,直接起到控制辅助开关动作的作用,所以它的动作质量直接影响到三工位隔离开关的电气特性。以下就针对此机构进行动态的仿真分析和研究,以求出最优的方案,获得最佳的机构特性。
2 机构的动态仿真分析
首先根据以上建立的机构三维模型,将其导入到多体动力学仿真软件ADAMS中;然后分别设定各零件的材料,建立仿真所需的设计点,并根据机构的实际运动特性在计算机模型上建立相应的虚拟运动副;在转轴11上建立驱动力,力的大小由三工位机构的电机功率、内部主机构中电机到转轴11的传动链及其传动效率等计算得出;分别建立转轴11、指示轴13、连杆5及连杆7转动角度的测量变量,根据转轴11的角度测量结果建立相应的虚拟传感器,再结合驱动力建立相应的转动角度函数,控制转轴11转动±90°时的响应状态。根据实际中机构的运转情况和希望求得的数据选择一个适当的仿真时间、步数及仿真环境,即可开始仿真[1]。设定仿真时间tend=1 s,仿真步数为20,仿真后得出如图2、图3所示的各角度的测量曲线变化图。
从两曲线图可见,当转轴11转过±90°时,连杆7基本上能转过±60°,而连杆5的误差在±5°,指示轴13的误差在±2°。对于指示轴13的转动误差,由于它仅起指示的作用,所以其小范围内的转角变化对机构是允许的;而连杆5、7的转动角度是此机构的关键数据,结合实际中三工位机构的控制电路情况,转角误差±5°不能很好地满足三工位的电器控制要求,容易引起由连杆5、7所控制的电气转换开关转换不到位的现象,且从两图中还可以看出连杆5、7无论是顺时针还是逆时针方向,其转动均没有同步到位,与实际中所设计的机构运动要求不一致,所以连杆5的转动角度需要改善。如果调整连杆5的转动角度,则势必影响到指示轴13的转动情况,人工的计算求解就显得相当的困难和复杂,所以在此选择了应用ADAMS的样机参数化分析功能——“优化分析”,利用计算机来求解[2]。综合分析整个机构,由于连杆7已经基本符合设计意图,则其尺寸就可以不用调节,根据连杆机构的运动特性原理,为使连杆5和指示轴13的转动角度同时满足设计要求,在连杆1、3、5、6间分别建立相应的设计点和设计变量,控制它们的尺寸变动,并分别给予适当的变动范围(注意根据四连杆机构的运动特性原理,连杆1、3的尺寸变动范围应避免出现“死点”位置),给定所需要满足的设计条件(连杆5转动±60°、指示轴13转动±25°),建立相应的目标函数,运行“优化分析”,由分析程序求取出目标函数各变量所取的最优值,即各杆所取的最优尺寸。图4为优化后转轴11转过+90°时的连杆5、7及指示轴13转动角度曲线图。
由图4可见,连杆5和7已经基本同步,且均达到了设计预期的转动角度(60°),指示轴13也基本上达到了转动25°的要求,可见经过优化后各杆或轴的转动角度都得到了很好的改善,当然此曲线图只是理论上的理想样机各尺寸取最优的情况,实际生产中可根据优化后得出的尺寸,并控制好零件的加工精度,机构就可以很好满足实际机构的运动特性要求。
3 结语
在机构设计中,可通过合理的计算机软件对机构进行相应的仿真分析,研究机构的运动特性,以得出合理的参数和结构。同时也可尽早地发现设计中的错误,从而减少物理样机的出错机率,降低制造物理样机的成本,从而提高设计的质量和速度。可以看出ADAMS软件能很好地对机构进行动力学研究分析,取得令人满意的效果,对机构设计、技术积累、技术创新起到了重要作用。它利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分—代数方程,求解算法稳定,对刚性问题十分有效,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,后处理程序可以输出位移、速度、加速度和反作用曲线以及动画仿真,可以很好地实现机械系统的参数化设计和优化分析,提高机械系统的性能。可见随着工程技术人员对ADAMS软件的深入掌握,可以有效地提高工程技术人员设计开发新产品的能力,缩短物理样机的试制时间,减少或避免因设计带来的物理样机返修现象。
参考文献
[1]郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001.