基于ADAMS的凸輪機構(gòu)分析與動態(tài)仿真

摘 要：對凸輪機構(gòu)進行理論分析，在ADAMS軟件環(huán)境下建立凸輪機構(gòu)仿真模型，并進行運動學仿真分析，揭示其機構(gòu)運動規(guī)律和狀態(tài)。通過仿真分析得出了凸輪機構(gòu)的位移、速度、加速度和力隨時間的變化規(guī)律曲線，為凸輪機構(gòu)尺寸合理設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供一種有效方法。使設(shè)計人員在物理樣機建造之前能快速、直觀分析其性能，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，節(jié)省了時間和成本。

關(guān)鍵詞：ADAMS；凸輪機構(gòu)；動態(tài)仿真 中圖分類號：TH112.2文獻標識碼：A

Analysis and Dynamical Simulation of Cam Mechanism Based on ADAMS

TANG Qiong

（School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001，China)

Abstract:Theoretical analysis of cam mechanism was carried out， and kinematical simulation was made on the basis of model of cam mechanism constructed in ADAMS software environment， in order to discover motion regularity and states of the mechanism. The curves of displacement of cam mechanism， its velocity， acceleration and force with time were obtained by kinematical simulation analysis. It provides an effective method for size reasonable design and structure optimization of cam mechanism. With the method designers can analyze performance of cam mechanism rapidly and intuitively before physical prototype to be made， improving design efficiency and quality， saving time and cost.

Key words:ADAMS; cam mechanism; dynamic simulation

凸輪機構(gòu)是一種主要的驅(qū)動和控制機構(gòu)，可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動要求， 適當?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線， 就可以使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律^［1］。 它的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠， 成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中常見的機構(gòu)之一，在機床、輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、工程機械、內(nèi)燃機、汽車等機械中有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計方法有圖解法和解析法。圖解法設(shè)計凸輪輪廓線原理簡單、直觀易行， 但誤差較大，不適合高速運行的場合；解析法設(shè)計凸輪輪廓線精度較高， 但若想要得到凸輪實際的完整輪廓曲面，其推導(dǎo)過程復(fù)雜， 單個凸輪機構(gòu)的設(shè)計就需要編制復(fù)雜的程序，計算機程序編程難度較大，限制了解析法的應(yīng)用^［2-3］。

虛擬樣機技術(shù)是當前設(shè)計制造領(lǐng)域的新興技術(shù)，運動機構(gòu)的虛擬仿真己成為機械設(shè)計創(chuàng)新的有力工具，運用虛擬仿真可以提高產(chǎn)品設(shè)計的直觀性和生動性， 增強產(chǎn)品的競爭力^［4-5］。為此， 用運動學和動力學分析軟件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）^［6］ ，利用其豐富的建模工具和強大的運動學、動力學分析功能，方便、快速、高精度地設(shè)計尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)的新方法，為凸輪機構(gòu)更廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。完成尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計和實體造型， 并對其進行運動分析和仿真， 縮短了凸輪的設(shè)計周期并提高了設(shè)計質(zhì)量， 為凸輪機構(gòu)的設(shè)計分析提供一種有效的新方法。

本文根據(jù)要求對凸輪機構(gòu)進行理論分析，通過ADAMS對其建立仿真模型，并添加約束與運動，實現(xiàn)在ADAMS環(huán)境下對凸輪機構(gòu)進行仿真分析，得出相關(guān)的測試曲線，著重分析運動過程中的速度與加速度特性等主要參數(shù)。建立三維實體模型，凸輪系統(tǒng)性能，為物理樣機的設(shè)計和制造提供參考依據(jù)。

1 凸輪機構(gòu)設(shè)計仿真實例分析

在ADAMS環(huán)境下進行凸輪機構(gòu)的動態(tài)仿真，參數(shù)設(shè)置如下：尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)的凸輪基圓半徑r0=60 mm，從動件行程h=40 mm，推程運動角δ0=150°，遠休止角δs=60°，回程運動角δ0′=120°，近休止角為δs′=30°；從動件推程、回程分別采用余弦加速度和正弦加速度運動規(guī)律^［7］，對該凸輪機構(gòu)進行模擬仿真分析。

1.1 從動件推程運動方程

從已知條件可知，從動件在推程采用余弦加速度運動規(guī)律，由機械原理可得運動方程為

s=h[]2[SX)]［1-cos(π[]δ0δ)］

v=πhω[]2δ0[SX)]sin(π[]δ0δ)

a=π2hω2[]2δ20[SX)]cos(π[]δ0δ)

式中：s為從動件位移；v為速度; a為加速度; ω為角速度; h為行程;δ為轉(zhuǎn)角; δ0為推程運動角

將δ0=150°=5π/6，h=40 mm代入余弦加速度運動規(guī)律的推程段方程式中，得到

s=20(1-cos6[]5[SX)]δ)

v=24ωsin6[]5[SX)]δ

a=28.8ω2cos6[]5[SX)]δ(0≤δ≤5π/6)

從動件遠休程運動方程在遠休程δs段，即5π/6≤δ≤7π/6時，s=h，v=0，a=0。

1.2 從動件回程運動方程

從動件回程作正弦加速度運動的方程為

s=h［1-δ[]δ′0[SX)]+1[]2πsin(2π[]δ′0δ)］

v=-hω[]δ′0[SX)]［1-cos(2π[]δ′0δ)］

a=-2πhω2[]δ′20[SX)]sin(2π[]δ′0δ)

因回程段采用正弦加速度運動規(guī)律，將δ0=150°=5π/6，h=40 mm代入正弦加速度運動規(guī)律的回程段方程式中，得到

s=40×［2.75-3[]2πδ+1[]2πsin(3δ-3.5π)］

v=-60[]πω［1-cos(3δ-3.5π)］

(7π/6≤δ≤11π/6)

a=-180[]πω2sin(3δ-3.5π)

從動件近休程運動方程δs′在近休程段，即11π/6≤δ≤2π時，s=0，v=0，a=0 。

2 建模與仿真

運用運動仿真進行裝配的運動學分析和仿真， 使得原來在二維圖紙上難以表達和設(shè)計的運動變得非常直觀和易于修改， 并且能夠大大簡化機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，可以檢查機械運動中是否達到設(shè)計要求， 運動仿真的結(jié)果以動畫的形式表現(xiàn)出來， 還可以以參數(shù)的形式輸出，從而獲知零件之間是否干涉，干涉的體積有多大等問題。下面對凸輪機構(gòu)分析其從動件的運動軌跡及其速度、加速度、力等。按照前面所給的參數(shù)在ADAMS環(huán)境下進行凸輪機構(gòu)建模（見圖1），創(chuàng)建過程主要包括以下幾個步驟：

(1) 用升程表創(chuàng)建凸輪輪廓曲線；

(2) 創(chuàng)建凸輪實體；

(3) 創(chuàng)建尖頂從動件；

(4) 創(chuàng)建凸輪和尖頂從動件之間的接觸；

(5) 創(chuàng)建移動副和旋轉(zhuǎn)副；

(6) 創(chuàng)建驅(qū)動，完成運動的設(shè)置；

(7) 測試模型。

圖1 凸輪機構(gòu)的仿真模型圖

3 結(jié)果后處理

運行過仿真計算后，計算處理運動副上的位移、速度、加速度、作用力和作用力矩等數(shù)據(jù)，及Marker點的位移速度和加速度等數(shù)據(jù)，可以直接在Adams/View中進行簡單地查看以上數(shù)據(jù)信息，也可以到數(shù)據(jù)后處理模塊對計算的數(shù)據(jù)做進一步處理及比較。進入后處理模塊，得出凸輪機構(gòu)的位移、速度、加速度、力曲線，相應(yīng)曲線關(guān)系及規(guī)律。進一步進行凸輪機構(gòu)從動件的運動規(guī)律和運動特性仿真， 以及凸輪旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)副的受力情況分析，這一過程在ADAMS/View環(huán)境中按照Build→Measure→Point-to-Point步驟進行， 測量出尖頂從動件頂端相對凸輪轉(zhuǎn)動中心( 坐標原點) 的位移、速度和加速度特性， （見圖2～圖4）。同理， 也可以定義凸輪旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)副和機架之間受力情況的測量， 測量出工作過程中機架與凸輪的相互作用力（見圖5）。由凸輪機構(gòu)建模仿真的分析結(jié)果可以知道，設(shè)計與實際工作情況相符，能滿足實際工作要求。根據(jù)設(shè)計需要和要求，進行其它仿真，以便得到更多的運動特性曲線。通過對凸輪機構(gòu)仿真結(jié)果的分析，對其運動規(guī)律和幾何參數(shù)進行修改和優(yōu)化， 直到得到滿意的結(jié)果。

通過多體動力學仿真軟件ADAMS環(huán)境下建立凸輪機構(gòu)三維實體模型，運用虛擬樣機技術(shù)的運動學仿真進行運動分析，得出了相關(guān)的曲線；使機構(gòu)的造型形象化、可視化，也使得整個的仿真過程在精確、高效的基礎(chǔ)上更加形象、生動，可以準確地掌握凸輪機構(gòu)的位移、速度、加速度和力等運動學參數(shù)，了解機構(gòu)的運動狀態(tài)，分析機構(gòu)動作的可靠性，驗證了凸輪曲線運動特性的正確性。

t/s

圖2 尖頂直動從動件上頂點的時間-位移曲線圖

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圖3 尖頂直動從動件上頂點的時間-速度曲線圖

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圖4 尖頂直動從動件上頂點的時間-加速度曲線圖

t/s

圖5 凸輪上旋轉(zhuǎn)副的受力-時間曲線圖

4 結(jié)論

本文在ADAMS環(huán)境下進行了凸輪機構(gòu)的建模和仿真設(shè)計分析，得到了相關(guān)特性分析曲線，可以直觀形象的分析凸輪機構(gòu)性能的優(yōu)劣，避免了圖解法和解析法的繁瑣和缺點， 保證了設(shè)計的精確度， 提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量， 縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

對凸輪機構(gòu)進行多種設(shè)計方案、各種性能進行測試評估、模擬仿真，在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)問題， 解決問題， 不斷改進， 得到最好的性能和最優(yōu)化的方案。另外，利用這種虛擬樣機技術(shù)，快速地建立凸輪機構(gòu)的動力學仿真模型， 可為物理樣機的設(shè)計制造提供設(shè)計依據(jù)。此方法簡便快捷，實用性較強，而且效果較好。

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(責任編輯：李 麗)