基于ADAMS的模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

高麗麗

（上海理工大學(xué) 上海 200093）

模切機(jī)是印刷包裝行業(yè)壓制紙盒、紙箱等紙制品的專用設(shè)備，是印刷包裝行業(yè)中重要的表面裝飾加工設(shè)備。而肘桿機(jī)構(gòu)是壓模燙印部分的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響印刷品的模切精度和整機(jī)速度。由于肘桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)既有轉(zhuǎn)動(dòng)副又有移動(dòng)副的復(fù)雜的十桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)特性分析起來比較復(fù)雜。采用計(jì)算機(jī)仿真的手段來分析機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度，為肘桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)和參考。對(duì)雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，主要有圖解法和解析法等。圖解法需要反復(fù)作圖，較直觀、方便，但是精度不高，而解析法人工計(jì)算工作量大，容易出錯(cuò)。ADAMS軟件是虛擬樣機(jī)技術(shù)典型的應(yīng)用軟件，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)模切機(jī)雙肘機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，與傳統(tǒng)的平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析方法如圖解法和解析法相比，用ADAMS求解平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)具有精度高、速度快等特點(diǎn)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的本質(zhì)為求解機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件與輸出構(gòu)件之間的位置、速度和加速度的映射關(guān)系。

1 建立模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)及模切原理

在Pro/E中建立雙肘桿機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

圖1 雙肘桿機(jī)構(gòu)的三維模型

模切機(jī)的工作原理是通過上、下平臺(tái)接觸對(duì)壓完成模切工作。模切機(jī)的上平臺(tái)固定不動(dòng)，下活動(dòng)模切平臺(tái)由雙肘桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)。在模切機(jī)整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，由于雙肘桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間由鉸鏈相連，與之相連的動(dòng)平臺(tái)不是直上直下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而是“左右搖擺，上下起伏”地完成一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。可見，雙肘桿機(jī)構(gòu)工作性能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)劣，對(duì)模切機(jī)的速度、精度及其穩(wěn)定性都有較大影響。雙肘桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 雙肘桿機(jī)構(gòu)簡圖

由圖2可知模切機(jī)雙肘桿是由曲柄EOF、連桿DF和CE、上肘桿CG和DH、下肘桿CA和DB以及動(dòng)平臺(tái)GH組成，各桿的長度(單位：mm)分別為曲柄轉(zhuǎn)速ω=9.376 rad／s。

2 模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)的仿真

為了對(duì)雙肘桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)態(tài)特性有更多的了解，需要得到模壓活動(dòng)平臺(tái)以及各個(gè)桿的速度、加速度數(shù)據(jù)，在此應(yīng)用ADAMS導(dǎo)入的雙肘桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在ADAMS虛擬仿真環(huán)境中 ADAMS根據(jù)系統(tǒng)導(dǎo)入的模型自動(dòng)建立拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)每個(gè)剛體列出6個(gè)廣義坐標(biāo)帶乘子的拉格朗日方程及相關(guān)的約束方程：

首先在Pro/E中建立雙肘桿機(jī)構(gòu)的模型，另存為 x_t 格式的文件，然后導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真，首先選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系與單位，調(diào)整視圖的位置，應(yīng)用工具箱添加各個(gè)約束和驅(qū)動(dòng)，其中曲柄為主動(dòng)件，在其上添加運(yùn)動(dòng)，設(shè)定速度。模壓活動(dòng)平臺(tái)與滑塊間采用滑移副約束，其余桿件采用旋轉(zhuǎn)副約束。在曲柄與地連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度為曲柄轉(zhuǎn)速ω=9.376 rad／s。創(chuàng)建完成后的雙肘桿機(jī)構(gòu)仿真模型如圖3所示。曲柄EOF順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再點(diǎn)擊仿真分析命令(simulation)，設(shè)定動(dòng)畫仿真的時(shí)間和步數(shù)，就可以進(jìn)行動(dòng)畫仿真了。

圖3 雙肘桿機(jī)構(gòu)仿真模型

3 仿真結(jié)果及圖形處理

以動(dòng)平臺(tái)和下肘桿為例，查看仿真結(jié)果曲線，進(jìn)入ADAMS仿真后處理器點(diǎn)擊后處理器中的（blocktracking）可測得任意時(shí)間對(duì)應(yīng)的角位移、角速度、角加速度，并能直接取出最大和最小值。圖4為動(dòng)平臺(tái)傾斜轉(zhuǎn)角曲線，從曲線可以看出動(dòng)平臺(tái)左右擺動(dòng)的幅度情況，圖5為動(dòng)平臺(tái)滑動(dòng)位移曲線。

圖4 動(dòng)平臺(tái)傾斜轉(zhuǎn)角曲線

圖5 動(dòng)平臺(tái)滑動(dòng)位移曲線

從圖4和圖5中可以看出，盡管平臺(tái)傾斜角度很小，但模壓平臺(tái)確實(shí)存在著左右擺動(dòng)，這是影響其加工精度的重要因素之一。同時(shí)，在圖5中還可以看到其運(yùn)動(dòng)的范圍及極限位置，為安裝和調(diào)試帶來了便利。通過仿真，可以分析其運(yùn)動(dòng)的一些特性，這種手段不需要工程人員掌握復(fù)雜的解析法或數(shù)值分析等方法去分析其運(yùn)動(dòng)，也不需要多少仿真知識(shí)就可以輕易地對(duì)其運(yùn)動(dòng)作精確的定性和定量分析，從而指導(dǎo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，十分便捷，提高了雙肘桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

以下為以肘桿為例繪制的仿真運(yùn)動(dòng)曲線，如圖6、圖7、圖8分別記錄了下肘桿AC和BD的角位移、角速度和角加速度的隨時(shí)間變化的曲線。

圖6 下肘桿AC和BD的角位移

圖7 下肘桿AC和BD的角速度

圖8 下肘桿AC和BD的角加速度

機(jī)構(gòu)的兩下肘桿在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的角速度和角加速度曲線呈反對(duì)稱，即當(dāng)桿AC的位移、速度和加速度增大時(shí)，桿BD的位移、速度和加速度就減小，反之亦然。另外，從變化幅值上看，整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)兩下肘桿的位移、速度和加速度變化較為平緩，符合模切機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4 結(jié)語

通過分析模切機(jī)雙肘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和曲線后可以得到：

(1)模壓活動(dòng)平臺(tái)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中并不是始終沿豎直方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而是“左右搖擺、上下起伏”地完成一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。其傾斜角和水平方向位移只在最高點(diǎn)位置附近和最低點(diǎn)處為零，其它位置兩者都不為零，水平方向的位移和傾斜角度越大，則平臺(tái)和導(dǎo)向滑塊之間的作用力就越大。模壓活動(dòng)平臺(tái)左右擺動(dòng)的角度最大值為0.686 7°，動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)的最大值為60.122 mm。

(2)從提高機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的角度看，最佳狀態(tài)是模切機(jī)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)平臺(tái)始終與上平臺(tái)保持平行，而沒有水平方向的偏移和傾斜角度，由于各構(gòu)件之間由鉸鏈相連，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性就會(huì)決定動(dòng)平臺(tái)不是直上直下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在滿足工藝要求的前提下應(yīng)盡量減小動(dòng)平臺(tái)的自由行程(指動(dòng)平臺(tái)從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)位置所經(jīng)過的位移)，降低動(dòng)平臺(tái)水平方向的偏移和傾斜角，以提高模切速度、精度和整機(jī)的穩(wěn)定性。

[1] 張選生，柴三中，成剛虎，等.用回路法分析自動(dòng)模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)[J].包裝工程，2005，26(6)： 51－53．