基于ADAMS的精壓機工作機構(gòu)的運動分析

摘要：文章所述研究結(jié)合精壓機的工作特征，對如何借助ADAMS軟件工具進行精壓機工作機構(gòu)的建模與運動學(xué)仿真進行了分析和討論。隨后，將仿真結(jié)果與理論進行對比，以此證實仿真的準(zhǔn)確性和有效性。實踐結(jié)果表明，該方法有利于設(shè)計周期和設(shè)計經(jīng)費的壓縮，具有廣闊的發(fā)展前景和較高的工程實用價值。

關(guān)鍵詞：ADAMS；精壓機；工作機構(gòu)；運動分析

中圖分類號：TG305 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0054-03

1 概述

作為少、無切削工藝的一類，精壓工藝包括體積、平面精壓兩種類型。平面精壓能夠使沖壓件、鍛件的表面精度得到提升，并使其高度尺寸更為精確；體積精壓則可以使沖壓件、鍛件獲得較高的表面精度和更為精確的重量。精度高、工件變形量小是精壓工藝的兩大特點，所以在進行精壓機的設(shè)計工作時，應(yīng)注意確保剛度的合理性，并讓工作速度趨于平緩，同時使工件加壓時間得到相應(yīng)的延長，所配備的裝模高度調(diào)整設(shè)備也要更為可靠。其原因在于，更小的滑塊行程不僅同樣可以滿足精壓機精壓工件的需求，而且還能夠大幅減少能耗，有利于生產(chǎn)成本的進一步下降。為了使設(shè)計成果在尺寸與形式方面都更為合理，實驗研究是必不可少的內(nèi)容，而對于仿真分析模型的實驗分析，則可以為不同工況的分析以及改型設(shè)計提供更多的依據(jù)，并且有效減少物理實驗所需費用和復(fù)雜計算的工作量。所以，對于后續(xù)物理模型的設(shè)計工作而言，實現(xiàn)一種基于仿真的數(shù)字模型，無論是對于工作效率的提升還是經(jīng)費的節(jié)約，都將發(fā)揮出積極的推動作用。正是基于仿真分析模型的這些優(yōu)點，我們借助ADAMS軟件進行關(guān)于精壓機工作結(jié)構(gòu)運動的仿真分析，以期為今后相關(guān)研究及實踐活動的開展提供一定的參考和借鑒。

2 精壓機工作結(jié)構(gòu)運動的仿真模型構(gòu)建

2.1 精壓機工作機構(gòu)的選擇

為了最大程度降低精壓工藝的工作行程以及精壓機工作機構(gòu)對于彈性變形的要求，我們選擇了曲柄肘桿，其特點是滑塊的形成較小，由兩肘桿承受絕大部分的工作變形力，連桿的受力因此得到顯著的下降，同時，肘桿的長度也可以得到有效控制。

曲柄肘桿機構(gòu)按照運動、受力情況的差異，可以分為單次行程通過一次、兩次下死點以及連桿在工作狀態(tài)下承受壓力、拉力這四種基本類型。其中，單次行程通過兩次下死點的類型可以讓工件受壓時間更長，使其更容易成型。不過，壓力機的工作效率在下死點附近時相對較低，也就是說，保壓時間的延長會在一定程度上導(dǎo)致壓力機效率降低的問題。從連桿受力改善的角度來看，連桿承受壓力的形式無疑是有益的，但是在這種結(jié)構(gòu)下，連桿的長度相對較短，連桿系數(shù)約為1/3，所以無論是工作滑塊的速度變化還是曲軸的扭矩都必然得到相當(dāng)程度的提升。因此，選擇連桿在工作狀態(tài)下承受壓力、單次形成通過兩次下死點的類型能夠獲得更好的效果，詳見圖1：

2.2 建立模型

ADAMS虛擬樣機分析軟件集可視化、求解、建模技術(shù)于一體，是當(dāng)前世界范圍內(nèi)使用最為廣泛也是最著名的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，它通過力庫、約束庫、零件庫以及交互式圖形環(huán)境等讓機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿繀?shù)化的模型，而多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中拉格朗日方程的運用則讓求解器對于系統(tǒng)動力學(xué)方程的構(gòu)建成為了可能，通過運動學(xué)、動力學(xué)、靜力學(xué)等方面的分析，最終完成對所虛擬機械系統(tǒng)的位移、加速度、速度、反作用力曲線等測試結(jié)果的輸出。無論是機械系統(tǒng)的峰值載荷、性能與運動范圍的預(yù)測，還是碰撞檢測工作，我們都可以借助ADASM軟件的仿真能力對結(jié)果加以預(yù)測。

軟件的基本模塊主要包括用戶界面（ADAMS/View）、處理器（ADAMS/Solver）以及后處理三個部分，其中，用戶界面模塊的作用是通過所提供的對話環(huán)境方便用戶進行各種操作。同時，該模塊也具備在正式分析前對相關(guān)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、設(shè)置虛擬樣機的分析參數(shù)，提供與其他應(yīng)用程序的接口等功能。

通過ADAMS軟件，我們可以直接實現(xiàn)對簡單幾何模型的建模，如果模型相對復(fù)雜，則可通過其他的三維建模軟件先進行預(yù)處理，再將其導(dǎo)入ADAMS以施加各類作用和約束力。結(jié)合本次研究所涉及模型的實際情況，我們直接通過ADAMS軟件建模，詳見圖2：

3 針對精壓機工作機構(gòu)的運動分析

結(jié)合圖1，我們將曲柄OA設(shè)為R，將連桿AB設(shè)為L，肘桿BC=BD設(shè)為l。圖中實線所示為曲柄轉(zhuǎn)角為α?xí)r的位置。若BC、BD處在同一條直線上，那么滑塊到達下死點D0。而當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)為α角時，滑塊則到達D點，此時的位移S=D0D。由圖我們可以得出。

在公式中，α的值未知，當(dāng)我們賦予其不同值時，就會得出與該值相對應(yīng)的S的值，隨后，再借助包括求導(dǎo)在內(nèi)的一系列計算，就可以得出滑塊的速度和加速度。若結(jié)果表明滑塊的這些參數(shù)未能達到設(shè)計要求，工作人員就需要對相關(guān)條件進行重新調(diào)整，并再次計算滑塊在調(diào)整后的運動特性。

ADAMS軟件可以免去因反復(fù)調(diào)整設(shè)計參數(shù)而帶來的大量計算任務(wù)，設(shè)計人員只需要對仿真模型的特定參數(shù)進行修正，計算機就會通過軟件的運動仿真功能，完成對不同工況和條件下精壓機工作機構(gòu)運動特征的計算和反饋，使設(shè)計人員能夠更加快速和方便地對自己的設(shè)計成果進行檢驗，更好地實現(xiàn)確保設(shè)計成果科學(xué)性和合理性的工作目標(biāo)。

在本次研究中，我們對相關(guān)參數(shù)進行了如下選擇：R=170mm，α=1130mm，L=1297mm，l=600mm。在輸入數(shù)據(jù)后，軟件就會自動進行針對精壓機工作機構(gòu)運動的仿真分析，并最終將系統(tǒng)不同構(gòu)件的位置、速度、加速度與時間函數(shù)的關(guān)系反映出來。由于構(gòu)件的受力變形是分析工作可以忽略的內(nèi)容，因此建模與幾何參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性就成為了決定仿真精度的重要指標(biāo)。圖3、圖4、圖5分別為精壓機滑塊運動的位移、速度與加速度曲線。

4 結(jié)語

在采用常規(guī)方法開展的精壓機設(shè)計工作中，設(shè)計人員不得不通過手工的方式對設(shè)計參數(shù)進行反復(fù)的修改以便最終獲得令人滿意的設(shè)計成果，這種做法不僅會導(dǎo)致重復(fù)工作的大量進行，而且也不利于設(shè)計結(jié)果精確性的有效保障。在本次研究中，我們對于精壓機工作機構(gòu)的設(shè)計借助了ADAMS軟件的建模與仿真分析等功能，并通過理論分析與仿真結(jié)果之間的對比來驗證仿真分析的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，與制造物理樣機的方式相比，通過ADAMS軟件的建模與仿真分析功能，可以使精壓機工作機構(gòu)設(shè)計成果的性能檢測更加簡捷，分析結(jié)果也更為準(zhǔn)確，這樣一來，設(shè)計人員就得以借助仿真實驗的結(jié)果在更短的時間內(nèi)完成對產(chǎn)品設(shè)計進行針對性的修正，從而大幅縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，減少了設(shè)計開發(fā)的經(jīng)費要求，也從側(cè)面向我們展現(xiàn)了該方法廣闊的發(fā)展前景以及巨大的工程實用價值。

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作者簡介：廖前行（1967—），廣西賓陽人，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系高級技師，工程師，研究方向：機械設(shè)計制造及自動化。