基于ADAMS軟件的偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計

田　濤，鄧雙城，楊朝嵐，張　澤，周唐愷，王福利

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

基于ADAMS軟件的偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計

田濤1，鄧雙城2，楊朝嵐2，張澤1，周唐愷2，王福利2

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

摘要：基于偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)的不規(guī)則性，為了降低設(shè)計難度和縮短研制周期，運用ADAMS軟件進行了凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計。對凸輪機構(gòu)進行了理論分析，在ADAMS軟件中對凸輪機構(gòu)進行參數(shù)化建模和運動仿真，得出了從動桿軌跡曲線，通過軌跡曲線，對所設(shè)計的機構(gòu)與預(yù)期的設(shè)計要求進行校核，測試了所設(shè)計機構(gòu)的運動精度，驗證其能否滿足工作要求。仿真得出的變化規(guī)律曲線為后續(xù)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和二次優(yōu)化提供了有效的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：凸輪機構(gòu)；ADAMS；參數(shù)化建模；運動仿真；二次優(yōu)化

在各種機械尤其是自動機和自動控制裝置中，僅應(yīng)用連桿機構(gòu)很難保證某些零部件按照規(guī)定的準確路線行走，故廣泛采用各種凸輪機構(gòu)，如內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)、自動機床的進刀機構(gòu)、插床和壓力機等[1]。凸輪機構(gòu)的優(yōu)點是只要設(shè)計出凸輪輪廓曲線，就可以使推桿按照預(yù)期的設(shè)計要求實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快速，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。由于凸輪輪廓不規(guī)則，快速、有效的凸輪輪廓設(shè)計方法就尤為關(guān)鍵。目前，主要通過解析法和圖解法等傳統(tǒng)設(shè)計方法進行凸輪輪廓結(jié)構(gòu)的設(shè)計。圖解法的精度較低，只能應(yīng)用于要求不高的簡單凸輪，并且局限于低速運行的場合；解析法雖然精度較高，但是推導(dǎo)過程復(fù)雜，計算量極大，所涉及的編程也極為復(fù)雜，非工程技術(shù)人員不能掌握，極大地限制了該方法的推廣與應(yīng)用[2-4]。因而，亟需一種簡單、可靠的新方法用于凸輪輪廓設(shè)計。

隨著計算機性能的提升，虛擬樣機技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在產(chǎn)品研制開發(fā)過程中，虛擬樣機技術(shù)將結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析技術(shù)結(jié)合在一起。首先在計算機上進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模，然后對實際工況進行模擬仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的工作性能，進而對產(chǎn)品進行改進和優(yōu)化設(shè)計，提高產(chǎn)品性能及樣機研制的成功率[5]。

ADAMS軟件是由美國MDI公司研制的一款虛擬樣機軟件，該軟件集建模、求解和可視化技術(shù)于一體，可以產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)的虛擬樣機，并仿真模擬其運動過程，得出工作性能參數(shù)，極大地縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了研制費用，是最為流行的一款機械系統(tǒng)仿真分析軟件[6]。

本文通過ADAMS軟件對凸輪機構(gòu)進行建模，并虛擬仿真其運動，進行性能分析，為物理樣機的設(shè)計與制造提供了參考依據(jù)。

1凸輪機構(gòu)的理論知識與實例分析

目前，凸輪機構(gòu)的研究大多集中于對心直動推桿盤形凸輪機構(gòu)，本文就偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)進行研究，該機構(gòu)抽象模型圖如圖1所示。

圖1　偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)抽象模型

圖1中，凸輪沿軸心O進行旋轉(zhuǎn)。以軸心O為圓心、最小半徑r0為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓。凸輪回轉(zhuǎn)中心O與尖頂直動推桿所在軸線有一偏距e,以回轉(zhuǎn)中心O為中心、偏距e為半徑所作的圓稱為偏距圓。凸輪輪廓軌跡由AB、BC、CD和DA等4段曲線組成，即1個凸輪運動周期由4個階段組成。推桿在輪廓線AB段的推動下，由于曲線的半徑逐漸增大，推桿將由最低位置運動到最高位置，推桿的這一過程稱為推程，相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運動角；當(dāng)推桿與BC段接觸時，由于該段曲線是以O(shè)為圓心的等徑圓弧，所以推桿將處于最高位置，并且推桿保持靜止，這一運動階段稱為遠休止，與之相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為遠休止角；當(dāng)推桿與CD段接觸時，由于該段曲線的半徑逐漸縮小，因而推桿將由最高位置向最低位置移動，這一過程稱為回程，相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為回程角；當(dāng)推桿與DA段接觸時，由于DA段是以O(shè)為圓心的等徑圓弧，所以推桿將處于最低位置靜止不動，這一過程稱為近休止，此時的凸輪轉(zhuǎn)角稱為近休止角。推桿在推程或回程運動中移動的距離稱為推桿的行程。凸輪每完成一個周期運動后接著重復(fù)上一周期的運動，這樣推桿就周而復(fù)始的按照預(yù)期的設(shè)計要求進行運動。

為了方便描述凸輪的運動情況，常以從動桿推桿的運動規(guī)律進行描述。推桿的運動規(guī)律是指推桿的位移(s)、速度(v)和加速度(a)隨時間變化的規(guī)律。由于凸輪一般為等速運動，所以推桿的運動規(guī)律又可以表示為推桿的運動參數(shù)隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。

擺動從動桿的運動又可以分為兩部分：推桿隨其擺動中心繞軸心轉(zhuǎn)動；同時又按設(shè)定的運動規(guī)律繞其擺動中心擺動。由于從動桿在運動的過程中，其尖端始終與凸輪輪廓線相接觸，故凸輪的輪廓曲線就是從動桿尖端相對于凸輪的運動軌跡?；谶@個原理，應(yīng)用ADAMS軟件進行凸輪機構(gòu)的設(shè)計。

通過實例分析凸輪機構(gòu)在ADAMS環(huán)境下的建模與動態(tài)仿真,參數(shù)設(shè)置如下：偏置尖頂直動從動桿盤形凸輪機構(gòu)的凸輪基圓半徑r0=100 mm，偏距e=20 mm，凸輪以勻角速度ω=30°/s沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)角φ=ωt，從動桿行程h=100 mm。為簡化運動分析，本文將推程運動角和回程運動角均設(shè)置為φ=180°,則該運動周期中不存在遠休止和近休止階段，推程階段采用勻速運動規(guī)律，回程采用簡諧運動規(guī)律。

1)從動桿在推程階段采用勻速運動規(guī)律，由機械原理可得運動方程為：

2)從動桿在回程階段采用簡諧運動規(guī)律，由機械原理可得運動方程為：

為了清晰地描述從動桿推桿的運動規(guī)律，通過MATLAB軟件編程得出推桿位移s隨時間t的變化曲線[7](見圖2)。

圖2　從動桿s-t曲線圖

2凸輪機構(gòu)的建模與仿真

在虛擬樣機中進行凸輪機構(gòu)的建模與運動仿真，能夠降低工程的難度。通過虛擬仿真運動，能夠?qū)⑼馆啓C構(gòu)整個運動周期的運動過程清晰地展現(xiàn)出來，進而可以查看結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，從而避免了實際物理樣機的錯誤制造。通過查看虛擬運動仿真的相關(guān)參數(shù)，可以與預(yù)期的設(shè)計效果進行對比，進而驗證是否達到設(shè)計要求。根據(jù)之前設(shè)定的相關(guān)參數(shù)，按照如下步驟進行凸輪機構(gòu)的建模與運動仿真。

1)創(chuàng)建尖頂從動桿。先利用工具箱中的錐頭和柱體建模選項構(gòu)造出帶錐頭的柱體從動桿，并在從動桿的尖端處添加一個marker；然后利用移動工具選項，調(diào)整從動桿的位置，使尖端達到(20,98,0)的位置,保證marker端點到回轉(zhuǎn)軸心O的距離等于凸輪基圓半徑(100 mm)。

2)創(chuàng)建凸輪實體與添加凸輪副。創(chuàng)建1個400 mm×400 mm×10 mm的長方體，作為用于生成凸輪輪廓線的凸輪板，并添加其與地面間的轉(zhuǎn)動副，以及從動桿與地面間的移動副，對2個運動副施加運動。轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動函數(shù)為ω=30°/s；根據(jù)上述方程的v-t函數(shù)，移動副的運動以編程語言表示為：IF(time-6:50/3,50/3,-25/3*PI*sin(PI/180*(30*time-180)))。首先，對模型進行仿真，并通過“Review/Create Trace Spline”菜單項生成從動桿尖端相對凸輪板的運動軌跡；然后，利用Extrusion工具按鈕延伸10 mm，創(chuàng)建凸輪實體；最后，刪除初始創(chuàng)建的長方體凸輪板和移動副上的運動，并添加凸輪副。

2.3仿真與測量

利用ADAMS/View工具箱的仿真工具,設(shè)置完仿真終止時間和仿真工作步長后,即可對設(shè)置好的凸輪機構(gòu)虛擬樣機(見圖3)進行仿真測試,觀察模型的運動情況，并對模型從動桿質(zhì)心的位移、速度和加速度隨時間t的變化情況進行測量，得出相應(yīng)的變化曲線(見圖4)。

圖3　凸輪機構(gòu)虛擬樣機模型

圖4　從動桿位移、速度和加速度隨時間變化曲線圖

將通過ADAMS軟件仿真得到的從動桿質(zhì)心位移軌跡曲線，與之前通過MATLAB軟件仿真得到的軌跡曲線進行對比可知，2種方法得出的軌跡曲線形狀是極為相似的，只需將MATLAB軌跡曲線進行等距平移，即可得到從動桿質(zhì)心ADAMS仿真曲線，并且誤差極小，同時，速度和加速度曲線的變化規(guī)律也都與所設(shè)定的運動規(guī)律一致；因而，通過ADAMS軟件仿真進行凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法是可行的。

3結(jié)語

通過結(jié)合實例的研究可知，利用ADAMS軟件生成凸輪輪廓曲線的方法是可行的。該方法較圖解法和解析法更為簡單易懂，而且形象生動，使凸輪機構(gòu)設(shè)計擺脫了對物理樣機的束縛，降低了研發(fā)成本，并縮短了設(shè)計研發(fā)周期。通過對凸輪運動的虛擬仿真，既可以校核凸輪機構(gòu)的性能，又可以對所設(shè)計的凸輪結(jié)構(gòu)與既定的設(shè)計要求進行對比驗證。通過虛擬樣機建模及運動仿真得出的曲線圖可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

參考文獻

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[3] 王丹.基于ADAMS的凸輪機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計及精度仿真分析[J].機械電子,2008(8):9-11.

[4] 曹智梅.基于Pro/E的擺動從動件盤形凸輪設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2013(12)：97-99.

[5] 賈長治,等.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[6] 陳峰華.ADAMS 2012虛擬樣機技術(shù)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[7] 郭仁生,等.機械工程設(shè)計分析和MATLAB應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

責(zé)任編輯鄭練

Structure Design of Bias Direct Action Steeple Disk Cam Mechanism based on ADAMS Software

TIAN Tao1, DENG Shuangcheng2, YANG Zhaolan2, ZHANG Ze1, ZHOU Tangkai2, WANG Fuli2

(1.Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617, China)

Abstract：In order to reduce the difficulty of the design and shorten the development cycle, ADAMS software is adopted for the structure design of bias direct action steeple disk cam mechanism, because the cam mechanism is irregular. Firstly, the cam mechanism’s theoretical knowledge is analyzed, then the cam mechanism’s parametric modeling and motion simulation are created in ADAMS Finally, the follower lever’s trajectory curve is obtained. Through the trajectory curve, the designed institutions and expected target are compared, so as to test kinematics accuracy of the designed mechanism，and verify whether the cam mechanism can meet the job requirements. Curves about variation obtained via simulation can provide effective reference for the subsequent parametric design and quadratic optimization.

Key words:cam mechanism, ADAMS, parametric design, motion simulation, quadratic optimization

收稿日期：2015-03-12

作者簡介：田濤(1988-)，男，碩士研究生，主要從事機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制算法等方面的研究。

中圖分類號：TH 112.2

文獻標(biāo)志碼:A