基于ADAMS的夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真

張相志* 王彥偉

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 前言

夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)能保證工件可靠地接觸相應(yīng)的定位基面，夾緊后不能破壞工件的正確位置，在加工過程中，工件不能因?yàn)榍邢髁Φ淖饔卯a(chǎn)生位移和晃動(dòng)。因此，夾緊機(jī)構(gòu)必須能產(chǎn)生足夠大的夾緊力，具有較高的剛性，還要具有自鎖性能來保證其工作可靠性。在自動(dòng)夾緊或用自動(dòng)扳手夾緊的夾緊機(jī)構(gòu)中，通常其中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有自鎖性，確保夾緊動(dòng)力撤除后工件不至于松開。氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)通常也具有自鎖性。

國內(nèi)不少研究學(xué)者對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了研究。王毅亮等[1]采用ST2 軟件建立三維模型導(dǎo)入虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS 對(duì)進(jìn)料夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，從而確定進(jìn)料夾緊機(jī)構(gòu)中彈簧的扭矩及變形曲線，裴峻峰等[2]應(yīng)用Workbench 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的套管鉗鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)的三維模型進(jìn)行了力學(xué)分析，分析了鉗頭組成部分的應(yīng)力情況，并首次采用先進(jìn)的壓力膠片測量方法進(jìn)行了鉗頭夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)力測試分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和仿真分析的正確性。賀凱悅等[3]利用ADAMS 軟件建立了水壓機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，在仿真分析后對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。席曉燕[4]也基于ADAMS 仿真軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種礦用鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)，對(duì)鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模仿真，并以夾緊力最大為目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。ADAMS 仿真軟件平臺(tái)可用來對(duì)不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，確定影響夾緊機(jī)構(gòu)工況的最大因素，從而優(yōu)化夾緊機(jī)構(gòu)裝置。當(dāng)然，國外也有研究學(xué)者通過ADAMS 軟件建立夾緊機(jī)構(gòu)的三維模型，對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，并將仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，證明仿真模擬的準(zhǔn)確性[5]。

傳統(tǒng)的機(jī)床夾緊機(jī)構(gòu)大多采用經(jīng)驗(yàn)取值法或類比法來設(shè)計(jì)，限制了機(jī)床性能進(jìn)一步提高。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文通過ADAMS 軟件對(duì)簡單的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，并進(jìn)行了三維仿真模擬，探討了夾緊機(jī)構(gòu)的彈簧在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)理論對(duì)其受力曲線圖進(jìn)行了分析。

1 夾緊機(jī)構(gòu)建模

ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的拉格朗日方程建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS 軟件仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。因此ADAMS 軟件具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，建模時(shí)根據(jù)需要確定相關(guān)的變量，并將這些關(guān)鍵變量設(shè)置為可改變的設(shè)計(jì)變量。對(duì)于夾緊機(jī)構(gòu)系統(tǒng)而言，夾桿上作用力是影響彈簧力變化的關(guān)鍵因素，但在設(shè)計(jì)中已將其設(shè)為定值。

建模時(shí)，首先應(yīng)該選擇零件庫的點(diǎn)（Point） ，主工具箱中顯示出點(diǎn)（Point）的選項(xiàng), 選擇“Add to Ground”和“Don't Attach”，在工作窗口中借助工作網(wǎng)格創(chuàng)建6 個(gè)點(diǎn)，6 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置如表1 所示。然后根據(jù)6 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，可以創(chuàng)建點(diǎn)的模型，然后根據(jù)每1 個(gè)點(diǎn)的位置來創(chuàng)建夾緊機(jī)構(gòu)模型中的零件、約束副、彈性連接、應(yīng)用力和驅(qū)動(dòng)。

1.1 搖臂和手柄的創(chuàng)建

選擇 ADAMS/View 中零件庫的平板（Plate） ，主工具箱顯示出平板（Plate）的選項(xiàng)。選擇“New Part”，輸入平板的厚度值（Thickness）為 1，輸入平板的圓角半徑（Radius）為 1，用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計(jì)點(diǎn) “POINT_1”，“POINT_2”和“POINT_3”，按鼠標(biāo)右鍵完成搖臂的創(chuàng)建工作，如圖 1 所示。主工具箱顯示出連桿（Link）的選項(xiàng), 選擇“New Part”，用鼠標(biāo)左鍵選擇設(shè)計(jì)點(diǎn) “POINT_3”和“POINT_4”，完成手柄的創(chuàng)建工作，如圖 2 所示，將其重新命名為“handle”。

表1 點(diǎn)的坐標(biāo)

圖1 創(chuàng)建搖桿

圖2 創(chuàng)建手柄

1.2 鎖鉤和固定體的創(chuàng)建

選擇 ADAMS/View 中零件庫的拉伸體（Extrusion），主工具箱顯示出拉伸體（Extrusion）的選項(xiàng), 選擇“New Part”和“Closed”，將拉伸體的長度（Length）設(shè)置為 1，用鼠標(biāo)左鍵選擇11 個(gè)坐標(biāo)，按鼠標(biāo)右鍵完成鎖鉤的創(chuàng)建工作，如圖3 所示，將其重新命名為“hook”。選擇 ADAMS/View 中零件庫的長方體（Box） ,主工具箱顯示出長方體（Box）的選項(xiàng)。選擇“On Ground”，使其與大地（Ground）固結(jié)在一起，創(chuàng)建固定體，如圖4 所示。

圖3 創(chuàng)建鎖鉤

圖4 創(chuàng)建固定體

2 夾緊機(jī)構(gòu)模型的仿真

首先選擇 ADAMS 零件庫中的“Marker”按鈕，在位置（-18，14，0）處，創(chuàng)建“MAR_5”。選擇 ADAMS/View 力庫中的力（Force）按鈕 ，設(shè)置力的方向?yàn)榕c物體固定（Body Fixed）；初始方向?yàn)檫x擇特征方向（Pick Feature）;力的大小為常量（Constant），數(shù)值為 80。選擇ADAMS/View 力庫中的彈簧（Spring）按鈕 ，設(shè)置彈簧的剛度（K）為 800，彈簧的阻尼（C）為 0.5。選擇位置（-14，1，0）和（-23，1，0），創(chuàng)建鎖鉤和大地之間的彈簧，如圖5 所示。而在實(shí)際結(jié)構(gòu)中并沒有這個(gè)彈簧，創(chuàng)建該彈簧的目的是為了獲得實(shí)際結(jié)構(gòu)中的夾緊力。

圖5 夾緊機(jī)構(gòu)的模型

在仿真動(dòng)畫框中設(shè)置仿真時(shí)間與步數(shù)，然后開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在這一過程中ADAMS/View 軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)用開始模擬出夾緊機(jī)構(gòu)中彈簧力的變化曲線，如圖6 所示。

圖6 彈簧力的變化曲線

3 結(jié)論

利用ADAMS 軟件創(chuàng)建夾緊機(jī)構(gòu)模型的，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，生成夾緊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中彈簧力隨時(shí)間變化的曲線。由于在夾緊機(jī)構(gòu)中的手柄頂端施加了一個(gè)大小恒定的壓力，使手柄帶動(dòng)連桿，又通過連桿推動(dòng)鎖鉤，鎖鉤壓縮彈簧，使得彈力快速增加，當(dāng)壓縮彈簧達(dá)到一定壓縮量時(shí)，彈簧對(duì)鎖鉤的彈力大于連桿對(duì)鎖鉤的推力，彈簧要推動(dòng)鎖鉤向右側(cè)移動(dòng)，彈簧壓縮量隨之減少，因此彈簧上的彈力減小，周而復(fù)始，彈簧上的彈力先增大后減小，減小到一定程度又再增大，因此就產(chǎn)生了形如正弦函數(shù)的彈力變化曲線。