基于ADAMS弧面凸轮机构运动学分析和仿真

冯立艳,周新磊（华北理工大学　机械工程学院,河北　唐山　063009）



基于ADAMS弧面凸轮机构运动学分析和仿真

冯立艳,周新磊
（华北理工大学机械工程学院,河北唐山063009）

摘 要：弧面分度凸轮机构是具有性能优良的分度机构之一，具有速度快、刚度大、承载能力强等优点。本文在已经建立出弧面凸轮机构三维模型的基础上，利用ADAMS软件建立刚柔耦合动力学模型，并对其进行正运动学分析，验证模型的正确性。然后对机构进行不同机构参数下的运动仿真，得到改变参数情况下接触力的变化曲线图。通过对机构的运动仿真，为今后的动力学建模和数控加工提供了帮助。

关键词：ADAMS；弧面凸轮机构；运动学；仿真

0　引言

弧面分度凸轮机构因具有结构简单，高精度，分度性能良好等优势，被广泛地应用于间歇分度机械中，所以其运动学性能自然的成为了研究的重点。为了得到精确的弧面分度凸轮机构运动仿真结果，必须考虑构件的柔性条件这一因素,仿真结果大部分是以输出分度盘输出响应即加速度响应，或分度盘与凸轮之间的接触力响应为主。因此如何建立合适的分析模型一直是实现该机构刚柔耦合运动仿真的核心问题和难点。本文基于虚拟样机技术，利用ADAMS建立其刚柔耦合运动模型，并改变其凸轮转速、分度盘轴向载荷等运动参数来进一步分析其运动性能。刚柔耦合运动模型的建立，及改变不同参数对接触力的运动学分析，对该机构后续的动力学建模、模态分析，还有数控加工等研究都提供了一定的参考。

1　弧面凸轮机构刚柔耦合模型的建立

本文利用CREO2.0建立的弧面分度凸轮机构的三维模型，采用虚拟样机技术，联合ADAMS软件对该机构建立刚柔耦合的运动学模型。

1.1模型的导入

Creo2.0软件和ADAMS软件能够通过MECHANISM/PRO接口完成无损连接，非常便捷。将Creo2.0软件建立的模型导入到ADAMS中的方法是：在Creo2.0中，选取“文件”下“保存副本”，并保存为“.X_T”格式，然后就可以导入到ADAMS软件中[1]。

1.2刚柔耦合模型的建立

将模型进过MECHANISM/PRO导入ADAMS后，此时的模型只是具有每个零件之间的相对位置、几何特征等。因此需要在Adams/ View环境中对模型进行参数设定[2]。弧面分度凸轮模型的设定包含：环境设定、质量属性设定、约束设定、接触力设定、驱动设定等。

（1）环境设定：对模型所处的环境进行设定。对于该机构，在ADAMS/View中只有重力场，无需设定磁场。对于重力场的设定，选取系统默认的重力方向，即大地坐标系Y轴的负方向，大小为-9806.65；（2）质量属性设定：弧面分度凸轮机构可以分为两个部分，主动件凸轮以及从动件转盘和载荷盘。凸轮选用20CrMnTi钢，转盘和载荷盘的材料选为45钢，由于材料的差距较大，因此需要分别对两个部分进行质量属性设定；（3）约束设定：机构模型在导入后，不是一个完整的机构，需要添加约束将所有零件组成为一个机构。根据三维模型进行约束设定，凸轮凸脊与基本体之间应该添加固定约束；分度盘和大地、基本体与大地之间分别添加旋转约束; （4）接触力的设定：在弧面分度凸轮机构运动时，凸轮凸脊与转盘滚子之间存在接触力，这样才能完成分度盘的旋转，因此在刚柔耦合模型中理应设定接触力来反应真实情况; （5）驱动设定：为使机构在仿真时可以运动，需要在凸轮和大地之间添加旋转驱动。在之前创建的旋转副上，设定凸轮为顺时针旋转，转速为，这样就完成了凸轮与大地之间的驱动设定。

通过以上的设定后，就完成了弧面分度凸轮机构在ADAMS中的虚拟样机模型的建立，该模型代表了该机构的刚柔耦合运动学模型，结果如图1所示。

1.3刚柔耦合模型的验证

在运动仿真之前，需要对系统的构成、自由度、未定义质量的构件和过约束情况进行查询，即便是在建立模型的过程中，也进行查询，以保证模型的准确性。左键依次单击Tools→Model Verify，系统弹出系统信息窗口，如图2所示，从中看到有关模型的详细信息。

2　刚柔耦合模型动态仿真

仅仅通过模型内的验证还不足以说明模型的正确性，为了进一步验证该虚拟样机模型的正确性，本文对修正正弦加速度的运动规律的弧面度凸轮机构进行正运动学分析，对仿真结果与理论曲线进行比验证得出结论[3]。

2.1模型求解器的设置

单击菜单栏中Settings，依次选择Solver、Display，在弹出的对话框的Show Messages栏中选取NO，在Update Graphics下拉菜单中选择Never。再次单击菜单栏中的Settings，依次单击Solver、Contacts，系统弹出定义接触按钮，在Geometry Library下拉列表中选择Parasolids，单击Close按钮完成设置。第三次单击菜单栏中的Settings，选择Solver，再选择Display，系统弹出定义动力学选项,。由于弧面分度凸轮机构动态仿真的研究对象是其加速度以及凸轮与滚子间的接触力，因此选择计算精度高和稳定性好的求解器，在Integrator下拉列表中选择WSTIFF，在Formulation下拉列表中选择SI2。

2.2模型的正运动学分析

根据上述设定，在ADAMS/View模块中进行正运动学分析，其中End time为0.2，Steps为1000。仿真设定完成后，进入ADAMS软件的post processor后处理模块查看仿真结果，结果如图3所示。

本文以载荷盘为研究对象，仿真计算得到其位移、速度、加速度曲线。由于建立的弧面分度凸轮机构模型所选用的运动规律为修正正弦加速度，其与ADAMS软件模拟仿真得到的曲线一致，所以本文中建立的凸轮模型是正确的，模型的准确性得到了保证，模型的正运动学分析完成。

3　刚柔耦合模型不同参数下的动态仿真

本文以凸轮与滚子之间的接触力为分析目标，研究各参数对机构运动学性能的影响。影响弧面分度凸轮机构的运动性能的因素有很多，比如：间隙，输入转速，轴向载荷，径向载荷，阻尼系数，凸轮轴直径，负载盘宽度等[4]。由于篇幅所限本文只研究输入转速和轴向载荷。

3.1输入转速对机构动态性能的影响

弧面分度凸轮机构可以在多种转速下运行，因此研究不同转速对机构的运动性能影响具有重要意义。本文对修正正弦运动规律，中心距，负载盘厚度20，不考虑负载工况下，转速分别300、600、800、1000的弧面分度凸轮机构的运动性能进行研究，结果如图4所示。

输入转速对弧面分度凸轮机构的运动性能有明显的影响。在停歇期的各项指标变化不太明显，但是分度期的影响十分明显。通过不同转速下接触力的最大值可知，随着转速的增加，接触力呈逐渐增大的趋势。

3.2轴向载荷对机构动态性能的影响

为了实现各种生产要求，弧面分度凸轮机构的输出端会附加各种载荷，其中轴向负载是常见形式。本文为了简化仿真过程，假设机构受到单一轴向负载作用，研究轴向负载对弧面分度凸轮运动性能的影响。本文对修正正弦运动规律，负载盘厚度20mm，转速为300r/min工况下，轴向载荷分别为500N、1000N、5000N、8000N弧面分度凸轮机构的运动性能进行研究，结果如图5所示。

不同轴向载荷对接触力影响不大，因此轴向载荷对弧面分度凸轮机构的运动性能影响不明显，说明该机构轴向承载能力较强，能在不同轴向载荷下保持高精度平稳运行，这一特性使弧面分度凸轮机构有持久的工作寿命。

4　结束语

本文以弧面分度凸轮机构为研究对象，运用虚拟样机技术并联合ADAMS软件，建立了弧面分度凸轮机构的刚柔耦合运动学模型并对其运动情况进行了仿真分析。通过模型建立的系统信息和正运动学分析曲线与理论曲线一致这两点说明刚柔耦合运动学模型建立的正确性。最后还研究了不同运动参数对机构运动性能的影响，为后续的研究奠定了基础。

参考文献：

[1]马志平.弧面分度凸轮机构刚柔耦合动力学研究[D].西安:陕西科技大学,2014.

[2]徐锋,徐年富,贺炜.弧面分度凸轮机构的仿真研究[J].轻工机械,2010,28(04):54-56.

[3]王莉,周林航,刘红.基于虚拟技术的弧面分度凸轮机构研究[J].中国制造业信息化,2007,36(13):24-27.

[4]于春玲.含间隙弧面分度凸轮机构的ADAMS动力学仿真[J].机械传动,2011,35(06):41-44.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.208