基于ADAMS的糕點(diǎn)切片機(jī)切刀和送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

□ 李守成 □ 吳海濤 □ 劉泓濱

昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650500

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品［1］。美國MSC開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是專門用于機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開發(fā)方面的工具。本文通過基于ADAMS的Adams/View和求解Adams/Solver對糕點(diǎn)切片機(jī)切刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和間歇送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,實(shí)現(xiàn)了糕點(diǎn)切片機(jī)切刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和間歇送料機(jī)構(gòu)的良好配合，驗(yàn)證了模型的合理性和正確性。

1 糕點(diǎn)切片機(jī)建模［2、3］

糕點(diǎn)切片機(jī)的模型設(shè)計(jì)主要包括：切刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、送料機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)以及提供動(dòng)力并保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的減速電機(jī)機(jī)構(gòu)。糕點(diǎn)切片機(jī)的三維模型如圖1所示。

1.1 切刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

▲圖1 糕點(diǎn)切片機(jī)

為使切刀實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線切割運(yùn)動(dòng)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)了切刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)尺寸為：曲柄BC(DE)長150 mm(兩曲柄等長且平行)，切刀連桿 AC長 250 mm，搖桿 GF長 450 mm，連桿FE長500 mm。

1.2 間歇運(yùn)動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用棘輪-傳送帶機(jī)構(gòu)，如圖3所示。棘輪半徑R=44 mm，棘輪周長 L=271.92 mm(L＝2πR)，則 1°圓心角對應(yīng)的弧長約為0.76 mm。設(shè)計(jì)需要的切片厚度為38 mm，根據(jù)切片的厚度可計(jì)算出棘輪一個(gè)周期內(nèi)的角位移為50°。為使棘輪能夠安全工作，在棘輪鉸接處安裝了渦卷彈簧來保證棘輪與扳手之間有足夠的壓緊力，為了防止棘輪反轉(zhuǎn)，增加了防止反轉(zhuǎn)的棘輪扳手，保證了機(jī)構(gòu)的可靠性。

▲圖2 切刀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

▲圖3 棘輪-傳送帶機(jī)構(gòu)

▲圖4 二級(jí)減速裝置輪系圖

1.3 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

切片機(jī)在工作時(shí)，不僅要保證能快速地切片，而且還要保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定工作，故設(shè)計(jì)如圖4所示的二級(jí)減速裝置。電動(dòng)機(jī)的原始角速度選定為1 080 r/min（1 080 r/min=6 480°/s），傳動(dòng)比 i為：

2 ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真［4、5］

2.1 3D模型建立

ADAMS軟件主要用于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)仿真以及簡單模型的建立，而對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的3D模型則不宜采用ADAMS建模。故運(yùn)用有強(qiáng)大靈活建模能力的SolidWorks軟件進(jìn)行建模和虛擬裝配，然后通過ADAMS和SolidWorks的接口將糕點(diǎn)切片機(jī)的3D模型導(dǎo)入到ADAMS中。

2.2 模型簡化

將3D模型導(dǎo)入ADAMS中時(shí)需要進(jìn)行模型簡化，否則在ADAMS中需要添加繁瑣的約束，極大地增加仿真難度。在導(dǎo)入ADAMS后，為進(jìn)一步簡化模型，減少約束，部分零件在ADAMS中運(yùn)用布爾運(yùn)算將其作為一個(gè)整體，其中將支撐板、支撐杠、軸承座作為一個(gè)整體。在兩帶輪和兩滾輪之間分別添加耦合副可達(dá)到仿真的目的，故可將皮帶和傳送帶省略，簡化后的模型如圖5所示。

▲圖5 簡化模型圖

2.3 添加材料及運(yùn)動(dòng)副

按照實(shí)際情況進(jìn)行添加材料，材料為鋼。本模型需要運(yùn)用的運(yùn)動(dòng)副有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、齒輪副、耦合副以及固定副，共有14個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2個(gè)移動(dòng)副、2個(gè)齒輪副、2個(gè)耦合副以及2個(gè)固定副。轉(zhuǎn)動(dòng)副主要添加在有轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件間，移動(dòng)副添加在刀片與導(dǎo)桿間，齒輪副加在減速機(jī)構(gòu)的齒輪與齒輪間，耦合副加在兩帶輪和兩滾輪之間，添加好材料與運(yùn)動(dòng)副后的模型如圖6所示。

2.4 糕點(diǎn)切片機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

在ADAMS中，對模型進(jìn)行簡化、添加材料、修改外觀以及添加運(yùn)動(dòng)副后，對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真（end time=5 s，steps=500）并測量刀片、棘輪等構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真完成后，進(jìn)入ADAMS/Postprocessor界面，對仿真測量的結(jié)果進(jìn)行處理及分析。

送料機(jī)構(gòu)-棘輪-傳送帶要實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)的要求，對棘輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量，由于在ADAMS中只能直接測量出棘輪的角速度，故用ADAMS/Postprocessor工具對棘輪的角速度求積分得到棘輪的角位移［6］，如圖7所示。從圖中可看出，棘輪在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)的是間歇運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求。

糕點(diǎn)切片機(jī)切刀機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且還要能實(shí)現(xiàn)與間歇運(yùn)動(dòng)的送料機(jī)構(gòu)密切配合。當(dāng)切刀遠(yuǎn)離送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，送料機(jī)構(gòu)應(yīng)向前移動(dòng)設(shè)定的距離；當(dāng)切刀運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)將要進(jìn)行切割時(shí)，送料機(jī)構(gòu)應(yīng)該是停止；切刀的速度要快，這樣才不會(huì)使切料損壞。圖8所示中，切刀進(jìn)行切割時(shí)送料機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)送料機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)的角位移為49.8°，理論角位移為50°。圖9所示中，切刀的速度在0～600 mm/s內(nèi)變化，可實(shí)現(xiàn)快速切割。

3 結(jié)束語

▲圖6 添加材料及運(yùn)動(dòng)副后的模型圖

▲圖7 棘輪角速度和角位移圖

▲圖8 切刀位移和棘輪角位移圖

▲圖9 切刀速度圖

通過ADAMS軟件，對在Solid Works軟件中按設(shè)計(jì)要求建立的糕點(diǎn)切片機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)值對比，各項(xiàng)仿真值均接近理論設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)了糕點(diǎn)切片機(jī)切刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和間歇送料機(jī)構(gòu)的良好配合,證明該模型是正確的，同時(shí)仿真結(jié)果可以為模型的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

［1］ 王國強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

［2］ 葛正浩，梁金生，蔡曉霞，等.SolidWorks2008典型機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］ 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［4］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［5］ 賈長治，殷軍輝，薛文星，等.MD ADAMS虛擬樣機(jī)從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］ （美）MSC.Sortware著，邢俊文，陶永忠譯.ADAMS/View高級(jí)培訓(xùn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2005.