基于SOLIDWORKS與ADAMS的推送料機(jī)械系統(tǒng)仿真分析

陸武慧

摘 要：推送料機(jī)構(gòu)作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上重要的構(gòu)成部分，文中將推送料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)，共同完成自動(dòng)線對(duì)物料的推送過(guò)程。針對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線上推送料關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在SOLIDWORKS軟件中，建立三維模型，導(dǎo)入到ADAMS軟件中通過(guò)添加運(yùn)動(dòng)副約束，建立出推送料機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)仿真分析，得到物料的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)情況，為實(shí)際物理樣機(jī)的生產(chǎn)和進(jìn)一步優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：推送料;機(jī)械系統(tǒng);仿真;ADAMS

中圖分類號(hào)：TP24;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0136-04

Simulation Analysis of Feeding Mechanical System Based on SOLIDWORKS and ADAMS

Lu Wuhui

（School of General Aviation， Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710089， China）

Abstract：As an important constituent of the automatic production line， the push material mechanism is simplified to a mechanical system composed of two crank slider mechanisms to jointly complete the push process of the automatic line to materials in this paper. For the key movement mechanism of the push material on the automatic production line， a 3D model is established in the SOLIDWORKS software and imported into the ADAMS software to establish a virtual prototype model of the motion auxiliary constraint by adding the push material mechanical system. Through simulation analysis， the center of mass motion provides parameter basis for production and further optimization of actual physical prototype.

Key words：push material; mechanical system; simulation; ADAMS

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越得到客戶青睞，成為現(xiàn)代生產(chǎn)的主要手段。隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線被廣泛地應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，從航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械電子、醫(yī)療器械再到生活中的汽車(chē)、家電行業(yè)、包裝行業(yè)，產(chǎn)品物料的傳送由原來(lái)的人工放置過(guò)渡到采用機(jī)器人或者機(jī)械手所代替，目前有對(duì)電池蓋板自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]?；谒欧到y(tǒng)的開(kāi)卷自動(dòng)線送料系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及送料系統(tǒng)的構(gòu)成研究[2]，對(duì)易撕蓋蓋圈送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真的研究[3]，在不同角度進(jìn)行了自動(dòng)線上料機(jī)構(gòu)的研究。自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用不僅可以改善工人的作業(yè)環(huán)境，還可以減少生產(chǎn)中的失誤率和危險(xiǎn)性，提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和材料的利用率等。推送料機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化生產(chǎn)線上重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)化生產(chǎn)線是根據(jù)工藝順序自動(dòng)完成全部或部分制造過(guò)程的生產(chǎn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的推送料過(guò)程，往往采用人工送料模式，將板料依次放置在上料平臺(tái)上，這種手動(dòng)上料的方式導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)亂等問(wèn)題，也不能滿足迅猛的發(fā)展需求和客戶的生產(chǎn)效率。采用推送料機(jī)構(gòu)不僅提高了生產(chǎn)效率，還避免人工參與生產(chǎn)所產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)失誤、危險(xiǎn)、誤操作等。

1 推送料機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

如圖1所示的為自動(dòng)線上推送料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為由兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成的一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)。當(dāng)推料機(jī)構(gòu)在力矩的作用下，帶動(dòng)推料曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿，利用推料滑塊將物料向右推到指定位置處，之后，送料曲柄在給定力矩的作用下，帶動(dòng)送料曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿，利用送料滑塊將物料向下送到既定位置，方便進(jìn)行物料的加工和操作。

在具體的工作過(guò)程中，推料機(jī)構(gòu)先工作，由推料滑塊推動(dòng)物料同步運(yùn)動(dòng)，使得物料到達(dá)指定位置，緊接著送料滑塊開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)送料滑塊接觸到物料時(shí)，送料滑塊推動(dòng)物料一起向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持推料滑塊和限位塊對(duì)物料的夾持作用。

1.1 推料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

推料機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化生產(chǎn)線上重要的機(jī)構(gòu)之一，是進(jìn)行物料運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。推料機(jī)構(gòu)是由推料曲柄、推料欄桿和推料滑塊組成，可以簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)推料曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度為β，推料滑塊運(yùn)動(dòng)的距離為x1，得到下面的公式：

變形得到如下式：

化簡(jiǎn)后，得到下式：

對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)，得到關(guān)于速度的方程如下：

推料滑塊與導(dǎo)軌之間存在摩擦力，因此在設(shè)計(jì)滑槽過(guò)程中，考慮減少摩擦力的作用，可以將導(dǎo)軌的滑槽設(shè)計(jì)為燕尾式，減少阻力。

1.2 送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

送料機(jī)構(gòu)是由送料曲柄、送料欄桿和送料滑塊組成，可以簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)送料曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度為，送料滑塊運(yùn)動(dòng)的距離為x2，得到下面的公式：

變形得到如下式：

化簡(jiǎn)后，得到下式：

對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)，得到關(guān)于速度的方程如下：

2 仿真模型建立

2.1 推送料機(jī)械系統(tǒng)三維建模

產(chǎn)品三維建模是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模擬的前提和基礎(chǔ)，三維模型的建立也為導(dǎo)入到仿真軟件提供了依據(jù)。根據(jù)推送料機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)化模型包括推料曲柄、推料連桿、推料滑塊、送料曲柄、送料連桿、送料滑塊、物料、限位塊等尺寸信息。在SOLIDWORKS軟件中對(duì)推送料機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模。

當(dāng)前，虛擬樣機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、設(shè)計(jì)研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，它充分借助計(jì)算機(jī)軟件，建立產(chǎn)品和設(shè)備的三維實(shí)體模型，在三維模型的基礎(chǔ)上，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的仿真模擬，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造提供基礎(chǔ)和依據(jù)。通過(guò)在計(jì)算機(jī)軟件上建立虛擬樣機(jī)，對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算、分析和優(yōu)化，用仿真的方式創(chuàng)新了傳統(tǒng)實(shí)際樣機(jī)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)[4-6]。

2.2 推送料機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型建立

動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，不僅可以作為機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析的工具，而且它具備多種接口，可以作為虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工具，適合多種開(kāi)放性程序類型，為產(chǎn)品和設(shè)備樣機(jī)的二次開(kāi)發(fā)提供平臺(tái)和基礎(chǔ)[7-8]。

通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立推送料機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，為其進(jìn)一步分析運(yùn)動(dòng)軌跡做好鋪墊。在推送料機(jī)械系統(tǒng)的三維建模建立基礎(chǔ)之上，導(dǎo)出成ADAMS軟件能夠讀取的parasolid格式，在動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS中導(dǎo)入該格式的推送料機(jī)械系統(tǒng)三維模型，對(duì)三維模型進(jìn)行約束添加[9-10]。

具體添加以下約束：（1）在推料曲柄和電機(jī)之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈;在推料曲柄和推料連桿之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈;在推料連桿與推料滑塊之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈;在送料曲柄和電機(jī)之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈;在送料曲柄和送料連桿之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈;在送料連桿與送料滑塊之間建立旋轉(zhuǎn)副，形成鉸鏈。（2）推料滑塊與導(dǎo)軌之間建立移動(dòng)副;送料滑塊與導(dǎo)軌之間建立移動(dòng)副。（3）由于要求物料在被推動(dòng)向右運(yùn)動(dòng)但沒(méi)有達(dá)到要求位置時(shí)，送料機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)，所以需要在送料曲柄和大地之間創(chuàng)建1個(gè)固連副，限位塊與地面之間創(chuàng)建1個(gè)固連副。（4）在推料滑塊與物料之間創(chuàng)建1個(gè)碰撞力，用于當(dāng)物料被送料機(jī)構(gòu)推動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)物料的水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限制;在送料滑塊與物料之間創(chuàng)建1個(gè)碰撞力，用于推動(dòng)物體向下運(yùn)動(dòng);在物料與限位塊之間創(chuàng)建1個(gè)碰撞力，用來(lái)限制物料的水平向右運(yùn)動(dòng)。

對(duì)三維模型進(jìn)行約束添加之后，從而建立起推送料機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

3 模型仿真分析

3.1 仿真過(guò)程描述

為了實(shí)時(shí)得到碰撞力，需要?jiǎng)?chuàng)建傳感器，來(lái)感知物料質(zhì)心位置和滑塊與物料之間碰撞力。在創(chuàng)建仿真過(guò)程中，動(dòng)力學(xué)仿真描述的語(yǔ)句為：SIMULATE/DYNAMIC， END=2.5，STEPS=1000;在執(zhí)行仿真過(guò)程中，推料機(jī)構(gòu)推動(dòng)物料向右運(yùn)動(dòng)，而送料機(jī)構(gòu)不動(dòng)，當(dāng)物料質(zhì)心到達(dá)指定位置時(shí)，傳感器感知到狀態(tài)，并中斷當(dāng)前的仿真，送料機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要解除感知質(zhì)心的傳感器的作用，從而送料機(jī)構(gòu)才可以開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。為此，添加動(dòng)力學(xué)仿真語(yǔ)句：SIMULATE/DYNAMIC， END=2.5，STEPS=1000;在此過(guò)程中，雖然感知質(zhì)心的傳感器不再起作用，但由于推料機(jī)構(gòu)和限位塊的共同作用，物料仍會(huì)保持在設(shè)定的位置不動(dòng)。

當(dāng)送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，送料滑塊與物料接觸產(chǎn)生碰撞力，當(dāng)該碰撞力達(dá)到或者超過(guò)50 N，感知碰撞力的傳感器發(fā)揮作用，中斷當(dāng)前動(dòng)力學(xué)仿真，接下來(lái)，物體在送料滑塊的推動(dòng)下要向下運(yùn)動(dòng)，需要解除物料與推料滑塊之間固連副作用，所以還需要添加仿真描述語(yǔ)句，得到完整的仿真描述語(yǔ)句如圖3所示。

選擇Simulate＼Scripted Controls菜單項(xiàng)，在Simulation Control 對(duì)話框中右擊Simulation Script Name文本框，在快捷菜單中選擇建模和定義號(hào)的文件夾名稱為Simulation_Script＼Guesses＼MODEL_sensor.SIM_SCRIPT_1;單擊Start Simulation工具按鈕，即開(kāi)始執(zhí)行仿真過(guò)程描述，模型的仿真過(guò)程如圖4所示。

3.2 驗(yàn)證機(jī)構(gòu)合理性

根據(jù)推送料機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)推送料的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算，測(cè)得物料在整個(gè)仿真過(guò)程中質(zhì)心位置的變化過(guò)程，也是物料質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡。以物料的質(zhì)心為研究點(diǎn)，其位移曲線平穩(wěn)流暢，如圖5所示，速度曲線光滑平穩(wěn)，具有周期性，如圖6所示。在推送物料的整個(gè)過(guò)程中，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)無(wú)死點(diǎn)，驗(yàn)證了推送料機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理性。

通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)，物料在最初的一段時(shí)間內(nèi)，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡Y方向的數(shù)值不變，此階段，是由推料機(jī)構(gòu)推動(dòng)物料向右移動(dòng)。因此，Y方向的質(zhì)心位移不發(fā)生變化，直到物料向右運(yùn)動(dòng)到指定位置后，送料機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在送料滑塊的作用下，將物料向下傳送，這個(gè)時(shí)候，物料質(zhì)心Y方向的位移發(fā)生變化。對(duì)于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡的速度曲線，速度平穩(wěn)，呈周期性，在推料機(jī)構(gòu)推動(dòng)物料向右移動(dòng)的過(guò)程中，類似于勻加速運(yùn)動(dòng)。送料機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在送料滑塊的作用下，速度方向發(fā)生改變，直到傳送到指定的位置，完成推送動(dòng)作，符合工程實(shí)際情況，也為進(jìn)一步優(yōu)化推送料機(jī)構(gòu)提供了參數(shù)依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)推送料機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行三維模型和動(dòng)力學(xué)仿真模型建立，并得出了物料質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)速度曲線，符合工程實(shí)際情況。仿真結(jié)果表明：在推送物料的整個(gè)過(guò)程中，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)無(wú)死點(diǎn)，驗(yàn)證了推送料機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的合理性，證明仿真的正確性。利用動(dòng)力學(xué)分析軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)推送料機(jī)械系統(tǒng)的仿真分析研究，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步優(yōu)化推送料機(jī)械系統(tǒng)提供了參數(shù)依據(jù)和基礎(chǔ)。

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