基于ＡＤＡＭＳ的可调六杆机构动力学仿真分析 口胡建国 口张贵成 ５２８３３３ ５２８３００ １．顺德职业技术学院机电工程系 广东顺德２．广东锻压机床厂有限公司 广东顺德摘 要：为了分析可调铰接点位置的变化对可调六杆推料机构输出特性的影响，采用三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅ建立了三维 模型，运用动力学分析软件ＡＤＡＭＳ建立了参数化的虚拟样机模型。以可调铰接点的横坐标为设计变量，以可调推料机构 的最大输出行程为设计目标，对虚拟样机进行研究分析。在考虑负载和摩擦情况下，对滑块的行程、速度以及曲柄驱动力 矩进行动力学仿真分析。结果表明，设计的可调六杆推料机构具有较大的可调行程、较好的急回特性以及较高的增力特 性。 关键词：六杆机构 可调机构 ＡＤＡＭＳ动力学仿真 中图分类号：ＴＨ１１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１３）０７—００２４—０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｈｉｎｇｅ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ６－ｂａｒ ｐｕｓｈｅｒ，３－Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｒｏ／Ｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＤＡＭＳ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｍｏｄｅ１．Ｉｔ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｈｉｎｇｅ ｐｏｉｎｔ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｓｔｒｏｋｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｕｓｈｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｒｆ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｔｕａｌｒ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｏｋｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｄｅ ａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｋ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ６－ｂａｒ ｐｕｓｈｅｒ ｈａｓ ａ ｌａｒｇｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｓｔｒｏｋｅ，ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ ｑｕｉｃｋ ｒｅｔｕｒｎ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：６－ｂａｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ＡＤＡＭＳ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 现代产品的多品种、小批量生产特点，越来越要求 现代机械能够实现柔性输出。发展输出柔性化的可控 机构是机械产品创新的新途径…．可调机构是可控机 构中的一种．是指在机构的运动停歇过程中，在输入运 性，此外。推料机构还应具有良好的增力特性以降低对 原动机的扭矩需求。鉴于传统的作图法或解析法存在 精度低或推导复杂等问题，本文采用多体动力学分析 软件ＡＤＡＭＳ．对可调六杆推料机构进行动力学设计与 分析．首先利用参数化坐标点建立虚拟样机参数化模 型，然后通过调整可调支座的坐标，分别对推杆的运动 动不变的情况下，通过调整构件的形状、尺寸、位姿或 者铰接点位置．使输出构件能够完成多变的任务要 求［ ］ 如Ｒ．Ｐｅｎｎｏｃｋ等（ ｊ设计了一种Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ ｎｌ型 可调六杆机构。在曲柄输入转速不变的情况下，通过改 学和动力学特性进行研究分析，最终得到符合设计要 求的机构尺度。 变连架杆与机架铰接点的位置，实现变速传动。徐海晶 等ｌ 在ＭＡＴＬＡＢ中建立可调机构的仿真模型．在不改 １ 可调六杆推料机构工作原理 图１所示为可调六杆推料机构结构简图，曲柄ＡＢ 输人匀速转动，连杆ＢＣ和ＣＥ作一般平面运动，连架 杆ＣＤ绕铰接点Ｄ作摆动，滑块输出往复直线运动。为 变执行机构结构参数的前提下，调整驱动机构的几何 参数来控制并改善执行机构的运动特性。姜银江等 在确定可调节型曲柄滑块机构轨迹柔性的基础上．通 过调节滑块导路的位姿来改变连杆曲线，并采用遗传 算法获得最优的轨迹。 本文研究的可调六杆推料机构的基本功能是将原 动机输出的恒速转动变换为推杆的直线往复运动，同 时要求推杆行程能够根据＿［艺要求在一定范围内可 调，并且为了提高生产效率，要求推杆运动具有急回特 ２００９年广东省普通高校工程技术研究（开发）中心项目（编号：ＧＣＺＸ～ Ｂ０９０６） 收稿日期：２０１３年３月 ２０１３／７ 机械制造５１卷第５８７期 了改变滑块的运动行程和速度，铰接点Ｄ可沿Ｘ轴水 平调整。 图ｌ中，ＯＬ是输入量， 是输出量， 是可调量，根 据几何关系。可得到如下方程： Ｉｉｓｉｎｔ￣＝ｘＢ （１） Ｉｉｃｏｓａ＝Ｈｌ ８ （２） （ 矿－ ｃ）２＋（ｙ８一ｙｃ） ＝Ｚ２２ （３） （ｘｃ－Ｌ） ＋，，ｃ２＝Ｚ３ （４） （ 广 ｃ）ｚ＋（Ｈ２－ｙｃ）。＿－／４２ （５） 消除中间变量 Ｙ 和Ｙ ，可得到输入转角 与滑块位置 之间的关系；若改变铰接点Ｄ的 轴 坐标 ，滑块的运动行程和运动速度将发生改变。 ２虚拟样机模型建立 利用Ｐｒｏ／Ｅ软件建立三维模型并进行装配，然后 保存为 ．ＳＴＰ文件，再导入ＡＤＡＭＳ软件，在所有的铰 接处（机身与输入轴、曲柄与左连杆、左连杆与右连杆、 左连杆与连架杆、连架杆与可调支座、右连杆与滑块之 间）施加转动副约束，在滑块与机身之间施加移动副约 束，在输入轴施加匀速驱动，在推杆伸出行程时施加负 载．并考虑各运动副的摩擦影响，从而建立虚拟样机模 型，如图２所示。 为了分析铰接点Ｄ在 轴向水平调整对滑块的 运动学和动力学特性的影响，将可调支座铰接点的 轴坐标参数化，以便于进行设计研究分析。可调支座处 于左极限位置和右极限位置时的机构构型分别如图３ （ａ）和图３（ｂ）所示。 ３设计研究与仿真结果分析 在ＡＤＡＭＳ中对输入轴施加３０ ｒ／ｍｉｎ的匀速驱 动：在推杆伸出一定行程内利用ＩＦ函数施加１Ｎ的恒 定负载；在各运动副上施加摩擦力，其中，取静摩擦因 数为０．０５，动摩擦因数为０．０３，摩擦半径为３ ｍｍ；取可 调支座铰接中心的Ｘ轴坐标…Ｌ’为设计变量，变量取 值范围的表示方式为相对值方式，其上、下限（分别对 应图３中的右、左极限位置）为±７．５ ｍｍ；创建滑块在Ｘ 轴方向行程的测量函数“Ｓｔｒｏｋｅ” 选择“Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｕｄｙ” 机械制造５１卷第５８７期 仿真方式＿８］．并将“Ｓｔｒｏｋｅ”测量函数设置为设计目标变 量。选择“￡”为设计变量；设置仿真时间为２ Ｓ，计算步 数为２００步：点击“Ｓｔａｒｔ”按钮开始分析。 根据分析结果，选取较优的可调铰接点的可调位 置范围．使可调推料机构不仅推杆行程满足工艺要求， 而且推杆运动具有良好的急回特性，同时还具有良好 的增力特性 确定可调铰接点的较优可调位置范围后，为了分 析可调支座处于图３所示的左、右极限位置时。可调六 杆推料机构在实际推料过程中的输出运动与动力特 性．本文在考虑负载和摩擦情况下，对滑块输出的行 程、运动速度以及曲柄驱动的力矩进行比较分析。 ３．１ 滑块行程 图４所示为可调支座分别处于左、右极限位置时， ２０１３／７ 国 滑块存～个推料周期内的运动行程曲线。从冈中可以 和更好的急回特性．但是需要更大的驱动扭矩。 看｝ｆＪ，当可调支座处于右极限位置时，滑块的最大行程 为３５ ｍｌＴＩ：当可调支座处于左极限时，滑块的最大行程 可增大至接近４５ Ｈｉｍ．行程可调范同达到１０ ｍｍ．从而 实现通过调整可调支座水平位置来改变滑块输出运动 行程的设计要求。 ３．２滑块速度 ４ 总结 设计了一种通过调整连架杆与机架铰接点位置来 改变输出行程和速度的可调六杆推料机构．在多体动 力学分析软件ＡＤＡＭＳ上建立了参数化的虚拟样机模 型，并进行了设计研究分析。通过动力学仿真分析，对 可调六杆推料机构的可调支座处于不同位置时的滑块 运动行程、运动速度以及曲柄驱动扭矩进行了比较分 析．为可调六杆推料机构的尺度优化、结构设计以及强 度校核等提供一定的理论依据。 网５所示为可调支座分别处于左、右极限位置时． 滑块在～个推料周期内的运动速度曲线。从图中可以 看出，该六杆机构的滑块运动具有慢推急回特性．以可 调支座处于左极限位置时为例。在伸出推料行程。滑块 的最大速度不超过６０ ｍｍ／ｓ，而在返回行程，滑块的最 大速度接近１４０ ｍｍ／ｓ．行程速比系数Ｋ达到最大值 参考文献 ［１］邹慧君．现代机构学进展［Ｍ］．北京：高等教育出版社， ２００７：１０—１１． １．７，可 可调支座越靠近左极限位置，慢推急回特性越 明显。慢推急回特性可在保证推料平稳的同时．使该六 杆推料机构获得较高的推料频率，从而提高Ｔ作效率。 ３．３ 滑块负载 ［２］邹慧君，周洪，李瑞琴．可调节型函数生成机构的优化设计 ［Ｊ］．中国机械工程，２００２，１３（１１）：９６５—９６６． ［３］ 林光春，张济，徐礼钜，等．基于遗传算法的可调平面五杆机构 多任务轨迹优化综合［ 机械设计与制造，２００８（１）：１９－２１． ［４］李瑞琴，邹慧君．可控机构的分类及应用［Ｊ］．机械设计与研 究，２００２，１８（４）：ｌ７—２０． 『５］ Ｇｏｒｄｏｎ Ｒ Ｐｅｎｎｏｃｋ，Ａｌｉ Ｉｓｒａｒ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｙｎｔｈ． 图６所示为可调支座分别处于左、右极限位置时． 利用ＩＦ函数施加的负载曲线。当滑块伸出１０ ｍｍ时， 对推杆施加１Ｎ阻力并保持；当滑块伸出３５ ｍｍ时，阻 力取消，该加载方式可通过如下ＩＦ函数来实现：ＩＦ （Ｓｔｒｏｋｅ－１０：０，１，ＩＦ（Ｓｔｒｏｋｅ一３５：ｌ，ｌ，０））。当可调支座处于 左极限位置时，由于滑块运动速度较快，阻力较早地施 加到推杆上，且施载时间较短 ３．４ 曲柄扭矩 ｅｓｉｓ ｏｆ ａｎ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｓｉｘ－ｂａｒ Ｌｉｎｋａｇｅ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ，２００９，４４：３０６－３２３． ［６］徐海晶，张怡，冯春．基于ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ的可调机构设计［Ｊ］． 机械设计与制造。２００６（９）：３７—３８． 图７所示为可调支座分别处于左、右极限位置时． 在上述加载条件和摩擦条件下，曲柄以３０ ｒ／ｍｉｎ转速 输入运动所需要的驱动扭矩。从图中可以看出。当可调 支座分别处于左、右极限位置时，曲柄需要的最大扭矩 ［７］姜银江，莫锦秋，梁庆华，等．系泊链超声检测轨迹的可调节 型曲柄滑块机构的优化综合２０１ １．４０（４）：１３—１６． 『Ｊ］．机械制造与自动化， ［８］ 葛正浩．ＡＤＡＭＳ２００７虚拟样机技术［Ｍ］．北京：化学工业 版社。２００９． △ 分别仅为２４ Ｎ・ｍｌＴＩ和ｌ９．５ Ｎ・ｍｍ。可见，当可调支座 处于左极限位置时，虽然滑块可获得更大的运动行程 ？ 。。。。。’。。’ 。 。。 。‘’…’。 。 。。’。 ’ 。一 ● （编辑 日 月） ’ 。 ’。 ’一 ’ 。。。 。。’ ： 。。。…。 。。’ 。。。 。。 ’ 。’ 。。。。’ ’。。。’。。。。 。。。。’。。’。。’。。’。。。 。 。。。 。。 ’。 。 ’。。。 ” 。 抓住？ 讥遇ｓ促进经济转型升级 ： 上海《机械制造》杂志社有限公司 ｉ．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告．公益广告． １国２０１３／７ 机械制造５１卷第５８７期
