基于Adams的凸輪機構(gòu)運動仿真教程

1、姓名：xx 專業(yè)：機電信息工程 班級：機自xx 學(xué)號：xx基于adams的凸輪機構(gòu)運動仿真摘要：虛擬樣機技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，其中ADAMS軟件是目前最著名的虛擬樣機分析軟件之一。本文闡述了虛擬樣機技術(shù)和ADAMS軟件的特點及其應(yīng)用，以凸輪機構(gòu)為研究對象，對其進行動力學(xué)分析。主要運用我們學(xué)習(xí)過的機械原理等理論知識對機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)的相關(guān)理論計算；利用ADAMS軟件在圖形顯示方面的優(yōu)勢，采用其基本模塊ADAMS/View(界面模塊)進行一系列建模、運動分析和動態(tài)模擬仿真工作，驗證模型的正確性，并對機構(gòu)在整個周期內(nèi)的可行性進行計算分析，記錄相應(yīng)信息，輸出所需要的位置、速度、加速度等曲

2、線與理論結(jié)果比較，充分展現(xiàn)虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)越性，為虛擬樣機技術(shù)的深入研究打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：ADAMS；凸輪機構(gòu)；運動學(xué)分析；仿真引言 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛，在生產(chǎn)機械中應(yīng)用凸輪機構(gòu)可以較容易的實現(xiàn)不同的工作要求。特別是實現(xiàn)間歇式的運動過程！但是，目前對于該類模型的動態(tài)仿真很少。本例主要就推程、回程等要求進行預(yù)設(shè)。力圖通過adams實現(xiàn)對該凸輪機構(gòu)的構(gòu)建以及后續(xù)的仿真，并嘗試進行一定的機構(gòu)優(yōu)化。1. 研究內(nèi)容 這里，我主要研究內(nèi)容為理論凸輪設(shè)計在adams中的設(shè)計及其動態(tài)仿真。后續(xù)，根據(jù)輸出的相應(yīng)的速度、加速度曲線等將進行一定的設(shè)計優(yōu)化。力圖真實還原凸輪機構(gòu)在設(shè)計中的真實過程。2. 工作原理

3、凸輪機構(gòu)是由凸輪，從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)。 凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動或往復(fù)直線運動。 通過對凸輪輪廓進行不同的設(shè)計，可以實現(xiàn)從動件不同形式的運動。以此來滿足機械設(shè)計中對于運動的精細(xì)控制過程。3. 動力學(xué)建模 （1）建模前期準(zhǔn)備情景設(shè)想：某公司需要設(shè)計一凸輪機構(gòu)實現(xiàn)對物料的間歇夾緊過程。其給出相應(yīng)數(shù)據(jù)如下。注：其他的暫不作要求。 （2）設(shè)計前期準(zhǔn)備。目前，凸輪機構(gòu)的設(shè)計主要有：利用excel創(chuàng)建凸輪運動軌跡點，再導(dǎo)入相應(yīng)三維設(shè)計軟件進行建模。隨后再導(dǎo)入adams進行一定的分析。利用函數(shù)直接在adams里進行凸輪的創(chuàng)建與仿真。但是，這兩種方法

4、在實際的工程中都存在著極大地弊端。第一種方法，由于要在幾個軟件之間進行轉(zhuǎn)換。一旦仿真出現(xiàn)問題，就必須要修改原始的設(shè)計數(shù)據(jù)。也就意味著所有的步驟都要重新做一遍。雖然也可以，但會耗費大量的時間。對于工程實際來講往往不可取。第二種方法的話，雖然簡介明了，但是由于涉及到函數(shù)問題。就必須要求設(shè)計者對語言應(yīng)用能力有一定的造詣。同時，隨著仿真的難度加大，這類問題必將會越來越明顯，也就會令凸輪的設(shè)計只能是那一部分人來做。不利于大眾的推廣！因而，基于上面的原因。下面我們將介紹一種新的設(shè)計方式！它對第二種方式（基于函數(shù)創(chuàng)建的方式）進行了優(yōu)化。這里主要利用adams2014版本的凸輪插件進行。（3）打開adams軟

5、件，創(chuàng)建模型。 注：為了得出理想數(shù)據(jù)，這里不施加重力 （4）在Machinery（機構(gòu)）菜單下找到如下所示板塊。依次如圖進行操作。 （5）進行操作1，點開后如下圖 注：Motion Type（運動類型）選擇Cam Angle Bassed（基于凸輪角度） Method（創(chuàng)建方式）選擇Function Bulider（函數(shù)創(chuàng)建）； Follow Displacement（推桿移動方式）選擇Translational（平移） 5.1創(chuàng)建推桿的運動規(guī)律 注：第一段設(shè)置為POLY（直線），取斜率為0.3333； 第二段設(shè)置為CONST（常數(shù)），取其為40； 第三段設(shè)置位POLY（直線），取斜率為-0.

6、3333； 第四段設(shè)置為CONST（常數(shù)），取其為0； 5.2進入下一步，查看結(jié)果 5.3一直下一步，因為曲線已經(jīng)符合設(shè)計要求，所以不對其進行優(yōu)化； （6）創(chuàng)建凸輪的輪廓線 6.1設(shè)置凸輪的基本參數(shù) 注：Cam Shape（凸輪類型）設(shè)置為Disk（盤型）； Minimum radius(基圓半徑)設(shè)置為35mm； Thickness（厚度）設(shè)置為10mm； Axis of rotation（轉(zhuǎn)動軸）設(shè)置為Z軸。 6.2確定創(chuàng)建凸輪輪廓的依據(jù) 注：Follow Motion name（從動件名字）選擇上一步創(chuàng)建的從動件； Follow Arrangement（從動件組合形式）選擇inline（

7、對心） Follow motion type（從動件運動規(guī)律）選擇translation（平移） Follow Geometry（從動件結(jié)構(gòu)）選擇knife edge（尖頂） 6.3瀏覽凸輪輪廓線上的點數(shù)據(jù)集 6.4點擊finish完成凸輪創(chuàng)建 （7）創(chuàng)建凸輪機構(gòu) 7.1點擊machinerycam中的第3個按鈕如下圖，開始創(chuàng)建凸輪的輪廓線。 7.2指定名字 這里指定凸輪機構(gòu)的名字，推桿的名字，以及凸輪輪廓。 直接下一步 7.3確定從動件的個數(shù)以及凸輪-從動件之間的連接方式 注：這里設(shè)定為只用一個從動件，二者之間用約束（constraint）的形式連接。 7.4確定凸輪。 注：右鍵選擇前面創(chuàng)建

8、的凸輪 7.5確定凸輪和地面的連接方式。 注：注意rigid body name（剛體名字）右鍵選擇為地面 7.6指定從動件的形狀及運動形式 注：這里不可更改，它是尖頂、平移、對心 7.7指定從動件的幾何參數(shù) 注：設(shè)定推桿的總長為100mm，尖端是20mm，其截面為5mm的圓形，直立。 7.8指定從動件與機架之間的連接方式 注：確定它與地面之間是移動副。 7.9指定推桿上所施加的載荷 注：為了得出理想數(shù)據(jù)，這里不施加載荷 7.10定義質(zhì)量參數(shù)。3.數(shù)據(jù)分析通過施加驅(qū)動，得出如下圖形：（1）檢測位移曲線分析：通過圖片可以看到，該圖形完全達到設(shè)計預(yù)期效果（2）檢測壓力角分析：可見，最大的壓力角小于

9、30度。一般直動推桿的許用壓力角為30度，所以這里壓力角是滿足要求的。 （3）查看速度與加速度分析：可見，速度和加速度符合運動學(xué)規(guī)律。圖中可以看出，運行圖像還是相對較平穩(wěn)。易于控制升程回程時間。但在幾個部分交界處，加速度以及速度有明顯突變。根據(jù)F=ma，可見在此處有極大的沖擊。因而，不符合工程實際。需要進行機構(gòu)優(yōu)化。4. 機構(gòu)優(yōu)化 由于實際工作中，存在重力。而且，凸輪以及推桿實際設(shè)計時是需要考慮材料的。同時，尖頂推桿實際工作中腳容易磨損。故試進行下列優(yōu)化： （1）添加重力 （2）對凸輪輪廓及推桿進行優(yōu)化 注：其他設(shè)置無太大變化，主要是這里的Follow Geometry（從動件結(jié)構(gòu)）選擇cir

10、cular end（推桿接觸部分為滾子）。創(chuàng)建后，嘗試添加驅(qū)動進行驗證時，出現(xiàn)下圖： 錯誤原因大致為：封閉曲線,曲線/ 1,第一個數(shù)據(jù)點和最后一個數(shù)據(jù)點需要有相同的坐標(biāo)。請改變曲線的數(shù)據(jù)來滿足這個要求。如下圖，原因可清晰看出 經(jīng)過反復(fù)測試，最終原因確定為由于預(yù)定函數(shù)圖像為線形圖像，在結(jié)合處不夠圓滑。導(dǎo)致實際生成凸輪輪廓在接口處會有突變。如果使用尖頂凸輪的話，因尖頂不存在半徑，所以解算時不考慮。但如果為其他滾輪等，因為有半徑存在。程序需要考慮半徑的情況。兩者結(jié)合引發(fā)沖突，所以會報錯。故這里暫選用尖頂，不設(shè)計為滾輪等。 （3）對推桿添加彈簧，構(gòu)成力封閉。從而保證仿真接近實際 注：由于這里沒有實際參

11、數(shù)規(guī)定。所以只是設(shè)計為剛度系數(shù)取為100（N/mm）；阻尼系數(shù)取為1（N-sec/mm）。最終建立后，得出如下圖：1、監(jiān)測位移曲線可見，壓力角在32度左右。勉強符合壓力角規(guī)定。2、檢測位移曲線注：符合預(yù)設(shè)條件3、檢測速度、加速度曲線注：前者為優(yōu)化后，后者為優(yōu)化前?？梢钥匆娂铀俣茸冃×?。相應(yīng)的，所承載的力也就減少了。這說明通過添加重力以及彈簧力后，機構(gòu)是能夠進行一定的優(yōu)化的。力的結(jié)果如下5.總結(jié)及感悟本次模擬仿真試驗，一定程度的還原了利用adams進行仿真設(shè)計的過程。當(dāng)然，最后的結(jié)果實在不理想。主要反映為預(yù)設(shè)條件不是太恰當(dāng)和自己能力不強等方面。通過此次大作業(yè)，可以說讓我進一步掌握了對adams軟

12、件的操作。同時，在本次作業(yè)中。我也深刻體會到了基礎(chǔ)知識的重要性。猶記得剛開始我的凸輪設(shè)計是采用函數(shù)設(shè)計。當(dāng)時去查了很多資料，但還是一頭霧水。后來，聽取老師建議選擇excel加三維軟件再加adams的模式。但實際設(shè)計下來，發(fā)現(xiàn)這樣的方式轉(zhuǎn)換下來有一定的工作量。于是，我就開始上網(wǎng)去查閱資料，尋求解決辦法。終于有一天我發(fā)現(xiàn)adams2014版本已經(jīng)支持基于圖像的凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。于是，我便最終選擇了這種模式。在設(shè)計過程中，基本屬于摸著石頭過河。由于英語基礎(chǔ)本就不太好，每個界面的單詞幾乎都要去查閱資料。同時，對于實際過程的那個分段設(shè)計過程，也很是費腦筋。雖然看起來就是幾條直線組合起來。但因為對該界面很不熟悉，費了很多腦筋。同時，后面的那個壓力角，也讓我發(fā)現(xiàn)了