基于ADAMS的杠杆夹紧器的仿真与分析

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虚拟样机技术是当前设计制造领域的-项新技术，它利用计算机软件建立机械系统的三维实体模型和运动学、动力学模型，分析和评估机械系统的性能，从而为机械产品的设计和制造提供依据。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程，它可用在概念设计和方案论证中，仿真、实验不同的设计方案，模拟不同系统参数下的运动，方便地修改设计缺陷从而对 系统进行 不断 改进 ，直 到获得 最优设 计方 案 ，这样 不但可以缩短开发周期，而且提高设计效率。ADAMS是-款集建模 、求解、可视化技术于-体的虚拟样机软件 ，由美 国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发，也是当前世界上使用最多的机械系统仿真分析软件之-。这套软件 自身可以创建出复杂的机械系统的虚拟样机，真实地仿真其各个运动过程，并快速地分析 、比较多种参数方案l”]。

杠杆夹紧器也称锁紧装置，用于应急保护和精确定位，具有机械 白锁、安全性高、寿命长和结构简单 等特点[3 ]。

此装置在轧钢机械中有着广泛应用，例如高速线材生产线上水冷段导槽的夹紧装置、轧机减速器离线维修时内部套件装配所用的夹紧装置等。

本研究拟设计-种钢厂专用杠杆夹紧器(示意图见图1)，然后采用 ADAMs软件作为虚拟样机设计平台对其进行三维实体建模仿真，并进行运动学和动力学分析，通过 比较有阻尼和无阻尼情况下的夹紧力及连杆的速度、加速度，为夹紧器的进-步优化设计提供参考。

RF图 1 杠杆夹紧器示意图l 杠杆夹紧器的建模与仿真如图 1所示，杠杆夹紧器工作时，人手的作用力在 B点，提供顺时针方向且与杆 AB垂直的力，使杆 BAC绕 A点旋转，推动 D点向右移动，带动 E点向右移动，从而夹紧工件。

收稿 日期 ：2013-03-16作者简介：朱昌健(1979-)，男，河北唐山人，工程师，主要从事机械设计研究。

第 3期 朱昌健：基于 ADAMS的杠杆夹紧器的仿真与分析 · 1O1 ·按照设计要求，夹紧器夹紧力不小于 300 N，连杆 CD最大速度在 400 mm/s以 内。

(1)参数化点。利用 ADAMS对杠杆夹紧器进行参数化建模 ，参数化点主要提供系统模型中各个对象(部件、约束、力等)的位置坐标，修改对象可以通过修改这些参数化点来完成。根据设计要求 A，D点坐标不动 ，分别为 A(0，0)，D(320，O)；B，C点初始坐标分别为 B(-180，260)，C(140，110)，参数化坐标点后各点坐标如表 1所示。

表 1 各参 数化 点坐标值 mm(2)建立模型。利用 ADAMS中建模功能创建杆 BAC、连杆 CD模型，由于连杆 DE结构稍微复杂因此利用拉伸体功能创建。

(3)创建运动副～各杆件顺序连接起来，以定义物体之间的相对运动，在 A，B，C，D点处添加各个杆件之间的转动副，在 DE杆与地面之间添加移动副。

(4)施加力。在B点处添加与杆 AB垂直的力 F-80 N，为了方便测量 E点的夹紧力，在此处添加-个弹簧来模拟夹紧力，弹簧刚度为 K-10 N/m，阻尼系数 0〃立好的杠杆夹 紧器的虚拟样机模 型如 图 2所示 。

BD图 2 杠杆夹 紧器模型(5)添加传感器。设计要求手柄旋转到垂直位置为极限位置，因此添加-个传感器，使当 ACD>180。时仿真结束。

(6)仿真及测量。为便于观察仿真过程，设置仿真终止时间(End Time)为 0.2 S，仿真工作步长(Steps)为 100，然后进行仿真，仿真终止如图 3所示。

1.1 考虑无 阻尼时的运动仿真在不考虑阻尼时，夹紧力曲线如图 4所示，夹紧力随时间而增大，当 ACD等于 180。时，仿真停止，此时夹紧器最大夹紧力为 408.1 N。图 5为 ACD的变化曲线，角度随时问而增大，由于添加了传感器，当 ACD≥180。时仿真结束。

无阻尼时CD杆速度曲线如图 6所示，CD连杆速度随时间而增大 ，当接近 0.075 S时，速度达到最大值为 417 mm/s，随BC D - L E图 3 仿 真终止后速度随时间降低并在 0.19 s时稍微增大，但仍小于最大值。无阻尼时 CD杆加速度曲线如图 7所示 ，当仿真开始时加速度达到最大值为 8 874 mm/s。，随后时间增大，加速度降低，并又在 0.18 s附近增大，但仍小于仿真开始时的加速度最大值。根据以上结果，表明夹紧力满足设计要求，而 CD连杆速度有些偏大，最大值 417 mm/s 大于设计要求的速度400 mm/s ，因此需要对杠杆夹紧器进-步细化仿真。

罾里呈me fsee)图 4 无阻尼时夹紧力 曲线Time(sec)图 5 ACD的变化 曲线图 6 无阻尼时CD杆速度曲线珊枷渤珊瑚啪伽∞o5 ，日· 1O2 · 唐山学院学报 第 26卷 . 1J - ～ ：-- ， 、r - Ir ， l； - I- i r l图 7 无 阻尼 时 CD杆加 速度曲线1.2 考虑有 阻尼 时的运动仿真夹紧器在实际运转过程中由于有阻尼的存在，如铰链之间的摩擦力、碰撞等，会使得能量逐渐衰减从而运动(位移、速度 、加速度等)减弱，而适当的阻尼又有助于减少结构的共振振幅，从而避免结构因振动应力达到极限造成机构破坏。

因此在机械系统的结构设计中，合理地运用阻尼技术，可使隔振、减振的效果显著提高。

本部分分析阻尼对杠杆夹紧器 的影响，当阻尼 系数为0.03 N·s/m时，对系统进行仿真，得到有阻尼时夹紧力曲线、CD杆速度 曲线、CD杆加速度 曲线如图 8，图 9，图 10所示 。

毛Time(sec)图 8 有阻尼时夹紧力 曲线， ；；/ ，； ； ≥ ； ：： j1lme(sec)图 9 有 阻尼 时 CD杆速 度曲线由图 8可 知 ，当阻尼 系数为 0.03 N ·s/m 时 ，夹紧器 夹紧力与无阻尼时相比明显降低，夹紧器最大夹紧力为 324 N，但满足设计要求。由图 9可知，CD连杆速度在0.075 S附近达到最大值为 380 mm/s，满足速度在 400 mm/s以内的设计要求。由图 1O可以看出，在仿真开始时，CD连杆加速度达到、、 、 ， - - 图 l0 有阻尼时 CD杆加速度 曲线最大值为8 870 mm/s，随后时间增大，加速度很快降低为 0，在 0.075 S附近改变方向并增大，但在数值上仍小于仿真开始时的加速度最大值，与图 7变化趋势基本相同。

由此可以看出，在有阻尼 的情况下，夹紧器夹紧力以及连杆 CD速度最大值都有所降低 ，而最大加速度值没有发生明显变化 ，说明阻尼对加速度值的影响不大，本次夹紧器设计未对加速度值进行限制，但是测得的加速度值 比较大，因此会产生大的冲击力、碰撞力，在实际工作中可能会出现杆件的冲击断裂等后果，需要进-步优化。

2 结论基于 ADAMS虚拟样机仿真软件平 台对杠杆夹紧器进行了建模仿真及运动分析，比较了有阻尼和无阻尼情况下的夹紧力及连杆 的速度、加速度。当考虑阻尼时，夹紧器的最大夹紧力明显下降，连杆速度最大值也有所减小，因此在制作物理样机时，为满足设计要求，需要将阻尼限制在-定范围内。本研究表明运用虚拟样机技术，可以简化机械产品的设计开发过程 ，方便迅速得到系统的运动学及动力学参数 ，为后续优化设计提供有益的参考。