基于ADAMS的夹紧机构动态仿真

张相志* 王彦伟

（武汉工程大学 机电工程学院）

0 前言

夹紧机构应能保证工件可靠地接触相应的定位基面，夹紧后不能破坏工件的正确位置，在加工过程中，工件不能因为切削力的作用产生位移和晃动。因此，夹紧机构必须能产生足够大的夹紧力，具有较高的刚性，还要具有自锁性能来保证其工作可靠性。在自动夹紧或用自动扳手夹紧的夹紧机构中，通常其中间传动机构具有自锁性，确保夹紧动力撤除后工件不至于松开。气动夹紧机构通常也具有自锁性。

国内不少研究学者对夹紧机构都进行了研究。王毅亮等[1]采用ST2 软件建立三维模型导入虚拟样机仿真软件ADAMS 对进料夹紧机构进行仿真模拟，从而确定进料夹紧机构中弹簧的扭矩及变形曲线，裴峻峰等[2]应用Workbench 软件对设计的套管钳钳头夹紧机构的三维模型进行了力学分析，分析了钳头组成部分的应力情况，并首次采用先进的压力胶片测量方法进行了钳头夹紧机构的应力测试分析，验证了设计和仿真分析的正确性。贺凯悦等[3]利用ADAMS 软件建立了水压机夹紧机构的三维实体模型，在仿真分析后对夹紧机构进行参数化建模并进行优化设计。席晓燕[4]也基于ADAMS 仿真软件平台设计了一种矿用铰链夹紧机构，对铰链夹紧机构进行了建模仿真，并以夹紧力最大为目标函数对系统进行了优化。ADAMS 仿真软件平台可用来对不同类型的夹紧机构进行仿真模拟，确定影响夹紧机构工况的最大因素，从而优化夹紧机构装置。当然，国外也有研究学者通过ADAMS 软件建立夹紧机构的三维模型，对其进行仿真模拟，并将仿真结果与理论计算结果进行比较，证明仿真模拟的准确性[5]。

传统的机床夹紧机构大多采用经验取值法或类比法来设计，限制了机床性能进一步提高。随着计算机辅助设计技术的发展，虚拟样机技术已广泛应用于各个领域。本文通过ADAMS 软件对简单的夹紧机构进行了三维建模，并进行了三维仿真模拟，探讨了夹紧机构的弹簧在运动过程中的受力情况，结合运动学理论对其受力曲线图进行了分析。

1 夹紧机构建模

ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型。其求解器采用多刚体系统动力学理论的拉格朗日方程建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。因此ADAMS 软件具有强大的参数化建模功能，建模时根据需要确定相关的变量，并将这些关键变量设置为可改变的设计变量。对于夹紧机构系统而言，夹杆上作用力是影响弹簧力变化的关键因素，但在设计中已将其设为定值。

建模时，首先应该选择零件库的点（Point） ，主工具箱中显示出点（Point）的选项, 选择“Add to Ground”和“Don't Attach”，在工作窗口中借助工作网格创建6 个点，6 个点的坐标位置如表1 所示。然后根据6 个点的坐标，可以创建点的模型，然后根据每1 个点的位置来创建夹紧机构模型中的零件、约束副、弹性连接、应用力和驱动。

1.1 摇臂和手柄的创建

选择 ADAMS/View 中零件库的平板（Plate） ，主工具箱显示出平板（Plate）的选项。选择“New Part”，输入平板的厚度值（Thickness）为 1，输入平板的圆角半径（Radius）为 1，用鼠标左键选择设计点 “POINT_1”，“POINT_2”和“POINT_3”，按鼠标右键完成摇臂的创建工作，如图 1 所示。主工具箱显示出连杆（Link）的选项, 选择“New Part”，用鼠标左键选择设计点 “POINT_3”和“POINT_4”，完成手柄的创建工作，如图 2 所示，将其重新命名为“handle”。

表1 点的坐标

图1 创建摇杆

图2 创建手柄

1.2 锁钩和固定体的创建

选择 ADAMS/View 中零件库的拉伸体（Extrusion），主工具箱显示出拉伸体（Extrusion）的选项, 选择“New Part”和“Closed”，将拉伸体的长度（Length）设置为 1，用鼠标左键选择11 个坐标，按鼠标右键完成锁钩的创建工作，如图3 所示，将其重新命名为“hook”。选择 ADAMS/View 中零件库的长方体（Box） ,主工具箱显示出长方体（Box）的选项。选择“On Ground”，使其与大地（Ground）固结在一起，创建固定体，如图4 所示。

图3 创建锁钩

图4 创建固定体

2 夹紧机构模型的仿真

首先选择 ADAMS 零件库中的“Marker”按钮，在位置（-18，14，0）处，创建“MAR_5”。选择 ADAMS/View 力库中的力（Force）按钮 ，设置力的方向为与物体固定（Body Fixed）；初始方向为选择特征方向（Pick Feature）;力的大小为常量（Constant），数值为 80。选择ADAMS/View 力库中的弹簧（Spring）按钮 ，设置弹簧的刚度（K）为 800，弹簧的阻尼（C）为 0.5。选择位置（-14，1，0）和（-23，1，0），创建锁钩和大地之间的弹簧，如图5 所示。而在实际结构中并没有这个弹簧，创建该弹簧的目的是为了获得实际结构中的夹紧力。

图5 夹紧机构的模型

在仿真动画框中设置仿真时间与步数，然后开始进行动态仿真，在这一过程中ADAMS/View 软件会自动调用开始模拟出夹紧机构中弹簧力的变化曲线，如图6 所示。

图6 弹簧力的变化曲线

3 结论

利用ADAMS 软件创建夹紧机构模型的，并对其进行运动学仿真，生成夹紧机构在运动过程中弹簧力随时间变化的曲线。由于在夹紧机构中的手柄顶端施加了一个大小恒定的压力，使手柄带动连杆，又通过连杆推动锁钩，锁钩压缩弹簧，使得弹力快速增加，当压缩弹簧达到一定压缩量时，弹簧对锁钩的弹力大于连杆对锁钩的推力，弹簧要推动锁钩向右侧移动，弹簧压缩量随之减少，因此弹簧上的弹力减小，周而复始，弹簧上的弹力先增大后减小，减小到一定程度又再增大，因此就产生了形如正弦函数的弹力变化曲线。