基于ADAMS的滑块式自定心中心架动力学仿真分析

第57卷 第2期Vol. 57 No. 22019年2月February 2019农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.02.026基于ADAMS的滑块式自定心中心架动力学仿真分析徐志龙，王恒，李铭楠（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）[摘要]自定心中心架是保证加工轴类工件时自定心性能和夹紧性能的关键部件，其中心定位精度直接影响工件的加工效率与加工精度。

基于此，通过建立多刚体系统运动学方程，利用ADAMS多体动力学仿真软件对自定心中心架作了运动学仿真分析及动力学仿真，在有、无磨削力作用下模拟实际工况，研究了不同驱动力对中间滑块的中夹头及上、下夹头与工件的夹紧力的变化曲线，为自定心中心架的优化设计提供了一定的理论参考。

[关键词] 自定心中心架;动力学分析;运动学分析[中图分类号] TG5 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)02-0110-04Dynamic Simulation Analysis of Sliding Block Self-centering Center Frame Based on ADAMSXu Zhilong, Wang Heng, Li Mingnan(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) [Abstract] Self-centering center frame is the key component to ensure the self-centering of the workpiece axis and clamping performance of processing axis workpieces. Its center positioning accuracy has direct impact on workpiece processing efficiency and processing accuracy. Based on this, through the establishment of multi-body system kinematics equation, kinematic simulation and dynamics simulation for self-centering frame are conducted using ADAMS multi-body dynamics simulation software. The curves of the clamping forces on the middle chuck, the upper chuck and the lower chuck of the middle slider with different driving forces are studied by simulation of the actual working conditions with and without grinding force. The results provide some theoretical references for the optimal design of the self-centering frame.[Key words] self-centering frame; dynamic analysis; kinematics analysis0 引言随着机械工业制造设备的发展，人们在产品设计过程中对机械工业中轴系部件的生产制造精度要求越来越高，因此在加工轴系部件，如曲轴、细长轴时，加工制造的尺寸和形位公差对制造水平有较高的要求。

受轴系类零件形状尺寸的限制，加之受其自重和加工过程中产生的磨削力影响，工件会产生一定的挠度，多重因素的效果叠加会对零件的动态特性及加工精度造成影响[1-2]。

为了保证细长轴类零件的加工精度在误差允许范围内，在加工过程中通常采用中心架来对被加工的工件进行辅助支承，以保证其加工精度。

近些年来，国内学者对自定心中心架的研究主要以凸轮结构的自定心中心架为主。

仇学军[3]介绍了一种液压联动中心架，采用这种中心架可以在很大程度上缩减装卸工件的时间，同时省去人工定心的步骤。

田立俭[4]对带有凸轮装置中心架的凸轮曲线进行了研究；卢学玉[5]等对自定心中心架的凸轮曲线进行了推导分析，得到了无约束条件下片状的凸轮曲线方程，为液压自定心中心架系列化的设计提供了重要的参考依据。

可以看出，国内对中心架的研究大多停留在传统的设计基础之上，本文利用 ADAMS 多体动力学仿真软件对自定心中心架作了运动学仿真分析及有、无磨削力作用下的自定心中心架动力学仿真分析，以磨削力的大小为依据提供给滑块式自定心中心架与之相匹配的驱动力，使得3个夹头处的夹紧力趋于相等，从而大大提高零件的加工精度。

1 滑块式自定心中心架本文主要以其机械定心结构为研究对象，此类中心架包含上、下两个机爪（分别包含上、下夹头）、一个中间滑块（包括中夹头）、上、下两个机爪上各装有一个滑轮，共有2个滑轮，2套定位块（每套定位块包括两个结构装置），4个定位杆。

特别是上、下两个机爪及中间滑块上均有夹头，共有3个夹头组成三爪夹持结构。

外部箱体包括上下左右4个侧板。

详细结构如图1、图2所示。

收稿日期: 2018-02-27 修回日期: 2018-03-13111第57卷第2期2 自定心中心架运动学仿真选择上下支臂与水平线的夹角成40°定位斜面与水平线的夹角成80°的仿真工况，完成三维模型在SolidWorks 中创建、简化处理及虚拟装配调试之后，利用ADAMS 中的导入文件功能把模型文件导入到仿真环境中，在虚拟样机环境中给滑块式自定心中心架添加运动幅的约束条件，完成滑块式自定心中心架的虚拟样机模型的建立。

2.1 模型的简化处理滑块式自定心中心架的零部件多，为了便于分析，此处将其结构进行简化，结合参数化结构模型和力学模型，把滑块式自定心中心架系统简化为只包含外部箱体，上、下机爪，中间滑块，上、下滑轮的模型，在此基础上进行仿真分析，见图3。

2.2 约束和驱动的添加将滑块式自定心中心架的零部件导入ADAMS 软件中后，给仿真环境中的零部件添加运动副的约束和驱动副的约束，对滑块式自定心中心架进行运动副约束和驱动约束的添加，使之模拟实际工况来进行虚拟样机仿真分析的研究[6-7]。

仿真分析前作如下假设：（1）滑块式自定心中心架外部箱体的自由度为0。

（2）中间滑块的自由度为1，中间滑块只有一个坐标方向上向前或向后的直线运动。

本文考虑的重点是滑块式自定心中心架夹持工件过程中的运动及受力情况，对其模型添加图4所示的约束和作用力：①中心架外部箱体与坐标系（此处为Ground）之间添加1个固定副（Fixed Joint）约束；②中间滑块与外部箱体之间添加1个移动副（Translationl Joint）；③上、下机爪与中间滑块分别添加1个移动副（Translationl Joint）；④上、下滚轮相应与上、下机爪分别添加1个转动副（Revolute Joint）。

2.3 接触约束的添加2.3.1基于碰撞函数的接触力计算方法接触碰撞模型将碰撞过程基于系统中两部件从自由运动状态到接触挤压变形状态的两个阶段。

本文研究基于非线性等效弹簧阻尼模型[8-9]，其中，非线性等效弹簧阻尼模型的一般表示形式为F K C C e 12d d dd =++o o (1)式中：F ——刚体间的法向接触力； K ——接触区域的刚度；C 1、C 2——接触区域的阻尼因子；δ——接触区域法向穿透距离； e ——不小于1的指数。

ADAMS/Solver 求解处理器运用ADAMS 自建函数库中的Impact 函数来计算模型中的接触力。

ADAMS/Solve 采用的Impact 函数法实际上等效于一个弹簧阻尼器产生的力，具体的基于Impact 函数法向接触力的计算公式为,,,,d d N kgSTEP gd c tg 00max max e=+^h (2)式中：k ——材料的刚度系数；g ——碰撞体的瞬时穿透深度；e ——力指数； STEP()——ADAMS 函数库中子函数；d max ——碰撞体接触点最大变形量；c max ——最大阻尼系数。

2.3.2接触参数在本次仿真环境中，在上、下滚轮与外部箱图2 滑块式自定心中心架结构简图 Fig.2 Sliding self-centering centerframe structure diagram图3 中心架运动学分析模型图Fig.3 Center frame kinematics analysis model图4 中心架运动学模型约束添加图Fig.4 Center frame kinematics modelconstraints adding map图1 滑块式自定心中心架结构图Fig.1 Sliding self-centering center frame structure推杆 滑槽 滑轮 定位块 上机爪 上夹头液压油缸 滑槽 滑块 定位杆 下机爪 下夹头耐磨垫片工件耐磨垫片徐志龙 等：基于ADAMS 的滑块式自定心中心架动力学仿真分析112农业装备与车辆工程 2019年体之间添加三维接触力约束，静摩擦因数和动摩擦因数的设置如图5所示。

2.4 运动过程仿真结果设定中间滑块向夹持方向伸出的移动速度为1 mm/s，仿真时间设置为1 s，运行仿真结果在ADAMS 软件的后处理模块——Post-Processor 中查看，仿真结果如图6所示。

从图6可以看出，上夹头和下夹头的移动速度幅值与设定的中夹头的幅值相等，自定心中心架的3个夹头朝向定心位置移动的速度幅值相等均为1 mm/s，在相同的时间内移动的距离也是相等的。

3 自定心中心架夹紧力的仿真分析3.1 无磨削力作用下约束和驱动的添加本文主要研究无磨削力作用下夹头的夹紧力在中心架夹持过程中，3个夹头夹持被加工工件，在液压驱动力的作用下，中间滑块推动上、下机爪运动，夹头与工件相互挤压会产生夹紧力，中心架3个夹头产生的夹紧力是本章研究的主要内容。

在运行仿真的过程中，可以用夹头与工件之间的接触力来仿真夹紧力。

研究重点是滑块式自定心中心架夹持工件的受力情况，对其模型添加如下约束和作用力：（1）中心架外部箱体与坐标系（此处为Ground）之间添加1个固定副（Fixed Joint）约束；（2）中间滑块与外部箱体之间添加1个移动副（Translationl Joint）；（3）上、下机爪与中间滑块分别添加1个移动副（Translationl Joint）；（4）上、下滚轮相应与上、下机爪分别添加1个转动副（Revolute Joint）；（5）上、下滚轮与外部箱体之间添加三维接触力（Contact）；（6）中间滑块末端添加1个驱动力（Force）；（7）上、中、下3个夹头与工件之间添加三维接触力（Contact）。