基于ADAMS的凸轮机构运动学分析

针对传动的凸轮机构设计不方便且设计周期比较长的问题,利用ADAMS软件设计尖顶直动从动件盘型凸轮机构实体造型,对实体造型进行运动分析和模拟仿真,使凸轮的设计效率得到进一步提高,从而缩短设计时间,为今后凸轮机构设计提供理论基础和新的设计方法。ADAMS 软件涉及多体系统动力学与动力学建模理论及技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、 交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。 虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点。利用ADAMS 软件还能计通过算机仿真分析复杂的机械系统的运动学和动力学性能，可以使我们了解现代计算机辅助机械设计的高效、 直观、 快捷的特点。从而提高了我们的动手能力和创新能力。

凸轮机构是常用机构，应用范围很广。自三十年代以来，人们就在不断地研究它并且研究工作随着新技术、新方法的产生和应用在不断深化，目前低、中速凸轮机构的研究在各方面已经相当完善、成熟。而现代生产要求机器的运转速度及工作效率不断提高,这也就相应地要求高速凸轮机构具有更好的动力学性能。现在，人们研究工作的重点已转向了高速凸轮机构及动力学特性这一以往研究不够深入、完善的方面^[1]。

凸轮机构结构简单、紧凑^[2]。利用ADAMS软件设计尖顶直动从动件盘型凸轮机构实体造型,对实体造型进行运动分析和模拟仿真,使凸轮的设计效率得到了提高,缩短了设计时间,为今后在设计凸轮机构上提供了理论基础和新的设计方法^[3]。在设计和分析中假设推程和回程运动轨迹方程;一方面运用解析法对假设的轨迹方程进行计算,计算出从动件速度、加速度,另一方面利用ADAMS进行了实体造型和仿真,对实验仿真数据和理论计算结果进行对比,结果完全一致,验证了ADAMS对凸轮机构设计及运动学分析方法的正确性。

凸轮在自动机床进刀机构、上料机构、内燃机配气机构、制动机构及印刷机、纺织机、插秧机、闹钟和各种电器开关中都有广泛的应用^[4]。正是它的广泛应用推动了对它的研究和它自身的发展。最初，人们只研究凸轮的简单几何形状和运动。以满足对从动件运动的简单的位移要求。随着对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面要求的日益提高。对凸轮机构的研究也逐步扩展与深化。从简单地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析。发展到考虑动力学分析、润滑、误差影响、弹性变形等。其研究方向已有数十个之多。特别是五十年代以来。由于计算机技术和各种数值计算方法的发展。使得很多方面的研究得以深入。

凸轮机构是常用机构的典型机构。可使从动件的位移、速度和加速度严格地按照预定规律变化。所以,凸轮机构广泛应用于各种机械和自动控制装置中^[5]。凸轮机构的动力学研究仍然是今后研究的热点，运用可变形多体系统动力学、接触力学、概率分析^[6]和有限元分析法来进行凸轮机构动力学的研究。加强对凸轮机构动力学仿真、动态设计和振动控制的研究，以提高设计的质量和缩短产品周期。

凸轮机构的运动学分析首先是研究它的运动规律。几乎所有的关于凸轮机构的专著，都对其运动规律作了系统的介绍^[7,8]。国外一些学者提出了一些用样条函数设计出的凸轮机构运动规律，这些运动规律具有较好的适应性，可以方便的控制运动特性，特别适合于进行动力学分析。但有一个缺点，曲线的生成较为复杂，尚未得到推广应用^[9,10]。我国的一些学者则应用瞬时螺旋运动理论设计凸轮轮廓，建立了一个统一的框架处理平面及空间各种凸轮机构。运用共轭曲面原理建立了凸轮机构的统一设计模型^[11]，并将各种凸轮机构从动件曲面方程不同分成四大类，导出了这四类凸轮机构各自的通用计算式。在此基础上，提出了一种简单通用的求解各种平面和空间凸轮轮廓的方法^[12]。这种方法将凸轮轮廓曲面看作为参数形式的从动件曲面族的包络面，从而可较方便地求出凸轮轮廓曲面参数。

由于电子技术的发展，现在某些设备的控制元件可以采用电子元器件，但它们一般只能传递较小的功率，而凸轮机构却能在实现控制功能的同时传递较大的功率，因此，凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性，尤其在高速度、高精度传动与分度机构及引导机构中，更有突出的优点^[13]。可以说，对凸轮机构的进一步研究，特别是对高速凸轮机构及其动力学问题的进一步研究，是长期、持续并有重大意义的工作。

ADAMS虚拟样机技术是一门新兴的技术, 有着广阔的市场发展前景，采用了世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法^[14]，建立系统的动力学方程^[15,16]。ADAMS的计算程序应用了吉尔（Gear）的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术,大大提供了计算效率。应用虚拟样机技术进行产品机构设计, 在设计阶段可以预测产品的性能, 使产品在投入生产之前进行优化以提高其质量, 从而减少试验样机的数量, 缩短产品开发周期, 进而降低开发成本, 提高市场竞争力^[17]。ADAMS 是目前最优秀的虚拟样机软件, 其软件界面良好,功能强大, 是性能稳定的商品化虚拟样机软件。 基于 ADAMS 的虚拟样机技术已经广泛地应用到汽车制造业、 工程机械制造业、 航天航空业、 国防工业及机械制造业等领域并且已为各领域中的产品设计和科学研究做出了很大贡献^[18]。