1、本科毕业论文（20 届）基于ADAMS的机械系统运动方案设计研究与案例分析-蜂窝煤成型机的运动方案设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文- -I摘要本文介绍了了 ADAMS 软件及相关软件的基本功能，概述了机械系统动态仿真技术及其相关技术，并利用 ADAMS/View 对蜂窝煤成型机传动机构和执行机构的运动方案进行了模拟仿真。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，即机械系统动力学分析软件,是世界上应用最为广泛的机械系统动力学分析软件。本文对蜂窝煤成型
2、机的运动方案进行了系统的设计和分析。主要是从蜂窝煤成型机的功能分解入手，对其机构进行选择和分析，接着对所选出的机构进行组合，得出三种运动方案。最后，对三种运动方案做一定的比较和分析，得出最优最符合要求的一种设计方案-方案。并对该运动方案进行相关的参数计算和传动系统的设计。本文主要计算的是传动系统中的减速器齿轮部分和执行机构中的曲柄滑块部分。在得到了蜂窝煤成型机构的相关参数后,通过 ADAMS 软件，对该系统进行模型的建立和动态仿真。主要是对传动系统中的减速器齿轮和执行机构中的曲柄滑块部分进行了建模和动态仿真。本文最后一部分是对传统运动方案建立和基于 ADAMS 软件的运动方案建立做了简单的比较
3、和分析。得出结论：基于 ADAMS 软件的运动方案建立，相对传统运动方案建立，具有一定的优势。ADAMS 软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动、解释其子系统或整个系统即产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能，预测精确的载荷变化过程，计算其运动路径，以及速度和加速度分布图等。关键词：蜂窝煤成型机；Adams；建模；动态仿真本科生毕业论文- -IIAbstractThis paper introduces the ADAMS software and the related basic functions, summarizes the mechanical system dynamic
4、 simulation technology and the related technologies, and emulates the motion scheme of ADAMS/View to honeycomb briquette molding machine transmission mechanism and actuating mechanism. ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) is the most widely used mechanical system dynamics analysi
5、s software in the world. This paper designs and analyzes systematically the motion scheme of honeycomb briquette molding machine. It breaks down the functions of honeycomb briquette, selects and analyzes the mechanism, then combines the selected mechanism and works out three motion schemes. Finally,
6、 compare and analyze the three motion schemes, get the best and most conforms to the request design scheme - scheme III. Then do the related parameter calculation of the motion scheme and the transmission system design. This paper calculates the gear part of reducer of the transmission system and th
7、e crank block part of actuating mechanism. After collecting the relevant parameters of the honeycomb briquette molding machine, then establish the mold and emulate dynamically through the ASAMS software. It is mainly establish the mold of the reducer gear of transmission system and crank block of ac
8、tuating mechanism and emulate dynamically. The last part of this paper compares and analyzes the traditional motion scheme and the motion scheme base on ADAMS. The conclusion is: compared with the traditional motion scheme, the motion scheme base on ADAMS has certain advantages. ADAMS software can h
9、elp engineer have a better understanding of the systems motion, the design features of the subsystem or the whole system, the function differences of multiple design schemes, forecasting the accurate load fluctuation process, calculating the moving route, and the speed and acceleration profile, etc.
10、 Keywords: Honeycomb briquet shaper; Adams; Modelling; Dynamic simulation本科生毕业论文- -III目 录第 1 章 绪论 .11.1 蜂窝煤成型机的介绍 .11.2 ADAMS 软件介绍 .11.3 ADAMS 软件在产品研制周期中的几个重要阶段 .2第 2 章 蜂窝煤成型机运动方案设计 .42.1 设计要求 .42.2 功能分解 .42.3 机构选用 .42.4 运动方案的建立 .52.4.1 执行机构的组合 .52.4.2 原动机选用 .72.4.3 传动系统设计 .7第 3 章 蜂窝煤成型机基于 ADAMS 的建模
11、和动态仿真 .143.1 传动机构的建模和动态仿真分析 .143.1.1 减速器的建模 .143.1.2 施加载荷 .183.1.3 动态仿真分析 .183.2 执行机构的建模和动态仿真分析 .193.2.1 曲柄滑块的建模 .193.2.2 添加运动 .223.2.3 动态仿真分析 .23第 4 章 机械系统运动方案建立方法的比较和分析 .254.1 传统机械系统运动方案建立 .254.2 基于 ADAMS 的运动方案建立 .264.3 运动系统建立方法的比较和分析 .27总结 .29致谢 .30参考文献 .31本科生毕业论文- -1第 1 章 绪论1.1 蜂窝煤成型机的介绍蜂 窝 煤 成
12、型 机 原 理 ： 冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作：煤粉加料；冲头将蜂窝煤压制成型；清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动；将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模；将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。 蜂 窝 煤 成 型 机 适用于在水泥，化工，电力，冶金，建材，耐火材料等工业部门破碎中等硬度的物料，如石灰石，炉渣 ，焦碳，煤等物料的中碎，细碎作业。蜂窝煤球机可以方便的调换摸具后生产从直径 90、100、110、115、125、130、
13、135、150、180、200、220、250 等不同规格的煤球,另外煤球机可以通过更换不同形状的摸具例如：圆拄形，方框形等的煤球，使蜂窝煤球机的功能大大拓展，使该蜂窝煤机成为创业者的理想煤球机产品。蜂 窝 煤 成 型 机 的 构造及其原理：该机结构简单，分为机体、转动、进料、冲压、输送五部分。各部分相互配合，运转协调、平稳。1、 机体部分：由台板，机座组成，开成机器的骨架实体。2、 传动部分：由电机、皮带轮、齿轮、传动轴等部件构成。电机通过皮带轮使齿轮轴转动并通过两个齿轮传给传动轴，又通过一对伞齿轮和转动轴带动拨盘，拨盘拨转给四孔盘运。3、 进料部分：由转轴、料斗、搅拌器组成，它由轴向齿轮拨
14、动搅拌机，将煤搅匀并装入模筒。4、 冲压部分主要有四根滑杆、滑梁、冲杆、冲杆座、冲头、活动压盘、活动模底、弹簧构成。当机器动转由两齿轮转动通过拉杆带动滑梁，冲头下行时，迫使冲头下移，活动盘上移弹簧紧缩，把煤压成型并把煤冲成，成型煤的松实，由弹簧压紧活动压盘，把煤压紧所决定。5、 输送部分是由输送架、皮带轮、支架和输送带组成。输送带随机转动把成型煤送出机体，输送架上的可调螺丝可调整输送带的松紧。1.2 ADAMS 软件介绍ADAMS，即机 械 系 统 动 力 学 自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美 国 MDI
15、公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机 械 系 统 动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近八千万美元、占据了 51%的份额,现已经并入美国 MSC 公司。 ADAMS，是以近 14 年发展起来的多体系统动力学理论为基础而开发出的目前世界范围内使用最广泛的大型机械系统仿真分析软件。它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中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进
16、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 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰本科生毕业论文- -2撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。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中的拉格朗日方程方法，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 软件的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。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应 用 软
17、件 ，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS 软件有两种操 作 系 统 的版本：UNIX 版和 Windows NT/2000版。在这里将以 Windows 2000版的 ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。但是，尽管 Adams 具有强大的三维实体建模能力、先进的数值分析技术和强有力的求解器，对于复杂的多体机械系统，因其经历大位移时导致强非线性，在求解过程中还是会出现数值发散问题，致使仿真失败。因此有必要了解 Adam
18、s 的分析计算方法。Adams 采用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，建立系统的动力学方程。它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的三个直角坐标和确定刚体方位的三个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理多余坐标的完整约束系统或非完整系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程。Adams 的计算程序应用了吉尔的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提供了计算效率。1.3 ADAMS 软件在产品研制周期中的几个重要阶段1.概念设计，在设计的开始阶段即概念设计阶段，工程师需要应用设计自动化工具粗略地进行不同的初始设计，并以某种形式表示之，而且这种形式很容易与其他形
19、式进行通讯，容易被检查、研究处理及改进。各种 CAD 经销商提供的实体建模器是零件和部件概念设计阶段采用的普通建模工具，而 ADAMS 则在此基础上完善了实体建模器，使用户在此阶段能够产生整个机械系统主要的虚拟样机。用户既可以通过 ADAMS/EXCHANGE 装换，将 CAD 中实体模型传到ADAMS 软件中，也可从一开始就是用 ADAMS 软件，利用 ADAMS 本身提供的部件库、约束库、运动发生器以及广义力和力矩，产生系统模型。在初始设计阶段，使用 ADAMS 的一个显著优点是速度快。利用 ADAMS 用户界面不仅能很快建立仿真模型，而且也能很快地形成相应的运动方程，并对其求解，计算结果
20、相当准确。相比而言，如果人工计算则需要很长时间。2，设计细化，一旦系统的初始设计模拟样机被建成，其简单的运动特性被测试之后，系统及其零部件的设计就可以不断的细化、改进。此时用户能够将系统模型返回到自己的 CAD 环境中，建立更准确的几何模型。由 ADAMS 计算的反作用力可以通过 ADAMS/FEA 模块按照荷工况输入到有限元分析程序中；由有限元程序得到的数据也可以返回到 ADAMS 模型中建立其柔性体模型，从柔性体角度考察产品（即系统）的工作性能。ADAMS 软件能够利用 ADAMS/Linear 模块进行线性的特征值分析，使控制/反馈系统设计过程简便易行，此时 ADAMS 也可以和控制设计
21、软件进行通讯。当改进设计时，ADAMS 的参数化设计仿真分析功能能够选取设计参数变量，并在该变量变化范围内，执行一系列的仿真分析，以便比较参数的变化对整个系统工作性能是如何影响的。系统的输入可以按照设计的灵敏度坐标本科生毕业论文- -3图显示出来以供查验，然后通过鼠标，改变其设计，要求更多的数据输出，然后重新运行修改后的模型，进行仿真分析。具有参数化设计防震功能的参数化数据库和宏指令命令使 ADAMS 很容易执行参数化设计，而且其用户界面能做成用户专用化界面，使没有经过 ADAMS 软件培训的工程师和设计人员能够简单地通过按键操作来改变系统设计，从而进行一个标准系统的系统设计和分析仿真。3，设
22、计验证，在一个具体的产品样机未建造前，设计方案检查（design review）是非常重要的一步。通过各种输入，能够有效地观察其设计的一系列运动过程，因此避免了以后因重新设计而使工程预算增加或工程延期带来的烦恼和惊讶。设计检验人员可以用 ADAMS 软件检查其一个虚拟样机或几个变化的模拟样机的工作性能，并很容易检查设计出的系统是如何工作的，以及从摄影角度观看该系统工作的到底像什么样子。动力学仿真分析的真实图形动画可以反向显示。另外，设计人员能够实时进行运动学运动模拟，以便当颜色、光线条件、敏感程度等环境发生变化时，设计人员能够控制观察模型的距离、扩大/缩小以及旋转模型、4，试验规则，通常，工程
23、设计人员为了证明它们的设计是合理的，需要花费很大一部分时间来进行试验验证。而 ADAMS 软件在建造物理样机之前，就能够准确地告诉用户要测试的参数和工作特性是什么这些值就是进行物理样机实测试验时所期望的值。理想情况下，工程设计人员目标就是零样机。ADAMS 软件能够帮助用户使这一理想变为现实，他使用户能够用非常有效的模型样机代替大多数的物理样机，进行模拟实测试验。对这种模拟样机用户能以非常快的速度产生，并提供给用户巨大的设计创造性和灵活性，产生这种样机所需的成本也相当低。用户能够利用 ADAMS 软件提交一份 ADAMS 计算结果与实际测量数据之间的一致性相关程序报告，这样就使得用户有信心首先
24、在计算机上制造虚拟样机，然后用该样机进行物理样机实际试验方案的规划。5，工作状态再现，在产品开发过程中，当使用 ADAMS 软件已形成某种“规范”时，制造商就能够以较低的生产成本将产品推向市场。因为产品的寿命和使用可靠性已在设计中加以全面考虑，并且售后服务的费用用此也就大大的降低。ADAMS 同样也能用来系统的故障诊断。例如在产品售出后的工作现场，产品出现了部件失灵、不必要的震动或者车辆出现不稳定现象，此时就可以利用 ADAMS 强大的建模、求解器以及形象化图形显示功能进行故障再现，以及判断故障出现的原因。本科生毕业论文- -4第 2 章 蜂窝煤成型机运动方案设计2.1 设计要求蜂窝煤形状为圆
25、柱体，成品尺寸：100mm60mm；生产能力：40 次/min。 2.2 功能分解为实现蜂窝煤成形，该机应该就有下列功能：输入煤粉、煤粉成形、清除煤屑、型煤起模、输出成品。首先进行原理方案设计，蜂窝煤成形机的技术原理方案见表 2-1功能 原理方案1 原理方案2 原理方案3输入煤粉 物理方法 机械加入 人工加入煤粉成形 冲压成形 挤出成形 清除煤屑 机械清屑 风力清屑 人工清屑型煤起模 机械起模 人工起模 输出成品 转送带运煤 人工运煤 表 2-1 蜂窝煤成形机技术原理选择由于该机主要在城镇农村应用，应力结构简单，操作方便，成本低廉，故采用原理方案1：利用重力自动加料冲压成形机械清屑机械起模传送
26、带输送型煤。由此进一步确定煤粉成形机实现的工艺动作为：（1）冲压成形 冲压机构作直线往复运动。（2）机械起模 起模机构作直线往复运动，可考虑将它与冲压机构固连在一起运动。（3）机械清屑 在冲头、起模盘上下移动的过程中，清屑机构完成左右方向的往复运动。（4）成品输送 将起模后的型煤落在输送带上输出。（5）工位转换 为了提高工作效率，拟采用多工位工作方式，将加料、冲压、和起模三个工步同时在转盘工作台上实现。由此需要实现工作台的停歇转动。由于成形与起模可用同一个机构完成，因此该机主要由三个机构组成：冲压和起模往复运动机构、刷帚扫屑机构、工作台停歇分度机构。2.3 机构选用根据设计要求进行机构选型，见
27、表 2.1功能 执行机构 工艺动作 执行机构冲压成形 冲头 直线上下往 复运动 曲柄滑块机 构 六杆增压 机构 凸轮机构机械起模 起模盘 直线上下往 复运动曲柄滑块机构（与冲压成形机构同体） 凸轮机构机械清屑 刷帚 直线左右往 复运动 连杆机构 移动凸轮 机构 齿轮机构工位转换 工作台 停歇分度转 槽轮机构 不完全齿 凸轮停歇本科生毕业论文- -5动 轮机构 机构表 2.1 蜂窝煤成形的机构选型仅对表 2.1 的机构进行组合，就可以得到 3233=54 种运动方案。初步筛选出结构简单又较为可行的方案为：冲压成行与起模采用曲柄滑块机构，清屑采用移动凸轮机构或者附加滑块摇杆机构，工位转换采用槽轮机
28、构，如图下图 2.2 所示。（a）曲柄滑块 （b）移动凸轮机构 （C）附加滑块摇杆机构 （d）槽轮机构图 2.2 蜂窝煤执行机构选型示例其中，图 2.2b 示为固定移动凸轮利用滑架 1 的上下移动，使带有刷帚的移动从动件顶出，扫除冲头 2 和起模盘的粉煤屑。图 2.2c 所示为附加滑块摇杆机构利用滑架 1 的上下移动，使摇杆 OB 上的刷帚摆动，扫除冲头 2 和起模盘的粉煤屑。2.4 运动方案的建立2.4.1 执行机构的组合对图 2.2a、b、d 三种执行机构组合，可以得到蜂窝煤成形机的运动方案，如图 2.3 所示。本科生毕业论文- -6图 2.3 蜂窝煤成形机运动方案该机械系统的输入为电动机
29、连续转动，冲头 2、起模盘 3、刷帚 5 都与滑架 1 连成一体。当滑架下冲时，冲头将粉煤冲压成蜂窝煤，起模盘将已压成的蜂窝煤起模。在滑架上升过程中，刷帚将冲头和起模盘上粘着的粉煤刷除。工作台 6 上均布了模筒，由槽轮机构 7 实现停歇转动。在同一时刻，加料模筒进入冲压位置，成形模筒进去起模位置，空模筒进入加料位置。图 2.4 给出蜂窝煤成形机的运动方案。该设计方案的特点是对心式曲柄滑块机构执行煤粉冲压成形动作，而由凸轮机构将成品顶出。另一个凸轮机构把送入粉煤与输出成品合并为一个动作，把成品推出工作台的同时，将下一工作循环的粉煤送至模筒。图 2.4 蜂窝煤成形机运动方案图 2.5a 给出蜂窝煤
30、成形机的运动方案。来自电动机的运动和动力传送到分配轴，然后分三路传动。第一路为主运动链，固结于轴上的齿轮 7 既是主传动链的从动齿轮又是主运动链上的原动件曲柄，考虑到载荷大，采用了两套曲柄滑块机构作为执行机构，滑块 9 上固结了主压头 9和推煤压头 9“。第二路为辅助运动链，通过传动比为 1 的圆锥齿轮机构带动不完全齿轮 12，齿轮 12 每转动一周，通过齿轮 12 带动工作台 14 转动一个工位，正好对应于主压头 9的一次下压。9工作台 14 的模筒中压制出一块蜂窝煤，同时推煤压头 9“将另一模筒中的一块成品煤推至输送带 19 上（见图 2.5b） ，随后工作台转位，再停歇。第三路也是辅助运动链，通过圆柱齿轮机构 15 和 16 带动轴，再经过圆锥齿轮 17 和 20 带动搅拌器，将拌匀的料煤送人工作台 14 的模腔（见图 2.5d） ，轴上的带轮 18 驱动输送带运送成品。
