基于ADAMS软件的三工位指示机构运动分析仿真.pdf

58 江苏电器江苏电器 (2008 No.4) 工艺与装备 0 引言 随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越 广泛地应用于各个设计领域。现在它已逐渐转向以 三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主 线的机械系统动态仿真技术。机构的运动分析及仿 真也就是对机构的位移、速度、加速度、轨迹进行 计算机动态仿真分析，根据原动件的运动规律，求 解出从动件的运动规律。由于机构的复杂性，用传 统的方法分析机构，不但费时而且精度也低。三工 位隔离开关是用于电气回路接通、隔离和接地的电 气设备 , 它对于电网的运行质量具有较大的影响， 而在三工位隔离开关机构中的指示机构不仅起着 分、合闸指示的作用，更为重要的是它还控制着机 构中部分的电气零件 ( 如辅助开关 )，起着电气控 制装置的作用。如指示机构运动不到位，将使整个 隔离开关机构产生动作上的偏差，使隔离开关失去 应有的作用，直接危害电网的正常运行，所以有必 要对其进行研究分析。文中主要以三工位隔离开关 中的指示机构为例，采用强大的三维软件 UG 进行 计算机建模，然后导入到著名的多体动力学仿真软 件 ADAMS 中进行仿真，求解计算机模型，获得精确 的机构运动参数，用图形和动画来模拟机构的实际 运动过程，从而可以清楚地观察到机构任意时刻的 运动状况，这是采用传统方法分析所不能比拟的， 同时也为设计和实际的分析提供了更可靠的理论 依据。 其进行动态运动仿真，得出三工位指示机构运动中的关键数据，为机构的优化设计提供可靠的依据。分析结 果表明，随着工程技术人员对ADAMS软件的掌握，可以有效地提高工程技术人员设计开发新产品的能力，缩短 物理样机的试制时间，减少或避免因设计带来的物理样机返修现象。 基于ADAMS软件的三工位指示机构运动分析仿真 介绍了三工位隔离开关电动操作机构的电气指示控制部分，利用多体动力学仿真软件ADAMS对 三工位指示机构；仿真；运动分析；优化 徐建，陈佳成 (杭申控股集团有限公司，浙江 杭州 311234) 中图分类号：TM502 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2008)04-0058-03 摘 要： 关键词： Three Work Position Indication Mechanism Motion Analysis and Simulation Based on ADAMS Software Abstract: Introduction was made to the electrical indication control part in three work position isolation switch dynamoelectric operating mechanism, by using multi bodies dynamics simulation software ADAMS to carry out dynamic state motion simulation for it, having ob- tained key data of mechanism motion medium, provided dependable basis for optimization design of the mechanism. Results show that fol- lowing engineering technical personnel with mastering of ADAMS software, their ability to design and develop new product will effectively be raised, thus shortening the time in manufacturing prototype machine, reducing or avoiding re-doing of prototype machine due to design. Key words: three work position indication mechanism; simulation; motion analysis; optimization XU Jian, CHEN Jia-cheng （Hangshen Holding Group Co., Ltd, Hangzhou 311234, China） 作者简介：徐建(1984- )，男，助理工程师，本科，主要从事高、低压电气技术研究； 陈佳成(1970- )，男，工程师，本科，主要从事高、低压断路器机构和抽屉柜的研发。 基于ADAMS软件的三工位指示机构运动分析仿真 59 江苏电器江苏电器 (2008 No.4) 1 机构三维模型的建立 要进行机构的 3D 仿真分析，首先要建立它的 3D 模型，把零件的几何形状属性等描述清楚，UG 采用的是“复合建模”工具，结合了传统建模和参 数建模的优点，具有全相关的参数化功能，引入了 特征操作的方式，可用表达式直接控制并驱动三维 模型，同时它与其他软件具有较好的接口功能，故 文中采用此软件来建立所需分析的机构零件的三维 模型；然后在 UG 装配建模中进行机构的虚拟装配， 考虑到关心内容及仿真的方便， 特做如下假设： (1) 个别运动副内的摩擦忽略不计；(2) 各运动副均为 刚性连接，内部间隙不计；(3) 忽略部分非关键的 零件，只保留机构关键部分为研究对象，并根据具 体情况对结构给以适当的合理简化。经简化后，研 究的对象模型如图 1 所示。 销 2 用于连杆之间的连接，转轴 11 为所研究机 构的输入轴，连杆 5 和连杆 7 控制电气转换开关 4、 8 的芯轴转动，指示轴 13 用于指示装置的输出，控 制指示装置的转换动作。研究对象要求转轴 11 转动 ±90° 时，连杆 5 和连杆 7 要同步转动 ±60° ，以 保证其中心位置的辅助开关芯轴 4 和 8 能同时实现 电气的转换控制，指示轴 13 要转动 ±25° ，以保 证指示装置的正确显示。其中最为关键的是连杆5 和 7 的转动角度，因为它们分别直接安装在控制着 三工位隔离开关的电器辅助开关的芯轴4 和8 上，并以辅助开关芯轴 4 和 8 为其转动中心，直接 起到控制辅助开关动作的作用，所以它的动作质量 直接影响到三工位隔离开关的电气特性。以下就针 对此机构进行动态的仿真分析和研究，以求出最优 的方案，获得最佳的机构特性。 2 机构的动态仿真分析 首先根据以上建立的机构三维模型，将其导入 到多体动力学仿真软件 ADAMS 中；然后分别设定各 零件的材料，建立仿真所需的设计点，并根据机构 的实际运动特性在计算机模型上建立相应的虚拟运 动副；在转轴 11 上建立驱动力，力的大小由三工 位机构的电机功率、内部主机构中电机到转轴 11 的传动链及其传动效率等计算得出；分别建立转轴 11、指示轴 13、连杆 5 及连杆 7 转动角度的测量 变量，根据转轴 11 的角度测量结果建立相应的虚 拟传感器， 再结合驱动力建立相应的转动角度函数， 控制转轴 11 转动 ±90° 时的响应状态。根据实际 中机构的运转情况和希望求得的数据选择一个适当 的仿真时间、步数及仿真环境，即可开始仿真 1。 设定仿真时间tend=1s，仿真步数为 20，仿真后得 出如图 2、图 3 所示的各角度的测量曲线变化图。 654321 1312 7 8 9 10 11 1、3、5、6、7- 连杆 2- 销 4、8- 辅助开关芯轴 9- 滑动销 10- 转动盘 11- 转轴 12- 机架 13- 指示轴 图1 三工位隔离开关指示机构UG三维模型 图2 转轴11转90°时连杆5、7及指示轴13转角图 90 t/s 角度/（°） b) 00.020.040.060.080.1 指示轴13转动角度 85 80 75 70 65 150 t/s 角度/（°） a) 140 130 120 110 100 900 0.020.040.060.080.1 连杆5转动角度 连杆7转动角度 a) 100 t/s 角度/（°） 00.020.040.060.080.1 连杆5转动角度 连杆7转动角度 90 80 70 60 50 40 30 基于ADAMS软件的三工位指示机构运动分析仿真 60 江苏电器江苏电器 (2008 No.4) 轴的转动角度都得到了很好的改善，当然此曲线图 只是理论上的理想样机各尺寸取最优的情况，实际 生产中可根据优化后得出的尺寸，并控制好零件的 加工精度，机构就可以很好满足实际机构的运动特 性要求。 3 结语 在机构设计中，可通过合理的计算机软件对机 构进行相应的仿真分析，研究机构的运动特性，以 得出合理的参数和结构。同时也可尽早地发现设计 中的错误，从而减少物理样机的出错机率，降低制 造物理样机的成本，从而提高设计的质量和速度。 可以看出 ADAMS 软件能很好地对机构进行动力学研 究分析，取得令人满意的效果，对机构设计、技术 积累、技术创新起到了重要作用。它利用拉格朗日 第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分代数 方程，求解算法稳定，对刚性问题十分有效，可以 对虚拟机械系统进行静力学、 运动学和动力学分析， 后处理程序可以输出位移、速度、加速度和反作用 曲线以及动画仿真，可以很好地实现机械系统的参 数化设计和优化分析，提高机械系统的性能。可见 随着工程技术人员对 ADAMS 软件的深入掌握，可以 有效地提高工程技术人员设计开发新产品的能力， 缩短物理样机的试制时间，减少或避免因设计带来 的物理样机返修现象。 参考文献 1 郑建荣 .ADAMS虚拟样机技术入门与提高 M 北京：机械工业出版社，2001. 2 陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程M 北京：清华大学出版社，2005. 收稿日期：2007-09-29 从两曲线图可见，当转轴 11 转过 ±90° 时，连 杆 7 基本上能转过 ±60° ， 而连杆 5 的误差在 ±5° ， 指示轴 13 的误差在 ±2° 。对于指示轴 13 的转动 误差，由于它仅起指示的作用，所以其小范围内的 转角变化对机构是允许的；而连杆 5、7 的转动角 度是此机构的关键数据，结合实际中三工位机构的 控制电路情况，转角误差 ±5° 不能很好地满足三 工位的电器控制要求，容易引起由连杆 5、7 所控 制的电气转换开关转换不到位的现象，且从两图中 还可以看出连杆 5、7 无论是顺时针还是逆时针方 向，其转动均没有同步到位，与实际中所设计的机 构运动要求不一致，所以连杆 5 的转动角度需要改 善。如果调整连杆 5 的转动角度，则势必影响到指 示轴 13 的转动情况，人工的计算求解就显得相当 的困难和复杂，所以在此选择了应用 ADAMS 的样机 参数化分析功能“优化分析” ，利用计算机来 求解 2。综合分析整个机构，由于连杆 7 已经基 本符合设计意图，则其尺寸就可以不用调节，根据 连杆机构的运动特性原理，为使连杆 5 和指示轴 13 的转动角度同时满足设计要求，在连杆 1、3、5、 6 间分别建立相应的设计点和设计变量，控制它们 的尺寸变动，并分别给予适当的变动范围 ( 注意根 据四连杆机构的运动特性原理，连杆 1、3 的尺寸 变动范围应避免出现“死点”位置 )，给定所需要 满足的设计条件 ( 连杆 5 转动 ±60° 、指示轴 13 转动 ±25°)，建立相应的目标函数，运行“优化 分析” ，由分析程序求取出目标函数各变量所取的 最优值，即各杆所取的最优尺寸。图 4 为优化后转 轴 11转 过90° 时的连杆 5、7 及指示轴 13 转动角 度曲线图。 由图4可见，连杆5和7已经基本同步，且均达 到了设计预期的转动角度(60° )，指示轴13也基本 上达到了转动25° 的要求，可见经过优化后各杆或 b) t/s 00.020.040.060.080.1 95 90 85 115 角度/（°） 110 105 100 指示轴13转动角度 图3 转轴11转90° 时连杆5、7及指示轴13转角图 图4 优化后连杆5、7及指示轴13转角图 150 t/s 角度/（°） 00.02 连杆5转动角度 连杆7转动角度 轴13转动角度 0.040.060.080.1 140 130 120 110 100 90 80 70 60 基于ADAMS软件的三工位指示机构运动分析仿真