RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真

摘要：為了研究RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的工作過程，便于RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和使用，在ADAMS中建立了RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的三維工作模型，對ADAMS中模型的各部分進(jìn)行了設(shè)置，對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)工作過程進(jìn)行了仿真分析，對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

關(guān)鍵詞：RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu) 三維建模 仿真

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

牛頭刨床是一種常見的金屬切削機(jī)床，RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于牛頭刨床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動的重要功能，RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)對牛頭刨床的工作性能起著非常關(guān)鍵作用；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)得到了迅猛發(fā)展，特別為其建模仿真提供了極大的方便[1]，以往的文獻(xiàn)對其作了許多分析和研究[2-7]；為了對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，有必要分析RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，并對其工作過程進(jìn)行仿真和優(yōu)化；為對其進(jìn)一步深入研究提供了基礎(chǔ)。

1 RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

牛頭刨床實(shí)現(xiàn)刨頭切削運(yùn)動的六桿機(jī)構(gòu)是一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。由曲桿1、滑塊2、擺動導(dǎo)桿3、滑塊4、執(zhí)行構(gòu)件5、機(jī)架6等組成。曲桿1、滑塊2、擺動導(dǎo)桿3構(gòu)成擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由曲柄1作為原動件做圓周運(yùn)動，帶動滑塊2作圓周運(yùn)動；滑塊2沿?cái)[動導(dǎo)桿3滑動，帶動擺動導(dǎo)桿3左右擺動；擺動導(dǎo)桿3帶動滑塊4左右擺動；滑塊4在執(zhí)行構(gòu)件5上作上下滑動，帶動執(zhí)行構(gòu)件5左右移動。執(zhí)行構(gòu)件5左行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程；執(zhí)行構(gòu)件5右行時(shí)，刨刀不工作，稱空行程。通過ADAMS仿真及優(yōu)化，為提高牛頭刨床的工作質(zhì)量提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法。

2 RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)工作仿真模型的建立

在圖1中，各構(gòu)件的尺寸為r1= 400mm，r3= 1600mm，AD=1000mm，轉(zhuǎn)動副A到滑塊5的滑道的垂直距離為800mm，各構(gòu)件質(zhì)心在構(gòu)件的中心處，曲柄1做勻速圓周運(yùn)動，以等角速度2πrad/s逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，執(zhí)行構(gòu)件5的工作阻力F=1000N。建立好的RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的三維工作模型如圖2所示。模型中有六個構(gòu)件，五個活動構(gòu)件，有四個旋轉(zhuǎn)副，三個移動副，一個外力，一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，整個機(jī)構(gòu)以曲柄1所處水平位置為最初位置，求出設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)，各設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

3 RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的工作過程仿真

模型各部分設(shè)置好后，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由于曲柄轉(zhuǎn)速為2πrad/s，因此每轉(zhuǎn)動一周的時(shí)間是1s，設(shè)置仿真時(shí)間為2.5s，步數(shù)設(shè)為100步，設(shè)置合適的求解器和求解精度，進(jìn)行RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)工作過程仿真分析，這樣，在物理樣機(jī)制造出來之前就可以對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行仿真研究及設(shè)計(jì)改進(jìn)。執(zhí)行構(gòu)件5的水平加速度a(mm·s-2) 隨時(shí)間t(s)變化如圖3的實(shí)線所示。

機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化

對于牛頭刨床的刨削加工來說，當(dāng)刨頭的速度為勻速時(shí)，其加工質(zhì)量最好。而加速度的大小是反映速度的波動范圍大小的最好依據(jù)。所以減小加速度的最大值，有利于減小速度的波動。圖3實(shí)線表示執(zhí)行構(gòu)件的水平當(dāng)前的加速度曲線。要對執(zhí)行構(gòu)件的水平加速度進(jìn)行優(yōu)

化，必須進(jìn)行ADAMS的參數(shù)化建模。ADAMS/View提供了設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析等參數(shù)化分析方法[8]。

參數(shù)化的模型可以使用戶方便地修改而不用考慮模型內(nèi)部之間的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化后，ADAMS將自動在模型中改動為優(yōu)化后的結(jié)果。

對牛頭刨床RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度優(yōu)化，先把A和D設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置進(jìn)行參數(shù)化，來確定對系統(tǒng)影響最大的變量，設(shè)計(jì)變量對加速度的最大值的分析結(jié)果見表2。

由表2可以看出，設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_2的敏感度(樣機(jī)有關(guān)性能對設(shè)計(jì)變量值的變化的敏感程度)為負(fù)，即POINT_DX 和POINT_DY的位置值越小，執(zhí)行構(gòu)件的水平的加速度越小；設(shè)計(jì)變量DV_3、DV_4的敏感度為正，即POINT_AX 和POINT_AY的位置值越大，執(zhí)行構(gòu)件的水平的加速度越小；設(shè)計(jì)變量DV_3的敏感度最大，也就是說，“POINT_AX”的位置對加速度的影響最大。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的不同，進(jìn)行一系列的仿真，獲得加速度的最小值。通過ADAMS的優(yōu)化仿真可以得出執(zhí)行構(gòu)件的最大加速度的最小值，得出優(yōu)化前后的加速度的變化曲線如圖3的虛線所示，圖3的實(shí)線為優(yōu)化前的加速度隨時(shí)間的變化曲線，圖3的虛線為優(yōu)化后的加速度隨時(shí)間的變化曲線，將圖3的實(shí)線和虛線進(jìn)行比較，可以看出加速度的最大值下降的幅度，即優(yōu)化的效果。

5 結(jié)語

從工程實(shí)際出發(fā)，簡介了RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用動力學(xué)分析軟件ADAMS，建立了RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化模型，對ADAMS中模型的各部分進(jìn)行了設(shè)置，對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)工作過程進(jìn)行了仿真分析，為以后對RPR-RPP六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)匹配方面進(jìn)行研究有重要意義，為提高牛頭刨床的工作質(zhì)量提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法。

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