基于ADAMS的推臺鋸主機翻轉機構仿真與分析

邢力平，譚朝霞

(東北林業大學機電工程學院，哈爾濱150040)

人造板作為基材在家具、室內外裝飾、產品包裝等方面得到了大量應用，隨著人們生活水平的提高，家具的個性化、藝術化也越來越突出［1］。因此在木制品加工過程中就需要將板材鋸切成各種所需的規格尺寸和角度。而推臺鋸正是可以滿足這一要求不可或缺的設備之一。

推臺鋸在實現一定角度鋸切時采用鋸片傾斜方式，鋸片可在0°～45°范圍內調整，從而實現多個角度的切削。實現這一功能的機構很多，常見的有兩種:一種是通過推臺鋸前方的手輪旋轉帶動絲桿推動主鋸主軸座偏擺，另一種廣泛采用的偏擺機構裝在推臺鋸右側板的內側，旋轉推臺鋸右側的手輪，經手輪軸傳給一對斜齒輪，帶動絲桿旋轉，使絲桿上的螺母軸向移動，裝在螺母上的推桿推動主鋸軸承座上的擺桿，從而使主鋸主軸偏擺。這類機構的缺點是手動費力，操作、裝配不方便［2］。

本設計研究的主機翻轉機構，由步進電機提供動力，巧妙地利用了曲柄滑塊機構原理，壓力角小于50°，能保證機構傳力性能良好;并且可將鋸片鎖定在0°～45°內任意角度上。不僅減輕了工人的勞動強度，而且結構簡單、操作方便、調整更精確。本項研究成果的應用推廣，將為我國板材加工行業帶來巨大的經濟效益。

ADAMS是由美國MSC公司開發的虛擬樣機分析軟件，它使用交互式圖形環境及零件庫、約束庫和力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型;可對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等［3－5］。因此，本文將采用ADAMS軟件對推臺鋸主機翻轉機構進行仿真分析，驗證該機構的可行性以及鋸片調整過程中各項參數間的關系。

1 主機翻轉機構工作原理

如圖1所示，推臺鋸主機翻轉機構固定于機身內部，由支撐架9、步進電機8、大小同步帶輪、絲杠2、螺母4、推桿3等組成。當鋸片需要進行角度調整時，通過控制面板給出控制信息，步進電機8接受信號并按給定的信號動作，步進電機運轉帶動小帶輪7旋轉，通過皮帶將動力傳給絲杠副;絲杠2旋轉使得螺母4移動;一端與絲杠副上的螺母相連另一端與主機支架相連的推桿3推動主機繞固定的中心作擺轉運動，也就使得固定在主軸上的鋸片作出一定角度。步進電機反轉，可使鋸片返回初始位置。這樣由控制信息的變化，從而實現鋸片多角度調整。

圖1 總體結構布局Fig.1 Structure layout

2 樣機模型建立

鑒于只是對主機翻轉機構的運動進行簡單的運動分析，并沒有考慮對其受力及碰撞等問題，這樣大大降低了建模的難度，而且應用ADAMS建模的特點是，模型越簡潔越好，這樣有利于約束的添加及分析計算［6］。這里我們采用全局坐標來定位和調整彼此間的相互位置關系，并將可以組合的構件進行組合，大大簡化了模型。具體建模過程如下:

2.1 建立機構模型

打開ADAMS/View，設置好工作環境后，根據機構尺寸及幾何關系算出各構建連接點坐標建立模型。由于原結構中，絲杠以及支撐架是與機身直接相連的，因此建模時可將其視作大地，最終模型如圖2所示。

圖2 ADAMS建立模型Fig.2 ADAMS model.1.host.2.follower.3.square nut.

2.2 添加約束

如圖3(b)所示:將方螺母與絲杠間約束簡化，在方螺母與大地間創建移動副;推桿與方螺母間以及推桿與主機間均添加轉動副。另外，由于主機是繞某一固定軸線旋轉，且該軸線位于鋸片上，因此模型中將鋸片省略;將主機旋轉中心置于大地上 (圖3(a)右上方第一個標記點)其坐標依據實際機構幾何尺寸計算得出，并在此處添加轉動副。為便于結果測量，分別在大地與主機上添加標記 (圖3(a)右上方第二、三個標記點)

2.3 施加運動

該機構的動力來源為步進電機，由于步進電機固定于支撐架上已并入大地，因此模型中原動件為方螺母，在上一步創建的移動副上添加一個移動的運動。由于螺母的運動為左右往返式移動過程，因此該運動特性用IF函數描述。

函數 F=IF(expr1:expr2，expr3，expr4)的含義為

經計算可知，若鋸片由0°連續偏轉到45°再恢復為0°所需的時間為13.036 s。方螺母移動的行程為325.9 mm，移動速度為25 mm/s。因此ADAMS中IF函數表達式為IF(time－13.036:25*time， 325.9，325.9－25* (time－13.036))

圖3 各構件間約束關系及添加運動位置Fig.3 Constraints among the components and added moving position.(a)constraints among the components.(b)enlarged image of local part 1 in(a)

3 仿真分析

為便于測量鋸片擺角變化情況，在主機模型及大地上分別創建上添加標記MARKET_1、MARKET_2，其坐標根據具體結構參數確定。經仿真測量后，得出鋸片擺角SAW_angle、推桿傳動角Transmission_angle以及螺母位移NUT_displacement曲線隨時間變化情況。如圖4所示。

圖4 試驗數據曲線Fig.4 Experiment data curve

根據分析測試結果我們可以確定該機構是可行的，并且通過試驗數據可以看出螺母移動過程中推桿傳動角可以保證在40°以上，因此可以保證該機構傳力性能良好。另外我們通過本次仿真測試，得出了鋸片擺角和螺母位移量隨時間的變化情況，根據這些數據可以計算出輸入步進電機的信號與鋸片擺轉角度之間的關系，由此我們可以編寫相應的數控代碼，進而實現鋸片擺角的數控調整。

4 結束語

本文對數控推臺鋸主機翻轉機構進行分析，將其簡化為我們熟悉的曲柄滑塊機構，并利用ADAMS軟件進行仿真分。不僅驗證了該機構在數控推臺鋸設計中的可行性，而且直觀地模擬出鋸片擺動過程中各個部件的運動情況以及推桿傳動角度變化情況，并得到各部件運動過程中其位移、擺角等參數，為后續的數控代碼的編制提供了數據支持。ADAMS軟件的這種仿真分析方法，操作簡便、直觀的表現了個部件間運動關系且數據可靠，大大降低了數控代碼編寫的難度。

［1］趙鵬飛.推臺鋸控制系統的設計與研究［D］.南京:南京林業大學測試計量系，2009.

［2］林旺南.推臺鋸主鋸主軸電控角度偏擺裝置［P］.中國，實用新型專刊，200520120530.6.

［3］郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［4］董希斌，周云飛.基于Pro/E和ADAMS的伐區剩余物壓縮裝置的設計［J］.森林工程，2010，26(5):28 －31.

［5］馬啟武，楊永發，孫友祥.基于ADAMS的煙草移栽機用雙曲柄連桿機構運動仿真分析［J］.林業機械與木工設備，2012，40(1):46－48.

［6］姜晨龍，司 慧.基于ADAMS的清潔小車齒輪傳動系統建模及仿真［J］.黑龍江農業科學，2011(1):118－121.