虛擬樣機技術在機床運動分析中的研究

改造者：韓彥勇 鄭喜貴 朱永剛 胡小靜

虛擬樣機技術在機床運動分析中的研究

改造者：韓彥勇 鄭喜貴 朱永剛 胡小靜

機床機構設計與運動分析是應用型本科院校學生實踐教學必不可少的環節，傳統的分析方法對學生的制圖能力和計算機編程能力要求很高，應用型本科院校的學生學習能力很難達到傳統分析方法要求的條件，結合實例用大型運動學和動力學分析軟件ADAMS對機床機構進行運動分析和仿真，縮短了機構運動分析的時間，為學生進行機構動力學分析提供了準確完整的數據，從而保證學生高質量完成設計任務，該軟件操作簡便，學生很容易理解并使用，為學生機床機構設計提出了一種新的有效的方法，對教學和實踐具有很廣泛的意義。

機床運動分析是機械原理課程設計的最重要的環節，機床運動分析的數據是課程設計的關鍵，直接影響學生下一環節的進行，傳統的實踐教學是學生用圖解法和解析法進行機床運動分析，圖解法是以線圖的形式表現在圖紙上，對學生的制圖要求較高，學生繪圖時稍微有些誤差（如線寬的影響），其分析的數據結果往往偏差很大，用解析法分析機床機構雖然計算精度較高，但其推導過程復雜，編程工作量大，應用型本科院校的學生深感難以理解和推導。從而影響學生下一環節的設計，無法保證學生在規定時間內高質量地完成設計任務。ADAMS軟件可以進行建模，運動學、動力學分析，數據完整可靠，提出學生在課程設計時利用ADAMS軟件進行數據分析，修正數據，為機械原理課程設計順利完成提供了保障，也為機床機構的更廣泛的應用創造了條件。

機床機構實例與分析

牛頭刨床是一個滑枕帶動刨刀作直線往復運動的機床，可加工平面，溝槽，燕尾槽等。是一種典型的曲柄滑塊機構。對此機床作運動學分析不但可以很好的熟練掌握機構分析的理論知識，還能加深了解曲柄滑塊機構的應用，提高學生的學習興趣。

已知條件

設計一牛頭刨床主體機構，機構簡圖見圖1

已知設計參數如下：

滑枕（滑塊1）行程H=400mm 行程速度變化系數K=1.5

機架O2O3長 a=350mm 連桿BF與導桿O3B的比值

滑枕質量 m=46.9Kg 許用不均勻系數 ［δ］=1/30

曲柄轉速 n1=5r/min

設計計算結果

根據已知條件很容易計算出

導桿長 650mm 曲柄O2A長108mm 連桿長 220mm

圖1　機床結構

O3距滑塊1導路X-X距離635mm

ADAMS模型建立

創建各構件模型

曲柄O2A的建立

曲柄長度為108mm，其他參數合理選擇。在ADAMS/View工作窗口中創建出曲柄。如圖2所表示。

（2）其他構件的建立

用同樣的方法創建出導桿（長度650mm）， 連桿（長度220mm）， 和兩個滑塊 （連桿相連的滑塊1和導桿上的滑塊2，參數合理選擇即可） 。

添加轉動副約束

曲柄是主動件，要旋轉360°，在主工具箱中選擇鉸接副，在曲柄O2上添加轉動副，如圖3所示

同樣，曲柄與滑塊1之間、導桿O3處導桿與連桿之間、連桿與滑塊2 也是轉動副，依次添加轉動副約束。

添加移動副約束

圖2　曲柄的建立

圖3　曲柄轉動副

滑塊1在導軌上移動，屬于移動副，在主工具箱連接工具集中選擇移動副，出現參數欄設置，在合適的位置單擊鼠標左鍵，完成移動副的創建.如圖4所示。

滑塊2隨導桿擺動并在導桿上移動，添加移動副，如圖5所示。

添加驅動

5）減輕員工勞動強度。由于永磁聯軸器良好的密封性能，避免了泵房跑冒滴漏問題，減輕了員工日常維護維修工作量。

選擇曲柄，進行參數設置，根據設計條件可知輸入驅動參數為36d*time，即曲柄每秒鐘旋轉36o。

至此，整個樣機模型建立完整了，如圖6所示

圖4　滑塊1移動副

圖5　滑塊2移動副

圖6　機床機構模型圖

圖7　牛頭刨床滑枕的時間-位移曲線圖

圖8　牛頭刨床滑枕的時間-速度曲線圖

圖9　牛頭刨床滑枕的時間-加速度曲線圖

運動仿真

選擇工具箱中的仿真圖標，輸入相關參數，在ENDTIME欄輸入36 s， STEPS欄中輸入500，就是仿真36s的時間內輸出500組仿真數據。設置完成后進行仿真，在默認狀態下，從ADAMS進入PostProcessor后處理模塊，查看牛頭刨床滑枕各運行曲線，如圖7、圖8、圖9所示。

通過機床的運動仿真，可以得到曲柄在任一角度時，滑塊的位移，速度和加速度數據，選取一個完整的時間周期，觀察時間-位移曲線可以得出滑枕在加工方向的位移逐漸增大，移動到極限位置返回移動，移動到極限位置再向加工方向移動，從圖線可以清楚的知道牛頭刨床滑枕的運動軌跡和行程。此外還可以觀察出曲柄滑塊的急回特性，因為加工方向的直線斜率比返回方向直線斜率小，橫軸時間長，進程和返程時間不同。觀察時間-速度曲線可以得出滑枕在加工方向和返程方向速度都是時刻在變化的，并且速度都是由0增加到極值再減少到0，而在這個速度變化過程中位移是一直在增大的。觀察時間-加速度曲線可以得出滑枕的加速度也是時刻在變化的，并且通過曲線知道在滑枕在加工方向移動過程中加速度改變了方向。

這些數據比圖解法得出的數據更精確，其輸出的曲線比解析法所輸出的曲線更平滑，更逼近機構實際運動的軌跡圖。

采用虛擬樣機技術作為課程設計的輔助軟件，指導學生實踐，可以保障學生高質量完成設計任務。

設計過程中應注意的問題

（1）學生明確任務后，先學軟件進行數據分析，再進行手繪。

（2）手繪任務是曲柄任意兩個角度時各構件的運動學，動力學分析。要合理分配曲柄角度，否則繪圖時容易產生誤差。

（3）設計時，繪圖工具要嚴格按照機械制圖要求準備，繪圖比例要合理選擇，所畫線條長度要結合軟件分析的數據進行修正，否則容易出現誤差。

小結

運行虛擬樣機技術進行牛頭刨床機構的三維建模，并進行相關參數設置，運行其強大的仿真模塊進行機構的運動學仿真，獲得牛頭刨床滑枕的各種曲線及數據，其數據準確可靠，為下一步的動力學仿真做好準備。采用ADAMS進行運動學仿真，不但使學生掌握了一種計算機仿真方法，也提高了設計的準確度，大大提高了學生的學習興趣，對于教學和實踐具有廣泛的意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.040