基于SolidWorks Motion的平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

孫　健，張　豪，楊　青

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　揚(yáng)州　225101)

0　引言

平面四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，工程技術(shù)人員根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。傳統(tǒng)的方法有圖解法、實(shí)驗(yàn)法和解析法[1]，這三種方法都不夠直觀，計(jì)算的工作量大，不能為工程技術(shù)人員提供很好的理論模型。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)類軟件很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，比如SolidWorks軟件2012版本采用了新的Motion模塊，它是一個(gè)快速高效的虛擬仿真工具，可以對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等[2]。通過(guò)Motion運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并可使設(shè)計(jì)分析者快速地了解產(chǎn)品的可行性[3]。

平面四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)連架桿長(zhǎng)度的不同可以有多種型式，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由平面四桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái)，也是常見(jiàn)的四桿機(jī)構(gòu)。本文以典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在牛頭刨床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用為例，用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行建模、裝配和運(yùn)動(dòng)分析。

1　牛頭刨床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1為牛頭刨床的工作簡(jiǎn)圖。圖1中，AB桿為曲柄，B為滑塊，主動(dòng)件曲柄AB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在滑塊B的帶動(dòng)下桿CD繞C點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，CD桿擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件EF作往復(fù)直線移動(dòng)。當(dāng)EF桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，是刨床頭的工作行程；當(dāng)EF桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，是刨床頭的空行程。當(dāng)工作行程時(shí)需要切削，運(yùn)動(dòng)速度較慢；當(dāng)空行程時(shí)需要節(jié)約時(shí)間，所以速度較快。

2　建模與裝配

2.1　對(duì)牛頭刨床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆解建模

采用SolidWorks軟件進(jìn)行建模。牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由機(jī)架(見(jiàn)圖2)、AB桿、CD桿、ED桿、EF桿和滑塊B共6個(gè)部分組成。機(jī)架主要是AC兩點(diǎn)間的固定關(guān)系，以及AC與EF桿之間的固定關(guān)系，AC間設(shè)計(jì)成普通的桿狀，EF桿采用方管來(lái)約束自由度。EF桿設(shè)計(jì)成刨刀桿(見(jiàn)圖3)，為了形象地表示出刨刀，在EF的左側(cè)設(shè)計(jì)出刨刀的形狀。AB、CD、ED設(shè)計(jì)成普通桿狀(見(jiàn)圖4)，其長(zhǎng)度不同?；瑝K如圖5所示。各構(gòu)件上都開設(shè)圓孔，方便裝配。

圖1　牛頭刨床的工作簡(jiǎn)圖

圖2機(jī)架圖3刨刀桿

2.2　對(duì)零件開始裝配

裝配主要采用同軸和重合來(lái)定義各桿件間的相互關(guān)系。首先在SolidWorks軟件中選擇新建裝配體，裝配的關(guān)系為：機(jī)架為固定不動(dòng)的，首先放置機(jī)架，然后依次裝配進(jìn)AB桿、CD桿，兩桿之間裝配進(jìn)滑塊，最后裝配ED桿以及刨刀桿EF。裝配結(jié)果如圖6所示。

3　運(yùn)動(dòng)分析

3.1　添加運(yùn)動(dòng)馬達(dá)

在SolidWorks的牛頭刨床裝配圖中，點(diǎn)擊左下角的“運(yùn)動(dòng)算例1”浮動(dòng)按鈕，并展開“Motion Manager”選項(xiàng)卡片。單擊“Motion Manager”工具欄中的“馬達(dá)”按鈕，在彈出的“馬達(dá)”屬性管理器中設(shè)置AB桿與機(jī)架連接的圓孔，定為馬達(dá)的位置，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，同時(shí)設(shè)定馬達(dá)的速度為50 r/min(300°/s)，完成馬達(dá)的添加工作。

圖4AB、CD、ED桿圖5滑塊

圖6　SolidWorks裝配圖

3.2　運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析

運(yùn)動(dòng)分析主要是分析刨刀頭的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三個(gè)方向，但刨刀頭只能在X方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

3.2.1刨刀頭的位移分析

在Motion分析中，對(duì)刨刀頭線性位移進(jìn)行分析，得出刨刀頭位移曲線。刨床需要有良好的急回特性，在切削加工過(guò)程中切削速度慢，在空行程中急回速度快。刨刀頭的運(yùn)動(dòng)周期公式為：T=360/300=1.2 s。圖7為刨刀頭位移曲線。對(duì)位移曲線進(jìn)行分析，一個(gè)行程周期為1.64-0.44=1.2 s，得出X方向的最大位移和最小位移數(shù)值。

對(duì)一個(gè)完整的周期進(jìn)行分析，工作行程為0.44 s～1.16 s，t1=0.72 s；空行程為1.16 s～1.64 s，t2=0.48 s，則牛頭刨床的行程速度比K=t1/t2=0.72/0.48=1.5。K=1.5>1，說(shuō)明設(shè)計(jì)的牛頭刨床具有良好的急回特性。

3.2.2刨刀頭的速度分析

對(duì)刨刀頭的運(yùn)動(dòng)速度曲線(見(jiàn)圖8)進(jìn)行分析，在一個(gè)完整的周期中，在0.44 s～1.16 s區(qū)間速度較慢，在1.16 s～1.64 s區(qū)間速度較快，符合刨床的運(yùn)動(dòng)特性。

3.2.3刨刀頭的加速度分析

高速機(jī)械及重型機(jī)械中，慣性力對(duì)零件強(qiáng)度及機(jī)械的工作性能也有很大的影響 ，因而必須對(duì)機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件的加速度進(jìn)行分析[4]。刨刀頭加速度曲線如圖9所示，空行程為1.16s～1.64s區(qū)間，加速度變化大，體現(xiàn)出急回特性；工作行程為0.44s～1.16s區(qū)間，加速度變化平穩(wěn)，有利于刨削運(yùn)動(dòng)。

圖7　刨刀頭位移曲線

圖8　刨刀頭速度曲線

圖9　刨刀頭加速度曲線

4　結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行了四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，并驗(yàn)證出初始設(shè)計(jì)參數(shù)符合要求，為工程技術(shù)人員提供了模擬仿真理論依據(jù)，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，提升了工程技術(shù)人員的工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳立德．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2000.

[2]李大磊,丁天濤，程建民，等.基于SolidWorks Motion的空間擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011(11):70-71.

[3]韓銳．基于SolidWorks的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2004：8-12.

[4]俞炳璋.速度瞬心在平面連桿機(jī)構(gòu)加速度分析中的應(yīng)用[J].新疆八一農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1980(1):32-46.