牛頭刨床主運動機構的運動學分析方法研究

辛銀龍

（深圳中集天達空港設備有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

牛頭刨床，即刨刀安裝在滑枕前端的刀架上作縱向往復主運動的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。

2 確定設計方案

實際應用中，在保證產品質量的前提下，為了提高生產效率，需要牛頭刨床中刨刀的工作行程勻速慢進、空回行程快速退回，所以在其主運動機構中需加入急回機構。因此得出，牛頭刨床主運動機構的運動特點：①可將曲柄的等速回轉運動轉化為具有急回特性的往復直線運動，要求執行構件行程較大、速度變換平穩；②因執行構件受到的切削阻力大，故要求機構具有較好的傳動特性。因此，得出以下設計方案：方案一，采用偏置曲柄滑塊機構。此方案結構簡單，且承受載荷較大，但存在一定缺點：①因執行件行程較大，則要求曲柄較長，機構運行占用空間較大；②隨著行程速比系數K的增大，機構的傳力特性減弱。方案二，采用曲柄搖桿機構與搖桿滑塊機構串聯方案。此方案在傳力特性和執行件的速度變化方面比方案一有所改進，但在曲柄搖桿機構中，壓力角隨著行程速比系數K的增大，所占的運行空間較方案一更大。方案三，采用擺動導桿和偏置曲柄滑塊機構串聯方案。此方案不僅所占空間較小，而且其傳動特性較好，在工作行程中執行構件的速度變化也比較緩慢。不僅克服了方案一傳力性能差的缺點，而且也克服了方案二所占空間較大的缺點。

綜上，方案三作為牛頭刨床主運動機構較為合理。

3 MATLAB理論分析

在機械設計工程中，對擺動導桿+偏置曲柄滑塊機構的運動規律進行分析，常用的方法有圖解法和解析法。解析法結合CAD軟件進行計算與分析，能夠避免圖解法精度不高以及純粹解析法人工計算運算量大等問題。因此，本文選用解析法。

如圖1所示，當曲柄1做勻速轉動時，滑塊5做往復直線運動。設曲柄1的角速度為ω，并在鉸鏈C處建立直角坐標系 Oxy。其中，共有四個未知量 θ3、θ4、SCB、SE。為求出未知量，需利用兩個封閉圖形CABC以及CDEFC。可得以下矢量方程組：

解析以上方程，得出未知參量 SE、vE、aE，并利用MATLAB畫出主執行機構的運動線曲線圖即位移線圖、速度線圖及加速度線圖。

圖1 解析法分析

4 UG三維建模+ADAMS仿真分析

就牛頭刨床主運動機構而言，物理樣機制造花費巨大，而且反復試驗會延長設計周期，并極易對機構造成破壞，增加研發成本。

但是，如果牛頭刨床設計或改進采用虛擬樣機技術，則可有效地克服上述問題。虛擬樣機技術不僅可以利用軟件進行零部件的實體設計及裝配，還可以利用機械動力學分析軟件ADAMS進行運動學、動力學分析，來測試和評估牛頭刨床工作過程中的性能[1]。通過采用虛擬樣機技術，可以短周期、低成本地完成傳統物理樣機開發模式所必需的全部過程，因此，對牛頭刨床虛擬樣機的研究具有重要的實際意義。

將在UG中裝配好的擺動導桿+偏置曲柄滑塊機構導出為Parasolid文本文件，導入ADAMS軟件中，進行運動仿真，圖2即為擺動導桿+偏置曲柄滑塊機構在ADAMS軟件中的圖形。

由圖2可知，機構中已經加好相應的運動副以及原動力，進行仿真即可得到相應的可視化數據。由n1=40r/min可換算到ADAMS中得到：原動力n1=240.0d*time，仿真得到執行件滑塊運動特性曲線。

圖2 ADAMS運動仿真模型

5 對比與結論

5.1 對比

通過對3、4得出的運動曲線的對比，我們看到由兩種方法得到的運動曲線幾乎一致。唯一不同的是在兩種位移曲線的對比中，縱坐標的數值有些差別，其差值卻完全一致。經分析，在兩種方法中所建立的局部坐標系原點的位置有所差別，這正是位移曲線縱坐標不同而速度、加速度曲線的縱坐標卻完全吻合的原因。因而，微小差別可忽略不計。

綜上，ADAMS虛擬樣機技術更加簡便、直觀，避免了解析法煩瑣的分析、論證等過程的問題。運用ADAMS軟件對機構進行分析和論證，仿真得到各個構件的運動特征，有利于機構設計初期方案的篩選和優化。

5.2 結論

綜上，機構的設計總結如下：①理論分析。根據設計目的來構想出幾種可行的設計方案，綜合比較后確定最終設計方案。②ADAMS仿真分析。根據①中結果，得出各個構件的最佳尺寸，建模裝配，導入ADAMS中建立模型并進行運動仿真分析。③加工樣品。根據在①、②中得到的構件尺寸及其材料加工實物，進行實驗臺搭建試驗運動分析，繪制出主要點的運動曲線，與理論分析和仿真分析的結果進行對比，減小誤差，以期獲得最理想的機構。