牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法研究

辛銀龍

【摘 要】通過(guò)分析牛頭刨床的工作特點(diǎn)，確定其主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用UG軟件建模裝配，導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行分析，并與運(yùn)用MATLAB得出的理論分析結(jié)果比較，分析兩者之間的不同，從而對(duì)牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供一定的幫助。

【Abstract】By analyzing the working characteristics of shaper， the design scheme of the main motion mechanism is determined， and the analysis is carried out by using UG software modeling and assembly， which is introduced into ADAMS. Compared with the theoretical analysis results obtained by MATLAB， the differences between the two are analyzed， so as to provide some help for the design and improvement of the main motion mechanism of the shaper.

【關(guān)鍵詞】牛頭刨床;擺動(dòng)導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊;ADAMS;MATLAB

【Keywords】 shaper; swing guide rod + offset slider-crank; ADAMS; MATLAB

【中圖分類號(hào)】TH12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）07-0131-02

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(fù)主運(yùn)動(dòng)的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。

2 確定設(shè)計(jì)方案

實(shí)際應(yīng)用中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，為了提高生產(chǎn)效率，需要牛頭刨床中刨刀的工作行程勻速慢進(jìn)、空回行程快速退回，所以在其主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中需加入急回機(jī)構(gòu)。因此得出，牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：①可將曲柄的等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為具有急回特性的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，要求執(zhí)行構(gòu)件行程較大、速度變換平穩(wěn);②因執(zhí)行構(gòu)件受到的切削阻力大，故要求機(jī)構(gòu)具有較好的傳動(dòng)特性。因此，得出以下設(shè)計(jì)方案：方案一，采用偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且承受載荷較大，但存在一定缺點(diǎn)：①因執(zhí)行件行程較大，則要求曲柄較長(zhǎng)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行占用空間較大;②隨著行程速比系數(shù)K的增大，機(jī)構(gòu)的傳力特性減弱。方案二，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)方案。此方案在傳力特性和執(zhí)行件的速度變化方面比方案一有所改進(jìn)，但在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，壓力角隨著行程速比系數(shù)K的增大，所占的運(yùn)行空間較方案一更大。方案三，采用擺動(dòng)導(dǎo)桿和偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)方案。此方案不僅所占空間較小，而且其傳動(dòng)特性較好，在工作行程中執(zhí)行構(gòu)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(diǎn)，而且也克服了方案二所占空間較大的缺點(diǎn)。

綜上，方案三作為牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)較為合理。

3 MATLAB理論分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)工程中，對(duì)擺動(dòng)導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，常用的方法有圖解法和解析法。解析法結(jié)合CAD軟件進(jìn)行計(jì)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(jì)算運(yùn)算量大等問(wèn)題。因此，本文選用解析法。

如圖1所示，當(dāng)曲柄1做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊5做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)曲柄1的角速度為ω，并在鉸鏈C處建立直角坐標(biāo)系Oxy。其中，共有四個(gè)未知量θ3、θ4、SCB、SE。為求出未知量，需利用兩個(gè)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)線曲線圖即位移線圖、速度線圖及加速度線圖。

4 UG三維建模+ADAMS仿真分析

就牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，物理樣機(jī)制造花費(fèi)巨大，而且反復(fù)試驗(yàn)會(huì)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，并極易對(duì)機(jī)構(gòu)造成破壞，增加研發(fā)成本。

但是，如果牛頭刨床設(shè)計(jì)或改進(jìn)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，則可有效地克服上述問(wèn)題。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅可以利用軟件進(jìn)行零部件的實(shí)體設(shè)計(jì)及裝配，還可以利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，來(lái)測(cè)試和評(píng)估牛頭刨床工作過(guò)程中的性能[1]。通過(guò)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以短周期、低成本地完成傳統(tǒng)物理樣機(jī)開(kāi)發(fā)模式所必需的全部過(guò)程，因此，對(duì)牛頭刨床虛擬樣機(jī)的研究具有重要的實(shí)際意義。

將在UG中裝配好的擺動(dòng)導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)出為Parasolid文本文件，導(dǎo)入ADAMS軟件中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，圖2即為擺動(dòng)導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在ADAMS軟件中的圖形。

由圖2可知，機(jī)構(gòu)中已經(jīng)加好相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副以及原動(dòng)力，進(jìn)行仿真即可得到相應(yīng)的可視化數(shù)據(jù)。由n1=40r/min可換算到ADAMS中得到：原動(dòng)力n1=240.0d * time，仿真得到執(zhí)行件滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線。

5 對(duì)比與結(jié)論

5.1 對(duì)比

通過(guò)對(duì)3、4得出的運(yùn)動(dòng)曲線的對(duì)比，我們看到由兩種方法得到的運(yùn)動(dòng)曲線幾乎一致。唯一不同的是在兩種位移曲線的對(duì)比中，縱坐標(biāo)的數(shù)值有些差別，其差值卻完全一致。經(jīng)分析，在兩種方法中所建立的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置有所差別，這正是位移曲線縱坐標(biāo)不同而速度、加速度曲線的縱坐標(biāo)卻完全吻合的原因。因而，微小差別可忽略不計(jì)。

綜上，ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)更加簡(jiǎn)便、直觀，避免了解析法煩瑣的分析、論證等過(guò)程的問(wèn)題。運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和論證，仿真得到各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特征，有利于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初期方案的篩選和優(yōu)化。

5.2 結(jié)論

綜上，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)總結(jié)如下：①理論分析。根據(jù)設(shè)計(jì)目的來(lái)構(gòu)想出幾種可行的設(shè)計(jì)方案，綜合比較后確定最終設(shè)計(jì)方案。②ADAMS仿真分析。根據(jù)①中結(jié)果，得出各個(gè)構(gòu)件的最佳尺寸，建模裝配，導(dǎo)入ADAMS中建立模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。③加工樣品。根據(jù)在①、②中得到的構(gòu)件尺寸及其材料加工實(shí)物，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)分析，繪制出主要點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線，與理論分析和仿真分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，減小誤差，以期獲得最理想的機(jī)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】麓山文化.UG NX8 中文版 機(jī)械設(shè)計(jì) 從入門到精通.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.