邢力平，譚朝霞

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

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

推臺(tái)鋸在實(shí)現(xiàn)一定角度鋸切時(shí)采用鋸片傾斜方式，鋸片可在0°～45°范圍內(nèi)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度的切削。實(shí)現(xiàn)這一功能的機(jī)構(gòu)很多，常見(jiàn)的有兩種:一種是通過(guò)推臺(tái)鋸前方的手輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿推動(dòng)主鋸主軸座偏擺，另一種廣泛采用的偏擺機(jī)構(gòu)裝在推臺(tái)鋸右側(cè)板的內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)推臺(tái)鋸右側(cè)的手輪，經(jīng)手輪軸傳給一對(duì)斜齒輪，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使絲桿上的螺母軸向移動(dòng)，裝在螺母上的推桿推動(dòng)主鋸軸承座上的擺桿，從而使主鋸主軸偏擺。這類(lèi)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是手動(dòng)費(fèi)力，操作、裝配不方便［2］。

本設(shè)計(jì)研究的主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，巧妙地利用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)原理，壓力角小于50°，能保證機(jī)構(gòu)傳力性能良好;并且可將鋸片鎖定在0°～45°內(nèi)任意角度上。不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、調(diào)整更精確。本項(xiàng)研究成果的應(yīng)用推廣，將為我國(guó)板材加工行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

ADAMS是由美國(guó)MSC公司開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境及零件庫(kù)、約束庫(kù)和力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型;可對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等［3－5］。因此，本文將采用ADAMS軟件對(duì)推臺(tái)鋸主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性以及鋸片調(diào)整過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)間的關(guān)系。

1 主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

如圖1所示，推臺(tái)鋸主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定于機(jī)身內(nèi)部，由支撐架9、步進(jìn)電機(jī)8、大小同步帶輪、絲杠2、螺母4、推桿3等組成。當(dāng)鋸片需要進(jìn)行角度調(diào)整時(shí)，通過(guò)控制面板給出控制信息，步進(jìn)電機(jī)8接受信號(hào)并按給定的信號(hào)動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)小帶輪7旋轉(zhuǎn)，通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳給絲杠副;絲杠2旋轉(zhuǎn)使得螺母4移動(dòng);一端與絲杠副上的螺母相連另一端與主機(jī)支架相連的推桿3推動(dòng)主機(jī)繞固定的中心作擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也就使得固定在主軸上的鋸片作出一定角度。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，可使鋸片返回初始位置。這樣由控制信息的變化，從而實(shí)現(xiàn)鋸片多角度調(diào)整。

圖1 總體結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Structure layout

2 樣機(jī)模型建立

鑒于只是對(duì)主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析，并沒(méi)有考慮對(duì)其受力及碰撞等問(wèn)題，這樣大大降低了建模的難度，而且應(yīng)用ADAMS建模的特點(diǎn)是，模型越簡(jiǎn)潔越好，這樣有利于約束的添加及分析計(jì)算［6］。這里我們采用全局坐標(biāo)來(lái)定位和調(diào)整彼此間的相互位置關(guān)系，并將可以組合的構(gòu)件進(jìn)行組合，大大簡(jiǎn)化了模型。具體建模過(guò)程如下:

2.1 建立機(jī)構(gòu)模型

打開(kāi)ADAMS/View，設(shè)置好工作環(huán)境后，根據(jù)機(jī)構(gòu)尺寸及幾何關(guān)系算出各構(gòu)建連接點(diǎn)坐標(biāo)建立模型。由于原結(jié)構(gòu)中，絲杠以及支撐架是與機(jī)身直接相連的，因此建模時(shí)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(jiǎn)化，在方螺母與大地間創(chuàng)建移動(dòng)副;推桿與方螺母間以及推桿與主機(jī)間均添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。另外，由于主機(jī)是繞某一固定軸線旋轉(zhuǎn)，且該軸線位于鋸片上，因此模型中將鋸片省略;將主機(jī)旋轉(zhuǎn)中心置于大地上 (圖3(a)右上方第一個(gè)標(biāo)記點(diǎn))其坐標(biāo)依據(jù)實(shí)際機(jī)構(gòu)幾何尺寸計(jì)算得出，并在此處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。為便于結(jié)果測(cè)量，分別在大地與主機(jī)上添加標(biāo)記 (圖3(a)右上方第二、三個(gè)標(biāo)記點(diǎn))

2.3 施加運(yùn)動(dòng)

該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源為步進(jìn)電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)固定于支撐架上已并入大地，因此模型中原動(dòng)件為方螺母，在上一步創(chuàng)建的移動(dòng)副上添加一個(gè)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。由于螺母的運(yùn)動(dòng)為左右往返式移動(dòng)過(guò)程，因此該運(yùn)動(dòng)特性用IF函數(shù)描述。

函數(shù) F=IF(expr1:expr2，expr3，expr4)的含義為

經(jīng)計(jì)算可知，若鋸片由0°連續(xù)偏轉(zhuǎn)到45°再恢復(fù)為0°所需的時(shí)間為13.036 s。方螺母移動(dòng)的行程為325.9 mm，移動(dòng)速度為25 mm/s。因此ADAMS中IF函數(shù)表達(dá)式為IF(time－13.036:25*time， 325.9，325.9－25* (time－13.036))

圖3 各構(gòu)件間約束關(guān)系及添加運(yùn)動(dòng)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(cè)量鋸片擺角變化情況，在主機(jī)模型及大地上分別創(chuàng)建上添加標(biāo)記MARKET_1、MARKET_2，其坐標(biāo)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。經(jīng)仿真測(cè)量后，得出鋸片擺角SAW_angle、推桿傳動(dòng)角Transmission_angle以及螺母位移NUT_displacement曲線隨時(shí)間變化情況。如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Experiment data curve

根據(jù)分析測(cè)試結(jié)果我們可以確定該機(jī)構(gòu)是可行的，并且通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出螺母移動(dòng)過(guò)程中推桿傳動(dòng)角可以保證在40°以上，因此可以保證該機(jī)構(gòu)傳力性能良好。另外我們通過(guò)本次仿真測(cè)試，得出了鋸片擺角和螺母位移量隨時(shí)間的變化情況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出輸入步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)與鋸片擺轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，由此我們可以編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)控代碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋸片擺角的數(shù)控調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)控推臺(tái)鋸主機(jī)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，將其簡(jiǎn)化為我們熟悉的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，并利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分。不僅驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)在數(shù)控推臺(tái)鋸設(shè)計(jì)中的可行性，而且直觀地模擬出鋸片擺動(dòng)過(guò)程中各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)情況以及推桿傳動(dòng)角度變化情況，并得到各部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其位移、擺角等參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)控代碼的編制提供了數(shù)據(jù)支持。ADAMS軟件的這種仿真分析方法，操作簡(jiǎn)便、直觀的表現(xiàn)了個(gè)部件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系且數(shù)據(jù)可靠，大大降低了數(shù)控代碼編寫(xiě)的難度。

［1］趙鵬飛.推臺(tái)鋸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)測(cè)試計(jì)量系，2009.

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