改造者：韓彥勇 鄭喜貴 朱永剛 胡小靜

虛擬樣機技術(shù)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(gòu)設(shè)計與運動分析是應(yīng)用型本科院校學(xué)生實踐教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的分析方法對學(xué)生的制圖能力和計算機編程能力要求很高，應(yīng)用型本科院校的學(xué)生學(xué)習(xí)能力很難達到傳統(tǒng)分析方法要求的條件，結(jié)合實例用大型運動學(xué)和動力學(xué)分析軟件ADAMS對機床機構(gòu)進行運動分析和仿真，縮短了機構(gòu)運動分析的時間，為學(xué)生進行機構(gòu)動力學(xué)分析提供了準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)，從而保證學(xué)生高質(zhì)量完成設(shè)計任務(wù)，該軟件操作簡便，學(xué)生很容易理解并使用，為學(xué)生機床機構(gòu)設(shè)計提出了一種新的有效的方法，對教學(xué)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(shè)計的最重要的環(huán)節(jié)，機床運動分析的數(shù)據(jù)是課程設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響學(xué)生下一環(huán)節(jié)的進行，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)是學(xué)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(xiàn)在圖紙上，對學(xué)生的制圖要求較高，學(xué)生繪圖時稍微有些誤差（如線寬的影響），其分析的數(shù)據(jù)結(jié)果往往偏差很大，用解析法分析機床機構(gòu)雖然計算精度較高，但其推導(dǎo)過程復(fù)雜，編程工作量大，應(yīng)用型本科院校的學(xué)生深感難以理解和推導(dǎo)。從而影響學(xué)生下一環(huán)節(jié)的設(shè)計，無法保證學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)高質(zhì)量地完成設(shè)計任務(wù)。ADAMS軟件可以進行建模，運動學(xué)、動力學(xué)分析，數(shù)據(jù)完整可靠，提出學(xué)生在課程設(shè)計時利用ADAMS軟件進行數(shù)據(jù)分析，修正數(shù)據(jù)，為機械原理課程設(shè)計順利完成提供了保障，也為機床機構(gòu)的更廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

機床機構(gòu)實例與分析

牛頭刨床是一個滑枕帶動刨刀作直線往復(fù)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(gòu)。對此機床作運動學(xué)分析不但可以很好的熟練掌握機構(gòu)分析的理論知識，還能加深了解曲柄滑塊機構(gòu)的應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

已知條件

設(shè)計一牛頭刨床主體機構(gòu)，機構(gòu)簡圖見圖1

已知設(shè)計參數(shù)如下：

滑枕（滑塊1）行程H=400mm 行程速度變化系數(shù)K=1.5

機架O2O3長 a=350mm 連桿BF與導(dǎo)桿O3B的比值

滑枕質(zhì)量 m=46.9Kg 許用不均勻系數(shù) ［δ］=1/30

曲柄轉(zhuǎn)速 n1=5r/min

設(shè)計計算結(jié)果

根據(jù)已知條件很容易計算出

導(dǎo)桿長 650mm 曲柄O2A長108mm 連桿長 220mm

圖1　機床結(jié)構(gòu)

O3距滑塊1導(dǎo)路X-X距離635mm

ADAMS模型建立

創(chuàng)建各構(gòu)件模型

曲柄O2A的建立

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

（2）其他構(gòu)件的建立

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

添加轉(zhuǎn)動副約束

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

同樣，曲柄與滑塊1之間、導(dǎo)桿O3處導(dǎo)桿與連桿之間、連桿與滑塊2 也是轉(zhuǎn)動副，依次添加轉(zhuǎn)動副約束。

添加移動副約束

圖2　曲柄的建立

圖3　曲柄轉(zhuǎn)動副

滑塊1在導(dǎo)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(xiàn)參數(shù)欄設(shè)置，在合適的位置單擊鼠標(biāo)左鍵，完成移動副的創(chuàng)建.如圖4所示。

滑塊2隨導(dǎo)桿擺動并在導(dǎo)桿上移動，添加移動副，如圖5所示。

添加驅(qū)動

5）減輕員工勞動強度。由于永磁聯(lián)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(shù)設(shè)置，根據(jù)設(shè)計條件可知輸入驅(qū)動參數(shù)為36d*time，即曲柄每秒鐘旋轉(zhuǎn)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(gòu)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(biāo)，輸入相關(guān)參數(shù)，在ENDTIME欄輸入36 s， STEPS欄中輸入500，就是仿真36s的時間內(nèi)輸出500組仿真數(shù)據(jù)。設(shè)置完成后進行仿真，在默認狀態(tài)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)比圖解法得出的數(shù)據(jù)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(gòu)實際運動的軌跡圖。

采用虛擬樣機技術(shù)作為課程設(shè)計的輔助軟件，指導(dǎo)學(xué)生實踐，可以保障學(xué)生高質(zhì)量完成設(shè)計任務(wù)。

設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題

（1）學(xué)生明確任務(wù)后，先學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)分析，再進行手繪。

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

（3）設(shè)計時，繪圖工具要嚴格按照機械制圖要求準(zhǔn)備，繪圖比例要合理選擇，所畫線條長度要結(jié)合軟件分析的數(shù)據(jù)進行修正，否則容易出現(xiàn)誤差。

小結(jié)

運行虛擬樣機技術(shù)進行牛頭刨床機構(gòu)的三維建模，并進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，運行其強大的仿真模塊進行機構(gòu)的運動學(xué)仿真，獲得牛頭刨床滑枕的各種曲線及數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為下一步的動力學(xué)仿真做好準(zhǔn)備。采用ADAMS進行運動學(xué)仿真，不但使學(xué)生掌握了一種計算機仿真方法，也提高了設(shè)計的準(zhǔn)確度，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于教學(xué)和實踐具有廣泛的意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.040