基于ADAMS的牛頭刨床運(yùn)動(dòng)分析

昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)（基于ADAMS的牛頭刨床工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析）2011年5月基于ADAMS的牛頭刨床運(yùn)動(dòng)分析摘要：對(duì)牛頭刨床的工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析?；贏DAMS建立了牛頭刨床的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)刨頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了仿真研究。分析結(jié)果證實(shí)了牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)特性滿足工作要求。該研究思路對(duì)牛頭刨床的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。為設(shè)計(jì)提供了有效的依據(jù),有較強(qiáng)的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：ADAMS；牛頭刨床；虛擬樣機(jī)模型；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析0.引言 牛頭刨床結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。其工作裝置的主體是六桿機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。由于工件硬度大，刨削時(shí)需要刨頭（即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的滑塊）提供很大的力。由物理學(xué)可知牛頭刨床的功率： 式中 F施加給工件的力； v工作速度。在功率為定值的前提下，若力大則速度必須較低，會(huì)使工作效率降低，影響經(jīng)濟(jì)效益。為提高牛頭刨床工作效率，減輕牛頭刨床重量，應(yīng)利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，即：工作行程速度慢，而回程速度快的原理?？s短工作時(shí)間，提高工作效率。本文旨在建立牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)模型，并基于ADAMS進(jìn)行其工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真分析。找出適合工業(yè)應(yīng)用的最佳設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也為機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了值得參考的設(shè)計(jì)思路。1.工作原理及要求牛頭刨床實(shí)現(xiàn)刨頭切削運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是如圖（1）所示的一個(gè)六桿機(jī)構(gòu)。六桿機(jī)構(gòu)由擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)1-2-3-4構(gòu)成，由曲柄1作為原動(dòng)件做圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。刨頭右行時(shí)，刨刀進(jìn)行切削，稱工作行程；此時(shí)要求刨頭的速度較低且平穩(wěn)。以減小原動(dòng)機(jī)的容量和提高切削質(zhì)量.刨頭左行時(shí)，刨刀不工作，稱空行程；此時(shí)要求刨頭的速度較高以提高生產(chǎn)率。另外，從改善傳力性能和提高機(jī)械效率方面考慮，要求機(jī)構(gòu)工作時(shí)的最大壓力角max盡可能小。如圖1所示，已知曲柄1做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為60r/min，LAC=380mm，LAB=110mm，LCD=54mm，LDE=0.25LCD，刨頭行程為240 mm，C點(diǎn)到工作平臺(tái)的垂直距離為490mm。圖1 六桿機(jī)構(gòu)示意圖2.ADAMS仿真基本流程ADAMS樣機(jī)仿真的基本流程首先是對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過對(duì)模型定義參數(shù)，添加約束并對(duì)其施加力和驅(qū)動(dòng)，從而建立測量，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，最后處理分析結(jié)果并得出結(jié)論。3.牛頭刨床模型的建立運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行牛頭刨床的樣機(jī)建模。啟動(dòng)ADAMS/View，首先根據(jù)圖（1）所示及已知條件，在合適的位置運(yùn)用零件庫中選擇連桿（Link）圖標(biāo),構(gòu)造曲柄1、搖桿3、滑塊2和連桿4；長方體（Box）圖標(biāo)，構(gòu)造刨頭（此建模中用一滑塊代替）和工作平臺(tái)（on the ground）。再在約束庫中選擇旋轉(zhuǎn)副（Joint: Revolute）圖標(biāo)，分別在曲柄1和大地（ground）、搖桿3和大地（ground）、曲柄1和滑塊2，連桿4和刨頭之間創(chuàng)建相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副，運(yùn)用約束庫中選擇移動(dòng)副（Joint: Translational）圖標(biāo)，分別在搖桿3和滑塊2、刨頭和工作平臺(tái)之間創(chuàng)建相應(yīng)的滑移副。然后在驅(qū)動(dòng)庫中選擇旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)（Rotational Joint Motion）按鈕，在曲柄1與大地（ground）的轉(zhuǎn)動(dòng)副處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。已知曲柄1的轉(zhuǎn)速n=60r/min，換算成()/s后，曲柄的角速度為360/s，故定義驅(qū)動(dòng)（speed）為360/s。最后得到如圖（2）所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)。 裝配計(jì)算后裝配計(jì)算前圖2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)4.牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)仿真分析ADAMS是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。該軟件可以方便地建立機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。輸出位移、速度、加速度和作用力曲線，還可以應(yīng)用如ProE、UG、SolidWorks等造型功能強(qiáng)大的建模軟件進(jìn)行機(jī)械的三維建模。然后以ADAMSExchange支持的IGES、STEP、DXFDWG、Parasolid等圖形交換格式輸出。再通過ADAMS與CAD的接口模塊，導(dǎo)人到ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真，更擴(kuò)大了它的使用范圍2。建好模型后，點(diǎn)擊主工具箱的仿真按鈕， 設(shè)置仿真終止時(shí)間仿真終止時(shí)間（End Time）為2，仿真工作步數(shù)（Steps）為200，然后點(diǎn)擊開始仿真按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀察模型的運(yùn)動(dòng)情況。在ADAMS/View工作窗口中用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊刨頭，選擇Marker：cmMeasure，分別設(shè)置Characteristic為Translation displacement、Translation velocity、Translation acceleration，在選擇BulidMeasureAngle創(chuàng)建壓力角，最后得出如圖（3）所示刨頭壓力角曲線圖及如圖（4）刨頭質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)曲線圖。 圖3 刨頭壓力角曲線圖4 刨頭質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線從上面各圖中可以看出：刨頭行程為312mm，滿足了工作要求。刨頭在0.24s0.64s之間速度和加速度波動(dòng)最大，在0.64s1.24s 之間加速度波動(dòng)較小，這就保證了刨頭在空行程時(shí)有急回運(yùn)動(dòng)，在工作行程是由較均勻的切削速度。壓力角最大為18，相對(duì)較小，這樣傳動(dòng)角將相對(duì)較大，因此對(duì)機(jī)構(gòu)的傳力性能較有利?？傊ｎ^刨床按照設(shè)計(jì)預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，沒有出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)性能良好。5.總結(jié)本文采用ADAMS軟件對(duì)牛頭刨床的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了刨頭的運(yùn)動(dòng)曲線。同時(shí)可以通過虛擬樣機(jī)調(diào)整極位夾角，通過機(jī)構(gòu)的急回特性提高工作效率。并可以對(duì)機(jī)構(gòu)的壓力角a或傳動(dòng)角進(jìn)行調(diào)整和仿真。仿真結(jié)果為進(jìn)一步進(jìn)行牛頭刨床工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?？梢?，虛擬樣機(jī)技術(shù)簡便、直觀、可靠。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。參考文獻(xiàn)1. 李增剛編著. ADAMS入門詳解與實(shí)例. 北京. 國防工業(yè)出版社，20062.