昆明理工大學機電工程學院計算機輔助工程分析技術（基于ADAMS的牛頭刨床工作裝置的運動分析）2011年5月基于ADAMS的牛頭刨床運動分析摘要：對牛頭刨床的工作裝置進行運動分析。基于ADAMS建立了牛頭刨床的虛擬樣機模型，并對刨頭的運動學特性進行了仿真研究。分析結果證實了牛頭刨床的運動特性滿足工作要求。該研究思路對牛頭刨床的優化設計具有一定的參考價值。為設計提供了有效的依據,有較強的實用性。關鍵詞：ADAMS；牛頭刨床；虛擬樣機模型；運動學分析0.引言 牛頭刨床結構簡單、制造容易、工作可靠、使用維修方便等優點。其工作裝置的主體是六桿機構的曲柄搖桿機構。由于工件硬度大，刨削時需要刨頭（即曲柄搖桿機構的滑塊）提供很大的力。由物理學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，會使工作效率降低，影響經濟效益。為提高牛頭刨床工作效率，減輕牛頭刨床重量，應利用曲柄搖桿機構的急回特性，即：工作行程速度慢，而回程速度快的原理。縮短工作時間，提高工作效率。本文旨在建立牛頭刨床的運動模型，并基于ADAMS進行其工作裝置的運動仿真分析。找出適合工業應用的最佳設計方案，同時也為機械設備的優化設計提供了值得參考的設計思路。1.工作原理及要求牛頭刨床實現刨頭切削運動的關鍵機構是如圖（1）所示的一個六桿機構。六桿機構由擺動導桿機構1-2-3-4構成，由曲柄1作為原動件做圓周運動，帶動六桿機構運動。刨頭右行時，刨刀進行切削，稱工作行程；此時要求刨頭的速度較低且平穩。以減小原動機的容量和提高切削質量.刨頭左行時，刨刀不工作，稱空行程；此時要求刨頭的速度較高以提高生產率。另外，從改善傳力性能和提高機械效率方面考慮，要求機構工作時的最大壓力角max盡可能小。如圖1所示，已知曲柄1做勻速圓周運動，轉速為60r/min，LAC=380mm，LAB=110mm，LCD=54mm，LDE=0.25LCD，刨頭行程為240 mm，C點到工作平臺的垂直距離為490mm。圖1 六桿機構示意圖2.ADAMS仿真基本流程ADAMS樣機仿真的基本流程首先是對機構進行建模，通過對模型定義參數，添加約束并對其施加力和驅動，從而建立測量，對機構進行仿真，最后處理分析結果并得出結論。3.牛頭刨床模型的建立運用ADAMS軟件進行牛頭刨床的樣機建模。啟動ADAMS/View，首先根據圖（1）所示及已知條件，在合適的位置運用零件庫中選擇連桿（Link）圖標,構造曲柄1、搖桿3、滑塊2和連桿4；長方體（Box）圖標，構造刨頭（此建模中用一滑塊代替）和工作平臺（on the ground）。再在約束庫中選擇旋轉副（Joint: Revolute）圖標，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和刨頭之間創建相應的旋轉副，運用約束庫中選擇移動副（Joint: Translational）圖標，分別在搖桿3和滑塊2、刨頭和工作平臺之間創建相應的滑移副。然后在驅動庫中選擇旋轉驅動（Rotational Joint Motion）按鈕，在曲柄1與大地（ground）的轉動副處添加旋轉驅動。已知曲柄1的轉速n=60r/min，換算成()/s后，曲柄的角速度為360/s，故定義驅動（speed）為360/s。最后得到如圖（2）所示的曲柄搖桿機構虛擬樣機。 裝配計算后裝配計算前圖2 曲柄搖桿機構虛擬樣機4.牛頭刨床的運動仿真分析ADAMS是集建模、求解、可視化技術于一體的機械系統仿真分析軟件。該軟件可以方便地建立機械系統的仿真模型，進行運動學和動力學分析。輸出位移、速度、加速度和作用力曲線，還可以應用如ProE、UG、SolidWorks等造型功能強大的建模軟件進行機械的三維建模。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，導人到ADAMS中，進行運動學仿真和動力學仿真，更擴大了它的使用范圍2。建好模型后，點擊主工具箱的仿真按鈕， 設置仿真終止時間仿真終止時間（End Time）為2，仿真工作步數（Steps）為200，然后點擊開始仿真按鈕，系統進行仿真，觀察模型的運動情況。在ADAMS/View工作窗口中用鼠標右鍵點擊刨頭，選擇Marker：cmMeasure，分別設置Characteristic為Translation displacement、Translation velocity、Translation acceleration，在選擇BulidMeasureAngle創建壓力角，最后得出如圖（3）所示刨頭壓力角曲線圖及如圖（4）刨頭質心的運動曲線圖。 圖3 刨頭壓力角曲線圖4 刨頭質心運動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最大，在0.64s1.24s 之間加速度波動較小，這就保證了刨頭在空行程時有急回運動，在工作行程是由較均勻的切削速度。壓力角最大為18，相對較小，這樣傳動角將相對較大，因此對機構的傳力性能較有利。總之，牛頭刨床按照設計預定的軌跡運動，沒有出現“卡死”現象，運動性能良好。5.總結本文采用ADAMS軟件對牛頭刨床的曲柄搖桿機構虛擬樣機進行運動學分析，得到了刨頭的運動曲線。同時可以通過虛擬樣機調整極位夾角，通過機構的急回特性提高工作效率。并可以對機構的壓力角a或傳動角進行調整和仿真。仿真結果為進一步進行牛頭刨床工作裝置的優化設計奠定了基礎。可見，虛擬樣機技術簡便、直觀、可靠。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。參考文獻1. 李增剛編著. ADAMS入門詳解與實例. 北京. 國防工業出版社，20062.