插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)造型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

張惜君，周 琦

(1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214400)

(2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405)

插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)造型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

張惜君1，周 琦2

(1.江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214400)

(2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405)

首先根據(jù)插床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與尺寸計(jì)算，然后運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造型，最后在ADMAS環(huán)境中建立該機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況進(jìn)行了仿真分析，得到了相關(guān)的工作特性曲線，并重點(diǎn)分析了插削長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)過程中的加速度和導(dǎo)桿擺角以及施加載荷情況等主要參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。對(duì)比仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，兩者數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)；造型；運(yùn)動(dòng)仿真

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)是在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，以經(jīng)驗(yàn)和物理樣機(jī)的反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而獲得滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品。整個(gè)設(shè)計(jì)過程周期長(zhǎng)且花費(fèi)巨大，嚴(yán)重制約了企業(yè)研發(fā)成本的降低和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。為了克服這種弊端，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，越來越多的企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，以縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低設(shè)計(jì)成本。

1 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本次研究對(duì)插床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作特性要求如下：插刀切削行程H≥350mm，行程速比系數(shù)k=2，最大切削阻力Fmax=780kN。在插床的設(shè)計(jì)要求中，k=2要求機(jī)構(gòu)從動(dòng)件空回行程速度快于工作行程的速度，從而提高插削效率。圖1所示為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，曲柄AB通過滑塊B帶動(dòng)連桿BD繞C點(diǎn)在一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，通過連桿DE推動(dòng)滑塊E上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊(插刀)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)符合插床切削運(yùn)動(dòng)的要求。

此外，為了防止曲柄AB在旋轉(zhuǎn)時(shí)，因CB桿過短而導(dǎo)致B點(diǎn)滑塊滑落，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮留有一定的余量，因此在CB桿上選取一點(diǎn)K，取LBK=LAB+50mm。

通過計(jì)算上述各點(diǎn)的坐標(biāo)，確定了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相互位置及定形、定位尺寸，為在Pro/E環(huán)境中進(jìn)行各零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模提供了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，由于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了四舍五入取整，得出的位置坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值之間多少存在一些誤差，不過這些誤差在傳統(tǒng)的解析法設(shè)計(jì)中是不可避免的[2-3]。

2 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)造型

本次設(shè)計(jì)的插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)包含5個(gè)零部件：滑枕、導(dǎo)桿、齒輪部件、連桿和滑塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維造型過程如下。

a.滑枕。

滑枕的主體框架為類似長(zhǎng)方形箱體結(jié)構(gòu)，采用整體鑄造。下部有兩條導(dǎo)軌將滑枕安裝在插床立柱上，與立柱間可作上下相對(duì)移動(dòng)?；淼囊欢藶閳A柱，用來安裝、固定插刀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需進(jìn)行精密加工。整個(gè)滑枕壁厚取18～20mm，內(nèi)部中間有兩個(gè)片狀軸承座用以安裝絲杠軸承。頂部設(shè)一通槽可方便調(diào)節(jié)安裝在絲杠上的連接螺帽，改變插削行程。另外，在框架的不同位置還應(yīng)添加筋板以提高強(qiáng)度。

b.導(dǎo)桿。

導(dǎo)桿的主體框架采用扇形結(jié)構(gòu)。柄部厚度較小而展開部厚度較大，并在展開面切出滑塊移動(dòng)的通槽。導(dǎo)桿的柄部和中間位置各留一孔，與連接件作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

c.齒輪部件。

齒輪部件由于存在斜齒輪導(dǎo)致在建模過程中顯得比較復(fù)雜：首先齒輪需按照設(shè)計(jì)參數(shù)繪出精確的齒形，完成齒輪模型的建模；然后通過拉伸等操作做出滑座、壓板和曲柄軸的實(shí)體模型；最后將壓板裝配在滑座上固定曲柄軸，滑座與齒輪裝配在一起形成齒輪部件子裝配體。

對(duì)于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的其他零件，可以按照類似方法進(jìn)行設(shè)計(jì)造型，不再一一介紹。

在Pro/E軟件中把上述零件或部件組裝成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，為了在后續(xù)操作時(shí)方便地利用接口軟件將模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中，裝配時(shí)滑枕與連桿、連桿與導(dǎo)桿、滑塊與齒輪部件選擇“銷釘”約束，導(dǎo)桿與滑塊選擇“滑動(dòng)桿”約束,同時(shí)選擇“匹配”→“重合”約束確定構(gòu)件間的相對(duì)位置，以減少不必要的重復(fù)工作[4]。利用以上約束類型完成裝配后的插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)三維CAD模型如圖2所示。

3 機(jī)構(gòu)的仿真

通過Mechanism/Pro軟件專用接口，直接將裝配完畢的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境，建立完成的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。緊接著就可進(jìn)行導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真[5]。

3.1機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

使用ADAMS/Postprocessor模塊提供的分析曲線繪制功能[6]，繪制出滑枕的位移、加速度和導(dǎo)桿擺角隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)特性曲線，如圖4，5和6所示。

圖4中刀具(即滑枕)的行程H=Ymax-Ymin=-392.011 4-(-738.952 8)=346.941 4mm，與設(shè)計(jì)設(shè)定值H≥350mm較接近，說明了本次設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

從滑枕的運(yùn)動(dòng)過程分析，工作周期t=13.048-1.048=12s，空回階段位移變化呈線性狀態(tài)，花費(fèi)時(shí)間t1=13.048-9.044=4.004s；工作進(jìn)給階段位移變化平緩，花費(fèi)時(shí)間t2=9.044-1.048=7.996s。整個(gè)工作行程中，t2>t1，說明該機(jī)構(gòu)具有急回特性。

圖5中刀具的加速度值a=Ymax-Ymin=136.903 3-(-120.550 7)=257.454mm/s2。該曲線在工作進(jìn)給階段加速度值較小且變化不明顯，說明當(dāng)插刀在進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)時(shí)速度變化不大，工作比較平穩(wěn)。在返回階段加速度變化差異明顯且呈線性狀態(tài)分布，說明刀具在返回時(shí)速度變化很快，也進(jìn)一步說明了該機(jī)構(gòu)存在急回特性。在切削的開始與結(jié)束的階段，速度值有一個(gè)呈線性變化的階段，可能會(huì)產(chǎn)生較大的切削阻力，需進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析。

3.2施加載荷仿真分析

在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作行程與回程的交替階段會(huì)產(chǎn)生較大的切削阻力，該階段插刀工作時(shí)承受780kN的最大切削阻力，該力施加在插刀與滑枕的連接位置。由于機(jī)構(gòu)的一個(gè)工作周期(12s)中，只有進(jìn)給階段受到切削阻力，根據(jù)滑枕的運(yùn)動(dòng)特性曲線查出，周期的起始時(shí)間為0.70s，進(jìn)給階段0.71～8.70s，整個(gè)階段受到780kN的最大切削阻力；而在滑枕返回時(shí)由于沒有進(jìn)行切削，所以不承受阻力，結(jié)束時(shí)間12.70s。因此作用力函數(shù)可表示為幾個(gè)階段函數(shù)，具體函數(shù)表達(dá)式如下：

F=Step(time,0.7,0,0.71,780 000)+Step(time,0.71,0,8.7, 0)+Step(time,8.7,0,8.71,-780 000)

在對(duì)機(jī)構(gòu)施加切削載荷后，重新繪制滑枕的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線，兩者完全重合(這里不再重復(fù)展示)，說明在插床切削加工過程中，在刀具的輸出點(diǎn)(即滑枕)的一切運(yùn)動(dòng)特性都是沒有改變的，證明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性與其是否承受載荷無關(guān)。

圖7，8為施加載荷前后驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率曲線，圖中實(shí)線表示機(jī)構(gòu)未施加切削阻力時(shí)的曲線，虛線表示施加切削阻力后的曲線。從圖中可以看出，在機(jī)構(gòu)工作進(jìn)給階段驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率值均發(fā)生了變化，而急回階段由于沒有承受切削阻力，平衡力矩和功率值的變化近似于忽略不計(jì)。

4 結(jié)束語

本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，從而大大縮短了插床的開發(fā)周期。通過使用虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)產(chǎn)品，可在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試和分析，方便更改設(shè)計(jì)缺陷和隱患，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本。但是，由于條件的限制，本次研究只對(duì)插床的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行了仿真，對(duì)于整機(jī)的虛擬樣機(jī)研究，有待于在今后的工作中進(jìn)一步完善。

[1] 蘇有良．偏置擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的解析設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2013(10)：21-24.

[2] 張策．機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.[3] 邸海燕，張慶功．?dāng)[動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的解析法研究[J]．輕工機(jī)械，2009(4)：56-59.

[4] 楊雷，劉英，李海濱，等．基于SolidWorks的機(jī)床產(chǎn)品虛擬裝配[J]．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005(11)：31-33.

[5] 張慶功，馬曉麗，周兆忠．基于ADAMS軟件的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]．輕工機(jī)械，2008(5)：38～39.

[6] 鄭建榮．ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M]．1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

The modeling and kinematics simulation of slotting's guide bar mechanism design

ZHANG Xijun1,ZHOU Qi2

(1.Jiangyin Secondary Vocational School of Jiangsu Province, Jiangsu Jiangyin, 214400, China)

(2.Jiangyin Polytechnic College, Jiangsu Jiangyin, 214405, China)

According to the design requirements of the slotting machine， it analyzes the design and dimension calculation for the guide bar mechanism of this machine, establishes the structure design and three-dimensional modeling of each part for the guide rod mechanism based on Pro/E software, builds the virtual prototype model of the mechanism in ADAMS environment, realizes the mechanism simulation. It also illustrates a series curve of the performance characteristic, and discusses the main parameter related to the mechanism motion, such as slotting length, acceleration characteristic, guide rod swing angle, and load cases etc. Comparing with the design requirements, it shows the simulation results and verifies the accuracy of this design.

guide bar mechanism; design; modeling; motion simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.003

2014-12-11

張惜君(1981—)，女，江蘇泰興人，江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校講師，碩士，主要研究方向?yàn)樘摂M制造技術(shù)。

TP391.9；TH123.1

A

2095-509X(2015)02-0008-04