牛頭刨床主運動機構(gòu)的運動學(xué)分析方法研究

辛銀龍

（深圳中集天達空港設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

牛頭刨床，即刨刀安裝在滑枕前端的刀架上作縱向往復(fù)主運動的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名。

2 確定設(shè)計方案

實際應(yīng)用中，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，為了提高生產(chǎn)效率，需要牛頭刨床中刨刀的工作行程勻速慢進、空回行程快速退回，所以在其主運動機構(gòu)中需加入急回機構(gòu)。因此得出，牛頭刨床主運動機構(gòu)的運動特點：①可將曲柄的等速回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為具有急回特性的往復(fù)直線運動，要求執(zhí)行構(gòu)件行程較大、速度變換平穩(wěn)；②因執(zhí)行構(gòu)件受到的切削阻力大，故要求機構(gòu)具有較好的傳動特性。因此，得出以下設(shè)計方案：方案一，采用偏置曲柄滑塊機構(gòu)。此方案結(jié)構(gòu)簡單，且承受載荷較大，但存在一定缺點：①因執(zhí)行件行程較大，則要求曲柄較長，機構(gòu)運行占用空間較大；②隨著行程速比系數(shù)K的增大，機構(gòu)的傳力特性減弱。方案二，采用曲柄搖桿機構(gòu)與搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)方案。此方案在傳力特性和執(zhí)行件的速度變化方面比方案一有所改進，但在曲柄搖桿機構(gòu)中，壓力角隨著行程速比系數(shù)K的增大，所占的運行空間較方案一更大。方案三，采用擺動導(dǎo)桿和偏置曲柄滑塊機構(gòu)串聯(lián)方案。此方案不僅所占空間較小，而且其傳動特性較好，在工作行程中執(zhí)行構(gòu)件的速度變化也比較緩慢。不僅克服了方案一傳力性能差的缺點，而且也克服了方案二所占空間較大的缺點。

綜上，方案三作為牛頭刨床主運動機構(gòu)較為合理。

3 MATLAB理論分析

在機械設(shè)計工程中，對擺動導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機構(gòu)的運動規(guī)律進行分析，常用的方法有圖解法和解析法。解析法結(jié)合CAD軟件進行計算與分析，能夠避免圖解法精度不高以及純粹解析法人工計算運算量大等問題。因此，本文選用解析法。

如圖1所示，當曲柄1做勻速轉(zhuǎn)動時，滑塊5做往復(fù)直線運動。設(shè)曲柄1的角速度為ω，并在鉸鏈C處建立直角坐標系 Oxy。其中，共有四個未知量 θ3、θ4、SCB、SE。為求出未知量，需利用兩個封閉圖形CABC以及CDEFC?？傻靡韵率噶糠匠探M：

解析以上方程，得出未知參量 SE、vE、aE，并利用MATLAB畫出主執(zhí)行機構(gòu)的運動線曲線圖即位移線圖、速度線圖及加速度線圖。

圖1 解析法分析

4 UG三維建模+ADAMS仿真分析

就牛頭刨床主運動機構(gòu)而言，物理樣機制造花費巨大，而且反復(fù)試驗會延長設(shè)計周期，并極易對機構(gòu)造成破壞，增加研發(fā)成本。

但是，如果牛頭刨床設(shè)計或改進采用虛擬樣機技術(shù)，則可有效地克服上述問題。虛擬樣機技術(shù)不僅可以利用軟件進行零部件的實體設(shè)計及裝配，還可以利用機械動力學(xué)分析軟件ADAMS進行運動學(xué)、動力學(xué)分析，來測試和評估牛頭刨床工作過程中的性能[1]。通過采用虛擬樣機技術(shù)，可以短周期、低成本地完成傳統(tǒng)物理樣機開發(fā)模式所必需的全部過程，因此，對牛頭刨床虛擬樣機的研究具有重要的實際意義。

將在UG中裝配好的擺動導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機構(gòu)導(dǎo)出為Parasolid文本文件，導(dǎo)入ADAMS軟件中，進行運動仿真，圖2即為擺動導(dǎo)桿+偏置曲柄滑塊機構(gòu)在ADAMS軟件中的圖形。

由圖2可知，機構(gòu)中已經(jīng)加好相應(yīng)的運動副以及原動力，進行仿真即可得到相應(yīng)的可視化數(shù)據(jù)。由n1=40r/min可換算到ADAMS中得到：原動力n1=240.0d*time，仿真得到執(zhí)行件滑塊運動特性曲線。

圖2 ADAMS運動仿真模型

5 對比與結(jié)論

5.1 對比

通過對3、4得出的運動曲線的對比，我們看到由兩種方法得到的運動曲線幾乎一致。唯一不同的是在兩種位移曲線的對比中，縱坐標的數(shù)值有些差別，其差值卻完全一致。經(jīng)分析，在兩種方法中所建立的局部坐標系原點的位置有所差別，這正是位移曲線縱坐標不同而速度、加速度曲線的縱坐標卻完全吻合的原因。因而，微小差別可忽略不計。

綜上，ADAMS虛擬樣機技術(shù)更加簡便、直觀，避免了解析法煩瑣的分析、論證等過程的問題。運用ADAMS軟件對機構(gòu)進行分析和論證，仿真得到各個構(gòu)件的運動特征，有利于機構(gòu)設(shè)計初期方案的篩選和優(yōu)化。

5.2 結(jié)論

綜上，機構(gòu)的設(shè)計總結(jié)如下：①理論分析。根據(jù)設(shè)計目的來構(gòu)想出幾種可行的設(shè)計方案，綜合比較后確定最終設(shè)計方案。②ADAMS仿真分析。根據(jù)①中結(jié)果，得出各個構(gòu)件的最佳尺寸，建模裝配，導(dǎo)入ADAMS中建立模型并進行運動仿真分析。③加工樣品。根據(jù)在①、②中得到的構(gòu)件尺寸及其材料加工實物，進行實驗臺搭建試驗運動分析，繪制出主要點的運動曲線，與理論分析和仿真分析的結(jié)果進行對比，減小誤差，以期獲得最理想的機構(gòu)。