摘 要：在牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)它的主要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析。本文主要介紹了基于SolidWorks和COSMOSMOTION環(huán)境的仿真模型的構(gòu)造方法。它的運(yùn)用，提高了設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和預(yù)見性，并為機(jī)構(gòu)的構(gòu)件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)做了必要的準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：CAD 牛頭刨床 運(yùn)動(dòng)學(xué) 仿真

中圖分類號(hào)：THl28；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0076-01

隨著科技的發(fā)展。計(jì)算計(jì)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?，F(xiàn)在它已經(jīng)突破了二維圖紙電子化得框架，轉(zhuǎn)向以三維實(shí)體建模、動(dòng)力學(xué)模擬仿真和有限元分析為主線的虛擬樣機(jī)制造技術(shù)。使用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用。

本文主要介紹根據(jù)已知條件。在Solid Works環(huán)境下建立牛頭刨床的簡(jiǎn)單模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的仿真。

1 牛頭刨床機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

牛頭刨床是常見的一種平面機(jī)械加工設(shè)備，對(duì)其系統(tǒng)的要求一般為：（1）為了提高工作效率，在空回行程時(shí)，刨刀快速退回，即要有急回作用。（2）為了提高刨刀的使用壽命和工件的表面加工質(zhì)量，在工作行程時(shí)，刨刀速度要平穩(wěn)，切削階段刨刀應(yīng)近似勻速運(yùn)動(dòng)。假定已知行程速比系數(shù)K為1.4左右，曲柄轉(zhuǎn)速n=60 r/min，刨刀行程H在300 mm左右，工作行程的阻力F約為7000 N。因曲柄AB為主動(dòng)構(gòu)件，構(gòu)件2與3之間的傳動(dòng)角始終未90°，在搖桿滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)E點(diǎn)的軌跡位于D點(diǎn)所作圓弧高度的平均線上時(shí)，構(gòu)件4與5之間有較大的傳動(dòng)角。根據(jù)已知條件和構(gòu)件幾何約束初確定各構(gòu)件長(zhǎng)度分別為：Lab=110 mm，Lac=410 mm，Lcd=540 mm，Lde=130 mm。這種機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案具有加工簡(jiǎn)單和占用面積比較小的特點(diǎn)。其傳動(dòng)性能，在工作行程中，刨刀的速度變化，行程速比系數(shù)的大小及所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小將在下面的仿真中進(jìn)行驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)幾何建模

根據(jù)上訴尺寸，在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行零件建模，并進(jìn)行裝配。建模時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)格保證運(yùn)動(dòng)副位置及運(yùn)動(dòng)副間尺寸。

將各構(gòu)件按運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行虛擬裝配后進(jìn)行到COSMOSMOTION運(yùn)動(dòng)仿真插件環(huán)境中，定義導(dǎo)軌和機(jī)架為靜止構(gòu)件，刨刀、滑塊、導(dǎo)軌、曲柄為運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。在運(yùn)動(dòng)分析前必須用各種運(yùn)動(dòng)副連接各構(gòu)件，建立運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)。添加刨刀與導(dǎo)軌為移動(dòng)副，使刨刀在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)；添加刨刀與連桿為轉(zhuǎn)動(dòng)副，使兩構(gòu)件在連接軸心上相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；添加連桿與導(dǎo)軌為轉(zhuǎn)動(dòng)副，添加滑塊與導(dǎo)桿為移動(dòng)福，添加曲柄與滑塊為轉(zhuǎn)動(dòng)副，添加曲柄與機(jī)架為轉(zhuǎn)動(dòng)副，添加導(dǎo)桿與機(jī)架為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

3 添加運(yùn)動(dòng)激勵(lì)

根據(jù)已知條件，曲柄回轉(zhuǎn)速度n=60 r/min，可知曲柄每秒回轉(zhuǎn)一周。為曲柄添加運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，第一構(gòu)件為曲柄，第二構(gòu)件為機(jī)架，位置選擇構(gòu)件的配合圓孔面，方向選擇圓孔面的邊線，使之繞機(jī)架連接點(diǎn)的Z軸（兩構(gòu)件配合圓孔的重合軸線）旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)類型為速度，初始位移（曲柄與導(dǎo)桿垂直）為零，函數(shù)為恒定值，角速度為-360 deg/sec（n=60 r/min），速度的負(fù)號(hào)使曲柄的運(yùn)動(dòng)方向與圖示方向相反，為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

4 添加工作阻力

預(yù)防真結(jié)束后，繪制刨刀質(zhì)量X軸位移線圖。從0～0.42 s內(nèi)為運(yùn)動(dòng)回程段，時(shí)間為0.42 s；0.42～1 s內(nèi)為其工作行程段，時(shí)間為0.58 s，最大行程為H=299 mm。在工作行程的前0.05 H和后0.05 H里無工作阻力，0.05 H=0.05×299 mm=14.95 mm，將鼠標(biāo)位置與刨刀質(zhì)心線圖刨刀工作段和終點(diǎn)段時(shí)顯示的時(shí)間分別為0.49 sec、0.92 sec。這樣工作阻力隨時(shí)間的變化為：在0≤t<0.49時(shí)間段內(nèi)，工作阻力F=0；在0.49≤t<0.92時(shí)間段內(nèi)，工作阻力F=7000 N；在0.92≤t≤1時(shí)間段內(nèi)，工作阻力F=0.使用IF函數(shù)，鍵入工作阻力函數(shù)表達(dá)式為：IF（time―0.49：0，7000，IF（time―0.92：7000，0，IF（time―1：0，0，0），為刨刀添加工作阻力，運(yùn)動(dòng)仿真。

5 仿真分析

（1）將時(shí)間控制曲線置于峰值點(diǎn)，計(jì)算行程速比系數(shù)，K=工作行程時(shí)間0.58 sec/工作回程時(shí)間0.42 sec=1.38 sec，近似于K=1.4。說明機(jī)構(gòu)具有機(jī)會(huì)特性，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）在0.49～0.92時(shí)間段內(nèi)，工作阻力為7000 N，其他時(shí)間段內(nèi)為零，說明工作阻力定義確定。

（3）從刨刀質(zhì)心速度曲線上可看出，曲線連接；在有效加工段內(nèi)速度在350 mm/sec～717 mm/sec內(nèi)連接變化，變化量不大，近似于勻速運(yùn)動(dòng)。從刨刀質(zhì)心加速度曲線可看出，在有效加工段內(nèi)加速度在3632 mm/sec2～3340 mm/sec2內(nèi)連續(xù)變化，差值僅為292 mm/sec2，加速度變化連續(xù)平穩(wěn)，再次說明速度變化平穩(wěn)，不存在任何沖擊，符合設(shè)計(jì)要求。

（4）仿真可知，機(jī)構(gòu)運(yùn)行到0.72s時(shí)存在力矩峰值，這是由于設(shè)計(jì)中沒有增加構(gòu)件和材料屬性造成的，系統(tǒng)內(nèi)存在極小的慣性質(zhì)量。因此可根據(jù)仿真進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)構(gòu)各組成零件、構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、賦予材質(zhì)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證慣性質(zhì)量作用，提高系統(tǒng)的整體動(dòng)力性能。

6 結(jié)論

通過對(duì)牛頭刨床的仿真設(shè)計(jì)可以知道，在SolidWorks環(huán)境下，建立機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案模型，虛擬裝配并可驗(yàn)證干涉；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)性能。對(duì)可能存在的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)局限性、運(yùn)動(dòng)干涉、超出運(yùn)動(dòng)范圍、動(dòng)力性能不足等情況進(jìn)行驗(yàn)證和再設(shè)計(jì)，調(diào)整不足，改善機(jī)構(gòu)性能。這種利用計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)隊(duì)工作任務(wù)的設(shè)計(jì)方法，可以節(jié)約大量的財(cái)力、物力，提高工作效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)周期性，對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)作用。