張惜君

(江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405)

基于Pro/E和ADAMS的牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)仿真分析

張惜君

(江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系，江蘇江陰 214405)

闡述了牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在Pro/E環(huán)境中建模和ADAMS環(huán)境中運(yùn)動(dòng)仿真過程。通過對機(jī)構(gòu)中滑枕的速度和加速度曲線分析，說明了滑枕在工作階段運(yùn)行平穩(wěn)，返回階段速度較快。分析了導(dǎo)桿的擺角曲線，計(jì)算了機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)，說明了機(jī)構(gòu)存在急回特性。另外分析了驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率曲線，結(jié)果表明，由于返回階段速度較快，所需的驅(qū)動(dòng)力矩及功率的損耗相應(yīng)增加，運(yùn)動(dòng)參數(shù)符合刨床的工作特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

導(dǎo)桿機(jī)構(gòu);三維建模;仿真分析

近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展，通過建立虛擬樣機(jī)，能夠模擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的各種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中物理樣機(jī)的反復(fù)制造、修改過程，大大縮短了開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，提高了面向客戶與市場需求的能力［1］。

利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，所涉及的領(lǐng)域比較廣，可以支持以保證和提高產(chǎn)品性能為主旨的各種工程分析，支持不同領(lǐng)域的人員同時(shí)對同一個(gè)虛擬樣機(jī)進(jìn)行測試、分析，從而將許多潛在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)隱患和缺陷消滅在設(shè)計(jì)初期階段，因而可以大幅度提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

本文采用Pro/E對某牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維CAD建模，并導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

1 基于Pro/E的CAD建模

ADAMS本身具有一定的三維CAD建模能力，但對于牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)這樣具有復(fù)雜外形與構(gòu)造的機(jī)械來說，則建模能力有限且過程比較復(fù)雜，因此需要由Pro/E的專業(yè)CAD軟件協(xié)助建模。

對于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的CAD建模，主要是利用Pro/E中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等操作建立零部件三維實(shí)體模型，力求形狀圓滑美觀逼真。同時(shí)考慮到仿真研究的需要，對不是特別重要的圖形，則盡量簡化，如取消過渡圓角等非關(guān)鍵性信息，完成了滑枕、滑塊、導(dǎo)桿及齒輪等各零件的建模。

機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程由斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿作往復(fù)擺動(dòng)，導(dǎo)桿帶動(dòng)滑枕作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。裝配完成后的虛擬樣機(jī)應(yīng)該有一個(gè)自由度，所以在裝配時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式選擇“連接”約束方式，如銷釘、圓柱、球、滑動(dòng)桿等。本次裝配采用了2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、1個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)圓柱副，具體裝配方法為:滑枕和搖桿、方滑塊和斜齒輪之間的相對運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以選擇銷釘(pin)連接約束方式;方滑塊和搖桿之間的相對運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副，可以選擇滑動(dòng)桿(slider)連接約束方式;圓滑塊和搖桿之間的相對運(yùn)動(dòng)副為圓柱副，可以選擇圓柱(cylinder)連接約束方式;其他輔助零件采用剛性連接中的“匹配”和“對齊”約束。這樣就成功裝配完成了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的CAD模型，如圖1所示。

利用Pro/E干涉分析功能進(jìn)行干涉檢查，避免了該模型導(dǎo)入ADAMS后因機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題而必須返回Pro/E環(huán)境重新修改的重復(fù)工作。

2 建立虛擬樣機(jī)

由于Pro/E與ADAMS是分屬2家不同公司開發(fā)的軟件平臺(tái)，從功能以及程序內(nèi)核等多方面來看，各自的數(shù)據(jù)都很難為對方識別［2］。要將Pro/E格式的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS環(huán)境中，必須利用Pro/E和ADAMS的接口軟件Mechanism/Pro2005，采用無縫連接的方式，用戶不必退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，即可將導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)裝配體中的零件定義為剛體，添加一些簡單的約束后，將模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中。重新定義各零件的材料屬性等，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量信息，此外還要進(jìn)行如下模型完善工作:

圖1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的CAD模型

a.為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確，取消原先設(shè)定的約束。

b.依據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在構(gòu)件之間重新添加約束，原動(dòng)件添加驅(qū)動(dòng)。

c.使用模型驗(yàn)證工具檢查錯(cuò)誤，包括不恰當(dāng)?shù)倪B接和約束、沒有約束的構(gòu)件、樣機(jī)的自由度等內(nèi)容［3］。

通過上述操作對模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善，建立了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型(如圖2所示)。

圖2 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

3 基于ADAMS的仿真分析

在ADAMS/View模塊中，添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，再選擇斜齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)副，來完成運(yùn)動(dòng)的設(shè)置。通過單擊仿真按鈕對導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，完成后再對仿真結(jié)果進(jìn)行測量，將測量得到的各物理量的特性曲線傳送到 ADAMS/Postprocessor模塊［4］，最后繪制出一系列與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理量曲線，如圖3～圖5所示。

圖3為機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件滑枕的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線。由圖3可知，滑枕的位移為正弦曲線分布，Ymax= －412.595 1mm，Ymin=－891.216 3mm，行 程 H = Ymax－ Ymin=478.621 2mm，與設(shè)計(jì)的預(yù)定值480mm比較接近，但仍存在差距。速度曲線中最大速度Ymax=167.751 8m/s，最小速度 Xmin= － 93.590 8 m/s。加速度曲線中最大加速度Ymax=91.075 6 m/s2，最小加速度Ymin= －90.135 8 m/s2。

圖3 滑枕的位移、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線

從滑枕的速度和加速度曲線還可以看出，在加工進(jìn)給階段比較平滑，沒有發(fā)生突變，說明當(dāng)刨刀在進(jìn)行刨削運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度較低且工作穩(wěn)定，這十分有利于提高機(jī)床對零件刨削表面的加工質(zhì)量。在返回階段速度較快且變化明顯，刨削運(yùn)動(dòng)比較合理，符合刨床的工作特點(diǎn)，這樣有利于提高機(jī)床的加工效率。滑枕往返一次所用時(shí)間為t=12s，其中加工進(jìn)給階段花費(fèi)的時(shí)間t1=8.92s，返回階段花費(fèi)的時(shí)間t2=3.08s，t1＞t2，說明了該機(jī)構(gòu)存在急回特性。

圖4為導(dǎo)桿的擺角隨時(shí)間變化曲線。由圖4可知，導(dǎo)桿在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的左右擺動(dòng)最大角度ψ=10.426°。根據(jù)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，極位夾角θ等于擺角。由此計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k=1.12。再次驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)確實(shí)存在急回特性，仿真的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況相符，說明了虛擬樣機(jī)仿真的真實(shí)性和可靠性。

圖5為驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率曲線。從圖5中可以看出，在機(jī)構(gòu)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，驅(qū)動(dòng)承受的力矩和消耗的功率與運(yùn)動(dòng)一致。在推程中機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)的力矩和功率值基本保持在一個(gè)恒定值，變化不大。在回程時(shí)，雖然不進(jìn)行切削，但由于機(jī)構(gòu)存在急回特性，加速度變化較快，運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和功率值明顯增加。

圖4 導(dǎo)桿的擺角隨時(shí)間變化曲線

圖5 驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率曲線

至此，通過建立牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)并進(jìn)行仿真，得到了機(jī)構(gòu)中滑枕的相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性曲線及相關(guān)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上可對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析，并與本次仿真所得參數(shù)進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步對機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終就可得到設(shè)計(jì)所需的最佳參數(shù)。

此外，通過仿真還可分析導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在切削阻力等載荷作用下各構(gòu)件及約束的受力情況，作為在有限元軟件中進(jìn)行滑枕等相關(guān)構(gòu)件結(jié)構(gòu)有限元分析的依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過對導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中滑枕的運(yùn)動(dòng)曲線分析，說明了在工作階段滑枕的速度值變化平緩，加速度較小，所需的驅(qū)動(dòng)力矩和功率損耗基本恒定。而返回階段則相反，速度變化劇烈且所需驅(qū)動(dòng)力矩和功率損耗大幅增加。根據(jù)所測量導(dǎo)桿擺角的最大值，可計(jì)算出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)大于1，證明機(jī)構(gòu)存在急回特性，機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果與牛頭刨床的切削特點(diǎn)相符合，本次設(shè)計(jì)具有較好的可靠性。

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真并分析相關(guān)參數(shù)，無需制造物理樣機(jī)即可驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期。另外，還可根據(jù)不同的工作要求進(jìn)一步對機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，推進(jìn)同類產(chǎn)品的模塊化和系列化。

［1］肖田元.虛擬制造［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［2］陳立平，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及 ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］周毅鈞，李坤.基于ADAMS牛頭刨床機(jī)構(gòu)建模與仿真分析［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(4):25－28.

［4］李旭榮，鄭相周.基于ADAMS的牛頭刨床工作機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007(4):437－446.

The Simulation Analysis of Planer Guide Mechanism Based on Pro/E and ADAMS

ZHANG Xijun
(Jiangyin Secondary Specialized School，Jiangsu Jiangyin，214405，China)

It introduces the modeling and motion simulation process of planer guide mechanism based on Pro/E and ADAMS.The analysis of the ram velocity and acceleration curve explaine the ram working stable at the working stage，and moving faster at the return stage.It describes the swing angle curve of the guide rod，calculates the coefficient of travel speed ratio of the mechanism，illustrates that the quick-return characteristics，the curve of power and the balance torque of driven.The results show that the faster velocity in the return stage increses more driving torque and power consumption.The movement parameters conform to the characteristics of planer，the design of mechanism is reasonable.

Rocker Mechanism;3D Modeling;Simulation Analysis

TP391.9

A

2095－509X(2013)02－0021－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.006

2012－09－10

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，主要從事機(jī)電一體化、數(shù)字化虛擬制造技術(shù)方面的研究工作。