虚拟样机技术在机床运动分析中的研究

改造者：韩彦勇 郑喜贵 朱永刚 胡小静

虚拟样机技术在机床运动分析中的研究

改造者：韩彦勇 郑喜贵 朱永刚 胡小静

机床机构设计与运动分析是应用型本科院校学生实践教学必不可少的环节，传统的分析方法对学生的制图能力和计算机编程能力要求很高，应用型本科院校的学生学习能力很难达到传统分析方法要求的条件，结合实例用大型运动学和动力学分析软件ADAMS对机床机构进行运动分析和仿真，缩短了机构运动分析的时间，为学生进行机构动力学分析提供了准确完整的数据，从而保证学生高质量完成设计任务，该软件操作简便，学生很容易理解并使用，为学生机床机构设计提出了一种新的有效的方法，对教学和实践具有很广泛的意义。

机床运动分析是机械原理课程设计的最重要的环节，机床运动分析的数据是课程设计的关键，直接影响学生下一环节的进行，传统的实践教学是学生用图解法和解析法进行机床运动分析，图解法是以线图的形式表现在图纸上，对学生的制图要求较高，学生绘图时稍微有些误差（如线宽的影响），其分析的数据结果往往偏差很大，用解析法分析机床机构虽然计算精度较高，但其推导过程复杂，编程工作量大，应用型本科院校的学生深感难以理解和推导。从而影响学生下一环节的设计，无法保证学生在规定时间内高质量地完成设计任务。ADAMS软件可以进行建模，运动学、动力学分析，数据完整可靠，提出学生在课程设计时利用ADAMS软件进行数据分析，修正数据，为机械原理课程设计顺利完成提供了保障，也为机床机构的更广泛的应用创造了条件。

机床机构实例与分析

牛头刨床是一个滑枕带动刨刀作直线往复运动的机床，可加工平面，沟槽，燕尾槽等。是一种典型的曲柄滑块机构。对此机床作运动学分析不但可以很好的熟练掌握机构分析的理论知识，还能加深了解曲柄滑块机构的应用，提高学生的学习兴趣。

已知条件

设计一牛头刨床主体机构，机构简图见图1

已知设计参数如下：

滑枕（滑块1）行程H=400mm 行程速度变化系数K=1.5

机架O2O3长 a=350mm 连杆BF与导杆O3B的比值

滑枕质量 m=46.9Kg 许用不均匀系数 ［δ］=1/30

曲柄转速 n1=5r/min

设计计算结果

根据已知条件很容易计算出

导杆长 650mm 曲柄O2A长108mm 连杆长 220mm

图1　机床结构

O3距滑块1导路X-X距离635mm

ADAMS模型建立

创建各构件模型

曲柄O2A的建立

曲柄长度为108mm，其他参数合理选择。在ADAMS/View工作窗口中创建出曲柄。如图2所表示。

（2）其他构件的建立

用同样的方法创建出导杆（长度650mm）， 连杆（长度220mm）， 和两个滑块 （连杆相连的滑块1和导杆上的滑块2，参数合理选择即可） 。

添加转动副约束

曲柄是主动件，要旋转360°，在主工具箱中选择铰接副，在曲柄O2上添加转动副，如图3所示

同样，曲柄与滑块1之间、导杆O3处导杆与连杆之间、连杆与滑块2 也是转动副，依次添加转动副约束。

添加移动副约束

图2　曲柄的建立

图3　曲柄转动副

滑块1在导轨上移动，属于移动副，在主工具箱连接工具集中选择移动副，出现参数栏设置，在合适的位置单击鼠标左键，完成移动副的创建.如图4所示。

滑块2随导杆摆动并在导杆上移动，添加移动副，如图5所示。

添加驱动

5）减轻员工劳动强度。由于永磁联轴器良好的密封性能，避免了泵房跑冒滴漏问题，减轻了员工日常维护维修工作量。

选择曲柄，进行参数设置，根据设计条件可知输入驱动参数为36d*time，即曲柄每秒钟旋转36o。

至此，整个样机模型建立完整了，如图6所示

图4　滑块1移动副

图5　滑块2移动副

图6　机床机构模型图

图7　牛头刨床滑枕的时间-位移曲线图

图8　牛头刨床滑枕的时间-速度曲线图

图9　牛头刨床滑枕的时间-加速度曲线图

运动仿真

选择工具箱中的仿真图标，输入相关参数，在ENDTIME栏输入36 s， STEPS栏中输入500，就是仿真36s的时间内输出500组仿真数据。设置完成后进行仿真，在默认状态下，从ADAMS进入PostProcessor后处理模块，查看牛头刨床滑枕各运行曲线，如图7、图8、图9所示。

通过机床的运动仿真，可以得到曲柄在任一角度时，滑块的位移，速度和加速度数据，选取一个完整的时间周期，观察时间-位移曲线可以得出滑枕在加工方向的位移逐渐增大，移动到极限位置返回移动，移动到极限位置再向加工方向移动，从图线可以清楚的知道牛头刨床滑枕的运动轨迹和行程。此外还可以观察出曲柄滑块的急回特性，因为加工方向的直线斜率比返回方向直线斜率小，横轴时间长，进程和返程时间不同。观察时间-速度曲线可以得出滑枕在加工方向和返程方向速度都是时刻在变化的，并且速度都是由0增加到极值再减少到0，而在这个速度变化过程中位移是一直在增大的。观察时间-加速度曲线可以得出滑枕的加速度也是时刻在变化的，并且通过曲线知道在滑枕在加工方向移动过程中加速度改变了方向。

这些数据比图解法得出的数据更精确，其输出的曲线比解析法所输出的曲线更平滑，更逼近机构实际运动的轨迹图。

采用虚拟样机技术作为课程设计的辅助软件，指导学生实践，可以保障学生高质量完成设计任务。

设计过程中应注意的问题

（1）学生明确任务后，先学软件进行数据分析，再进行手绘。

（2）手绘任务是曲柄任意两个角度时各构件的运动学，动力学分析。要合理分配曲柄角度，否则绘图时容易产生误差。

（3）设计时，绘图工具要严格按照机械制图要求准备，绘图比例要合理选择，所画线条长度要结合软件分析的数据进行修正，否则容易出现误差。

小结

运行虚拟样机技术进行牛头刨床机构的三维建模，并进行相关参数设置，运行其强大的仿真模块进行机构的运动学仿真，获得牛头刨床滑枕的各种曲线及数据，其数据准确可靠，为下一步的动力学仿真做好准备。采用ADAMS进行运动学仿真，不但使学生掌握了一种计算机仿真方法，也提高了设计的准确度，大大提高了学生的学习兴趣，对于教学和实践具有广泛的意义。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.040