基于ADAMS的钻床六杆进给机构设计与仿真分析

于 鹏，王培俊，李保庆，夏 欢

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

在台式钻床中，钻床主轴的进给运动一般是用手操纵的，往往要耗费许多时间。要提高生产率，就要对钻床采用自动送进机构，以减少操纵所用的时间。本文以平面六杆机构为研究对象，设计了一种钻床自动进给机构。

1 钻床工作原理

在钻孔时，一般要求钻头先以较高的速度接近零件，然后匀速进给，最后快速返回，具有急回特性。钻头工作示意图如图1所示。

图1 钻头工作示意图

设进给机构的输入运动为构件1的匀速回转，其转速为n1，输出运动为刀具（钻头）的直线往复运动，行程为H＝H1＋H2。机构要实现将单向匀速连续转动转变为刀具的直线往复运动，并且要具有一定的行程速比。具体要求如下：

（1）由A到B，刀具的行程为H1，为刀具趋近工件的行程，要求刀具具有较高的速度。

（2）由B到C，刀具的行程为H2，为钻削时的送进行程，要求刀具能够以近似匀速v送进，以保证钻孔动作的完成和钻孔质量。

（3）由C返回到A，刀具的行程H＝H1＋H2，为刀具的抬起（退回）行程，要求刀具具有较高的速度。

2 自动钻床进给机构设计

自动进给机构要能够满足钻床的设计要求。平面连杆机构由于机构简单、加工简便、制造成本低、工作平稳、行程可调、急回速度快，所以在设计中被广泛采用［1］。本文选用平面六杆机构作为钻床的自动进给机构。

图2为六杆进给机构简图。首先设计行程速比系数为K＝1.5的四杆结构，取lAD＝200mm，lCD＝150 mm，摇杆的一个极限位置与机架之间的夹角Φ＝45°（Φ1的极限位置）。当行程速比系数K＝1.5时，机构的极位夹角（CD转过的角度）为：

通过作图法求得lAB＝46mm，lBC＝98mm。

摇杆滑块机构DEF与曲柄摇杆机构ABCD为串联，可单独设计DEF。取∠CDE＝78°，lDE＝75mm，lEF＝250mm，点F到AD的垂直距离为5mm。

图2 六杆进给机构简图

3 机构运动学分析

在A点建立坐标系，即A（0，0），D（200，0），F（xF，5）。

（1）由运动约束条件可知点B到点A的距离不变，点A、B的连线与坐标轴x之间的夹角为Φ1，则点B的位置方程为：

由此可以求出B点的坐标（xB，yB）。

（2）由于lBC和lCD长度固定，则有：

将由式（1）求出的B点坐标代入式（2），然后与公式（3）联立可以解出C点的坐标（xC，yC）。

（3）由于lCE和lDE不变，则有：

D点坐标已知为（200，0），将由式（2）求出的C点的坐标代入式（4），然后与公式（5）联立可以解出E点的坐标（xE，yE）。

（4）在摇杆滑块机构DEF中有：

已知E点坐标和yF＝5mm，代入式（6）即可求得F点的坐标。

对式（6）求时间的一阶导，可得输出杆（F点）的速度方程［2］：

其中：vFx、vFy、vEx、vEy分别为F点、E点在x方向和y方向的速度。

对式（6）求时间的二阶导，或者对式（7）求时间的一阶导，可求得F点的加速度方程：

其中：aFx、aFy、aEx和aEy分别为F点、E点在x方向和y方向的加速度。

4 虚拟样机模型的建立

采用Inventor进行三维建模，装配完成后得到六杆机构的三维模型。Inventor 2012支持将模型直接转为.X＿T格式，.X＿T格式可以准确地在ADAMS中打开，没有模型元素丢失。

将Inventor模型导入ADAMS/View后，手动添加每个零件的材质、质量属性等，根据需要改变构件的颜色［3］。本文根据各部件之间的相对运动关系，在相互接触的各机构之间添加了适当的约束。添加约束后进行模型验证，获得了虚拟样机模型，如图3所示。

图3 六杆机构虚拟样机模型

5 机构运动分析

在ADAMS中对虚拟样机进行仿真。在曲柄处添加驱动，选择运动仿真类型为Kinematic，设置仿真时间为20s，步长设置为400。以构件5输出杆为研究对象，得到了它的位移、速度、加速度变化规律，如图4所示［4］。

图4 输出杆位移、速度、加速度变化曲线

从图4可以看出，由0s到8s时，运动速度最快，可以当作由C返回到A的抬起（退回）行程；8s到13 s期间，速度较为平滑，可近似视为匀速，满足由B到C的工作行程；13s到20s期间，速度较快，可以作为刀具趋近工件的行程。整个过程中，输出件运动平滑，未出现加速度突变。

6 结论

设计了六连杆机构作为钻床自动进给机构，求解出了输出杆件的位置、速度、加速度变化规律。同时利用ADAMS仿真，得到了输出构件的位移、速度、加速度变化曲线。仿真结果表明机构满足设计要求，利用ADAMS仿真的方法简便、直观、快捷。

［1］徐凤英，李德威，陈震.用于精密冲裁工艺的平面六连杆冲压机机构优化设计［J］.华南农业大学学报，2000（3）：91－92.

［2］诺顿.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［3］李红云，李浙昆.基于ADAMS的冲压机建模与分析［J］.新技术新工艺，2013（7）：76－78.

［4］康利君，李瑞琴.基于ADAMS的瓦特六连杆机构运动学研究及仿真［J］.机械工程与自动化，2013（1）：15－16，19.