牛头刨床主运动机构的运动学分析方法研究

辛银龙

（深圳中集天达空港设备有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

牛头刨床，即刨刀安装在滑枕前端的刀架上作纵向往复主运动的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛头而得名。

2 确定设计方案

实际应用中，在保证产品质量的前提下，为了提高生产效率，需要牛头刨床中刨刀的工作行程匀速慢进、空回行程快速退回，所以在其主运动机构中需加入急回机构。因此得出，牛头刨床主运动机构的运动特点：①可将曲柄的等速回转运动转化为具有急回特性的往复直线运动，要求执行构件行程较大、速度变换平稳；②因执行构件受到的切削阻力大，故要求机构具有较好的传动特性。因此，得出以下设计方案：方案一，采用偏置曲柄滑块机构。此方案结构简单，且承受载荷较大，但存在一定缺点：①因执行件行程较大，则要求曲柄较长，机构运行占用空间较大；②随着行程速比系数K的增大，机构的传力特性减弱。方案二，采用曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联方案。此方案在传力特性和执行件的速度变化方面比方案一有所改进，但在曲柄摇杆机构中，压力角随着行程速比系数K的增大，所占的运行空间较方案一更大。方案三，采用摆动导杆和偏置曲柄滑块机构串联方案。此方案不仅所占空间较小，而且其传动特性较好，在工作行程中执行构件的速度变化也比较缓慢。不仅克服了方案一传力性能差的缺点，而且也克服了方案二所占空间较大的缺点。

综上，方案三作为牛头刨床主运动机构较为合理。

3 MATLAB理论分析

在机械设计工程中，对摆动导杆+偏置曲柄滑块机构的运动规律进行分析，常用的方法有图解法和解析法。解析法结合CAD软件进行计算与分析，能够避免图解法精度不高以及纯粹解析法人工计算运算量大等问题。因此，本文选用解析法。

如图1所示，当曲柄1做匀速转动时，滑块5做往复直线运动。设曲柄1的角速度为ω，并在铰链C处建立直角坐标系 Oxy。其中，共有四个未知量 θ3、θ4、SCB、SE。为求出未知量，需利用两个封闭图形CABC以及CDEFC。可得以下矢量方程组：

解析以上方程，得出未知参量 SE、vE、aE，并利用MATLAB画出主执行机构的运动线曲线图即位移线图、速度线图及加速度线图。

图1 解析法分析

4 UG三维建模+ADAMS仿真分析

就牛头刨床主运动机构而言，物理样机制造花费巨大，而且反复试验会延长设计周期，并极易对机构造成破坏，增加研发成本。

但是，如果牛头刨床设计或改进采用虚拟样机技术，则可有效地克服上述问题。虚拟样机技术不仅可以利用软件进行零部件的实体设计及装配，还可以利用机械动力学分析软件ADAMS进行运动学、动力学分析，来测试和评估牛头刨床工作过程中的性能[1]。通过采用虚拟样机技术，可以短周期、低成本地完成传统物理样机开发模式所必需的全部过程，因此，对牛头刨床虚拟样机的研究具有重要的实际意义。

将在UG中装配好的摆动导杆+偏置曲柄滑块机构导出为Parasolid文本文件，导入ADAMS软件中，进行运动仿真，图2即为摆动导杆+偏置曲柄滑块机构在ADAMS软件中的图形。

由图2可知，机构中已经加好相应的运动副以及原动力，进行仿真即可得到相应的可视化数据。由n1=40r/min可换算到ADAMS中得到：原动力n1=240.0d*time，仿真得到执行件滑块运动特性曲线。

图2 ADAMS运动仿真模型

5 对比与结论

5.1 对比

通过对3、4得出的运动曲线的对比，我们看到由两种方法得到的运动曲线几乎一致。唯一不同的是在两种位移曲线的对比中，纵坐标的数值有些差别，其差值却完全一致。经分析，在两种方法中所建立的局部坐标系原点的位置有所差别，这正是位移曲线纵坐标不同而速度、加速度曲线的纵坐标却完全吻合的原因。因而，微小差别可忽略不计。

综上，ADAMS虚拟样机技术更加简便、直观，避免了解析法烦琐的分析、论证等过程的问题。运用ADAMS软件对机构进行分析和论证，仿真得到各个构件的运动特征，有利于机构设计初期方案的筛选和优化。

5.2 结论

综上，机构的设计总结如下：①理论分析。根据设计目的来构想出几种可行的设计方案，综合比较后确定最终设计方案。②ADAMS仿真分析。根据①中结果，得出各个构件的最佳尺寸，建模装配，导入ADAMS中建立模型并进行运动仿真分析。③加工样品。根据在①、②中得到的构件尺寸及其材料加工实物，进行实验台搭建试验运动分析，绘制出主要点的运动曲线，与理论分析和仿真分析的结果进行对比，减小误差，以期获得最理想的机构。