基于ADAMS的推台锯主机翻转机构仿真与分析

邢力平，谭朝霞

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)

人造板作为基材在家具、室内外装饰、产品包装等方面得到了大量应用，随着人们生活水平的提高，家具的个性化、艺术化也越来越突出［1］。因此在木制品加工过程中就需要将板材锯切成各种所需的规格尺寸和角度。而推台锯正是可以满足这一要求不可或缺的设备之一。

推台锯在实现一定角度锯切时采用锯片倾斜方式，锯片可在0°～45°范围内调整，从而实现多个角度的切削。实现这一功能的机构很多，常见的有两种:一种是通过推台锯前方的手轮旋转带动丝杆推动主锯主轴座偏摆，另一种广泛采用的偏摆机构装在推台锯右侧板的内侧，旋转推台锯右侧的手轮，经手轮轴传给一对斜齿轮，带动丝杆旋转，使丝杆上的螺母轴向移动，装在螺母上的推杆推动主锯轴承座上的摆杆，从而使主锯主轴偏摆。这类机构的缺点是手动费力，操作、装配不方便［2］。

本设计研究的主机翻转机构，由步进电机提供动力，巧妙地利用了曲柄滑块机构原理，压力角小于50°，能保证机构传力性能良好;并且可将锯片锁定在0°～45°内任意角度上。不仅减轻了工人的劳动强度，而且结构简单、操作方便、调整更精确。本项研究成果的应用推广，将为我国板材加工行业带来巨大的经济效益。

ADAMS是由美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件，它使用交互式图形环境及零件库、约束库和力库，创建完全参数化的机械系统几何模型;可对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等［3－5］。因此，本文将采用ADAMS软件对推台锯主机翻转机构进行仿真分析，验证该机构的可行性以及锯片调整过程中各项参数间的关系。

1 主机翻转机构工作原理

如图1所示，推台锯主机翻转机构固定于机身内部，由支撑架9、步进电机8、大小同步带轮、丝杠2、螺母4、推杆3等组成。当锯片需要进行角度调整时，通过控制面板给出控制信息，步进电机8接受信号并按给定的信号动作，步进电机运转带动小带轮7旋转，通过皮带将动力传给丝杠副;丝杠2旋转使得螺母4移动;一端与丝杠副上的螺母相连另一端与主机支架相连的推杆3推动主机绕固定的中心作摆转运动，也就使得固定在主轴上的锯片作出一定角度。步进电机反转，可使锯片返回初始位置。这样由控制信息的变化，从而实现锯片多角度调整。

图1 总体结构布局Fig.1 Structure layout

2 样机模型建立

鉴于只是对主机翻转机构的运动进行简单的运动分析，并没有考虑对其受力及碰撞等问题，这样大大降低了建模的难度，而且应用ADAMS建模的特点是，模型越简洁越好，这样有利于约束的添加及分析计算［6］。这里我们采用全局坐标来定位和调整彼此间的相互位置关系，并将可以组合的构件进行组合，大大简化了模型。具体建模过程如下:

2.1 建立机构模型

打开ADAMS/View，设置好工作环境后，根据机构尺寸及几何关系算出各构建连接点坐标建立模型。由于原结构中，丝杠以及支撑架是与机身直接相连的，因此建模时可将其视作大地，最终模型如图2所示。

图2 ADAMS建立模型Fig.2 ADAMS model.1.host.2.follower.3.square nut.

2.2 添加约束

如图3(b)所示:将方螺母与丝杠间约束简化，在方螺母与大地间创建移动副;推杆与方螺母间以及推杆与主机间均添加转动副。另外，由于主机是绕某一固定轴线旋转，且该轴线位于锯片上，因此模型中将锯片省略;将主机旋转中心置于大地上 (图3(a)右上方第一个标记点)其坐标依据实际机构几何尺寸计算得出，并在此处添加转动副。为便于结果测量，分别在大地与主机上添加标记 (图3(a)右上方第二、三个标记点)

2.3 施加运动

该机构的动力来源为步进电机，由于步进电机固定于支撑架上已并入大地，因此模型中原动件为方螺母，在上一步创建的移动副上添加一个移动的运动。由于螺母的运动为左右往返式移动过程，因此该运动特性用IF函数描述。

函数 F=IF(expr1:expr2，expr3，expr4)的含义为

经计算可知，若锯片由0°连续偏转到45°再恢复为0°所需的时间为13.036 s。方螺母移动的行程为325.9 mm，移动速度为25 mm/s。因此ADAMS中IF函数表达式为IF(time－13.036:25*time， 325.9，325.9－25* (time－13.036))

图3 各构件间约束关系及添加运动位置Fig.3 Constraints among the components and added moving position.(a)constraints among the components.(b)enlarged image of local part 1 in(a)

3 仿真分析

为便于测量锯片摆角变化情况，在主机模型及大地上分别创建上添加标记MARKET_1、MARKET_2，其坐标根据具体结构参数确定。经仿真测量后，得出锯片摆角SAW_angle、推杆传动角Transmission_angle以及螺母位移NUT_displacement曲线随时间变化情况。如图4所示。

图4 试验数据曲线Fig.4 Experiment data curve

根据分析测试结果我们可以确定该机构是可行的，并且通过试验数据可以看出螺母移动过程中推杆传动角可以保证在40°以上，因此可以保证该机构传力性能良好。另外我们通过本次仿真测试，得出了锯片摆角和螺母位移量随时间的变化情况，根据这些数据可以计算出输入步进电机的信号与锯片摆转角度之间的关系，由此我们可以编写相应的数控代码，进而实现锯片摆角的数控调整。

4 结束语

本文对数控推台锯主机翻转机构进行分析，将其简化为我们熟悉的曲柄滑块机构，并利用ADAMS软件进行仿真分。不仅验证了该机构在数控推台锯设计中的可行性，而且直观地模拟出锯片摆动过程中各个部件的运动情况以及推杆传动角度变化情况，并得到各部件运动过程中其位移、摆角等参数，为后续的数控代码的编制提供了数据支持。ADAMS软件的这种仿真分析方法，操作简便、直观的表现了个部件间运动关系且数据可靠，大大降低了数控代码编写的难度。

［1］赵鹏飞.推台锯控制系统的设计与研究［D］.南京:南京林业大学测试计量系，2009.

［2］林旺南.推台锯主锯主轴电控角度偏摆装置［P］.中国，实用新型专刊，200520120530.6.

［3］郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［4］董希斌，周云飞.基于Pro/E和ADAMS的伐区剩余物压缩装置的设计［J］.森林工程，2010，26(5):28 －31.

［5］马启武，杨永发，孙友祥.基于ADAMS的烟草移栽机用双曲柄连杆机构运动仿真分析［J］.林业机械与木工设备，2012，40(1):46－48.

［6］姜晨龙，司 慧.基于ADAMS的清洁小车齿轮传动系统建模及仿真［J］.黑龙江农业科学，2011(1):118－121.