基于VB的牛头刨床六杆机构参数化设计及运动分析

管 锋，周传喜，喻久港

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

基于VB的牛头刨床六杆机构参数化设计及运动分析

管 锋，周传喜，喻久港

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

通过牛头刨床六杆机构运动简图，建立数学模型，并对其进行求解。利用VB软件编写程序，实现了该牛头刨床六杆机构的运动简图参数化绘制，并进一步生成刨刀运动的位移、速度和加速度运动特性曲线。输入不同的已知参数时，牛头刨床运动特性的变化是比较明显的，这样可实现六杆机构的运动分析及优化设计，缩短设计周期，提高设计质量。

牛头刨床；参数化设计；运动分析；VB6.0

牛头刨床主要用于单件小批生产，刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。中小型牛头刨床的主运动大多采用曲柄摇杆机构，故滑枕(刨刀)的移动速度是不均匀的，其返回行程速度大于工作行程速度。从而提高了机床的工作效率[1-2]。为了确定牛头刨床的设计是否满足要求，就必须对其进行运动分析[3-4]。下面，笔者建立了牛头刨床的数学模型，并推导了其运动微分方程，通过数值方法分析牛头刨床的运动特性并开发了一套专门用于牛头刨床尺寸参数设计及运动学分析的通用软件。

1 数学模型

图1 牛头刨床机构运动简图

图1所示为牛头刨床的机构简图。1为原动件一曲柄，2、4、5是滑块，3是从动件；曲柄AB的长度为L1；机架AC的长度为L2；从动件CD的长度为L3；动点B、C点的距离为L4；A点到滑枕的垂直距离为上h；α是曲柄AB的转角；n1是曲柄转速。

1.1牛头刨床几何模型

已知条件为曲柄AB的长度L1、行程速比K、刨刀行程H、曲柄AB转速n1。几何关系分析如下。

当图1中的曲柄AB和CD杆垂直时，通过直角三角形的几何关系求出CD的杆长L3、机架L2的初始长度L2(0)、A点到滑枕的垂直距离h:

L3=H/(2sin(θ/2)L2(0)=L1/sin(θ/2)

h=(H/2tan(θ/2)-L2(0))

(1)

将式(1)代入式(2)：

(2)

显然，上述尺度综合中，机架长度L2和2个动点B、C之间的距离L4是不断变化的，而式(2)的求解也得借助于编程序的方法才能完成。

1.2牛头刨床运动学模型

1)速度分析B点绕A点做圆周运动，求出B点的速度 。以AB杆的B点为动点，以CD杆为动系来分析：

VB=VC+ωCDL4+Vr

(3)

式中，Vr为相对速度。将式(3)沿坐标进行分解得：

ωCDL1sin(α+β1)=-VCcosβ+ωCDL4ωCDL1cos(α+β1)=-VCsinβ+Vr

联立求解，即可得到CD杆的角速度ωCD，从而求出D点的速度：

VD=VC+ωCDL3

D点的速度向水平方向作投影，即可得到刨刀的绝对速度：

V刀=VDsinβ

2)加速度分析 下面将在速度分析的基础上进行加速度分析。动点B的绝对加速度表达式：

(4)

将加速度向CD的垂直方向投影，即可由式(4)求出CD杆的角加速度αCD：

ω2L1cos(α+β1)=-acosβ+L4αCD+2ωCDVBr

求出CD杆的角加速度后，用基点法求出D点的加速度：

刨刀杆的加速度即为D点的加速度在水平方向的投影：

2 程序实现

2.1程序流程

图2 软件程序流程图

图3 机构运动简图界面

根据前面的数学模型，采用VB语言编程，其程序流程图如图2所示。

2.2软件功能分析

在编辑框中输入牛头刨床的工况参数后，点击“生成六连杆机构简图”按钮，程序会自动进行后台运算，求出机构中各构件结构尺寸，并将几个主要尺寸显示在窗口中，同时程序中加入机构中杆长的判断条件后，可帮助设计者快捷判断出尺度综合是否合理，接着软件根据前面的系列计算结果自动生成六杆机构运动简图；点击“开始暂停动画”按钮，六连杆机构工作过程的动画演示在界面图片框中，如图3所示；点击“生成刨刀位移速度加速度曲线”按钮，软件会再次进行后台运动分析运算，并可以绘制出刨刀的位移、速度及加速度曲线；通过运动特性曲线的绘制可帮助设计者便捷的确定机构的运动性能。

2.3界面结构设计

由图3可知，该软件在界面中创建5个框架区，分别显示机构结构形式、已知工况参数、求出结果、机构运动简图及动画演示图片框和命令按钮。然后在相应的框架区中分别创建text文本、图片框、edit编辑框以及命令按钮，这样用户可以通过改变“已知工况参数”来实现相应的操作，包括界面上所有的命令按钮能实现的功能都会随着“已知工况参数”的改变而改变的。

3 实例计算

已知曲柄长度100mm，行程速比系数K=1.4，刨刀行程H=300mm；曲柄转速分别为40r/min和60r/min，2种不同转速时牛头刨床运动特性曲线分别如图4所示(图中数据放大了10倍)。

图4 牛头刨床运动特性曲线

由于牛头刨床的曲柄转速大约在50r/min左右合适，故在此取曲柄转速分别为40r/min和60r/min，以便比较机构工作性能的好坏。由图4可清楚地看到牛头刨床在工作行程中的速度变化不大，比较平稳，近似于等速，这样可以提高刨刀的工作寿命和保证代加工工件的加工质量；而牛头刨床在回程时速度变化很快，最大速度值就出现在这个阶段，可见充分体现了机构的急回特性，提高了机床的工作效率。通过比较不难发现，当曲柄转速改变时，速度和位移曲线变化不大，只有加速度的大小变化较大些，若转速变化更大些的话，加速度大小变化更加明显。

4 结 语

建立并求解了牛头刨床六杆机构的几何模型与运动学模型，借助于VB语言开发了界面化的设计及分析软件。该软件可进行人机交互，将该六杆机构的设计参数化，方便地实现了机构运动简图的绘制、机构工作原理动画演示及机构运动分析，通过运动特性曲线图可直观、形象地观察牛头刨床的运动情况。同时所有的设计结果可以在数据库中进行保存，这样也便于软件后续数据库的更新。

[1]李琴.牛头刨床的建模与动力学仿真[J].煤矿机械,2011,32(2):51-53.

[2]杨开平，史耀耀，王丽平.平面六杆机构运动学仿真系统研究[J].计算机仿真,2011,28(5):367-370.

[3]吴国祥.基于Matlab 的牛头刨床运动学分析及通用仿真软件开发[J].机械工程师,2011(9):66-67.

[4]王娟平.基于Matlab 的牛头刨床运动分析及仿真[J].煤矿机械,2012,33(1):246-248.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.049

TG552.1

A

1673-1409(2012)12-N149-03