牛头刨床主运动机构的运动学分析方法研究

辛银龙

【摘 要】通过分析牛头刨床的工作特点，确定其主运动机构的设计方案，运用UG软件建模装配，导入ADAMS进行分析，并与运用MATLAB得出的理论分析结果比较，分析两者之间的不同，从而对牛头刨床主运动机构的设计与改进提供一定的帮助。

【Abstract】By analyzing the working characteristics of shaper， the design scheme of the main motion mechanism is determined， and the analysis is carried out by using UG software modeling and assembly， which is introduced into ADAMS. Compared with the theoretical analysis results obtained by MATLAB， the differences between the two are analyzed， so as to provide some help for the design and improvement of the main motion mechanism of the shaper.

【关键词】牛头刨床;摆动导杆+偏置曲柄滑块;ADAMS;MATLAB

【Keywords】 shaper; swing guide rod + offset slider-crank; ADAMS; MATLAB

【中图分类号】TH12                                           【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）07-0131-02

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。

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。

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。運用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。

【参考文献】

【1】麓山文化.UG NX8 中文版 机械设计 从入门到精通.北京：机械工业出版社，2012.