第 30卷　第 2期 2010年 6月 安徽理工大学学报 (自然科学版 ) Jour nal o f Anhui Univ ersity o f Science and T ech no lo gy ( N atur al Science) V ol. 30　 N o. 2 Jun. 2010 基于 AD AM S牛头刨床机构建模与仿真分析 周毅钧 ,李　坤 (安徽理工大学机械工程学院 ,安徽　淮南　 232001) 摘　要: 利用 A D AM S软件建立牛头刨床工作机构仿真模型 ,对该机构进行运动学仿真分析 , 揭示其机构运动规律和状态 ,为牛头刨床机构的工作参数和结构设计参数的确定提供理论依 据。通过仿真分析得出了牛头刨床刨头的位移、速度、加速度随时间的变化规律曲线 ,为牛头刨 床机构尺寸合理设计和结构参数的优化设计提供一种有效方法。 设计人员在物理样机建造之 前能快速、直观分析其性能 ,提高了设计效率和质量 ,节省了时间和成本。 关键词: AD AM S;牛头刨 床 ;建模 ; 仿真分析 中图分类号: T P391. 9　　文献标识码: A　　文章编号: 1672-1098( 2010) 02-0025-04 M odeli ng and Dynamical Sim ulation of Shaper M echanism Based on A DA M S ZHO U Yi-jun, LI Kun ( Schoo l o f M echanica l Engineering , Anhui U niv ersity of Scie nce and T echno lo gy , Huainan Anhui 232001, China ) Abstract: An AD A M S simulatio n model o f shaper mechani sm w as made. M oti on law and st ates of the sha per m echa nism w ere educed by i ts ki nema tical sim ulati on, w hi ch provi des a theoretical basis f or de- termina tio n of wo rki ng parameters a nd st ruct ural desi gn paramet ers of a shaper. Acco rdi ng t o sim ula- ti on, t he curv es o f plough head’ s displacement , v elo cit y, acceleratio n chang es wi th time w ere given, w hi ch provide a n ef fectiv e m ethod fo r reaso nable dimension desig n and st ruct ure o pti mi zing desi gn of sha per mechanism. By usi ng the method, desig ners can a naly ze i t s perf orm ance rapidly a nd int uitiv ely befo re physical prot ot ype bei ng made. Thus desi gn effici ency and quali ty can be i mprov ed; can be reduced. Key words: AD AM S; shaper; modeling; simulation time and co st 　　仿真技术 [1-3 ]集成多种现代化科学技术手段 , 极大地扩展了人类的能力 ,在科学技术领域有着日 益重要的作用 ,计算机仿真技术一般可分为数值仿 真、可视化仿真和虚拟现实仿真。 随着仿真技术的 发展 ,对于机械机构的运动学和动力学仿真分析越 来越普遍。通过建立的仿真数学模型 ,使用计算机、 软件等 ,对其在实际使用中的工况进行仿真分析 , 可以动态观察其运行情况 ,揭示机构的运动规律和 受力状态 ,为设计分析提供一种全新的方法 ,可预 测其整体性能 ,进而改进设计 ,提高性能。仿真技术 可缩短设计周期、降低设计成本、在机构运行前预 先评估设计的作用和功效 ,快速并且直观的进行优 化设计 [4-5 ]。 牛头刨床是刨削类机床中应用较广的一种 ,主 要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、 成形面和沟槽等。一般牛头刨床工作原理是当曲柄 匀速转动时 ,摇杆左右摆动 ,使牛头刨床的刨刀沿 着固定的轨迹运动 ,通过曲柄转动驱动刨头作往复 收稿日期: 2010-04-24 资金项目: 安徽省高校青年教师科研资助项目 ( 2008jq1040) 作者简介: 周毅钧 ( 1973-) ,男 ,安徽来安人 ,副教授 ,在读博士 ,主要从事机械制造及自动化方面的教学和研究工作。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

26 　　　　　　安徽理工大学学报 (自然科学版 )　　　　　　　　　　　　第 30卷 移动 [6 ]。 牛头刨床机构具有急回的特性 ,即牛头刨 床工作时刨刀慢慢向前移动 ,完成一次工作后刨刀 急速返回原来的位置。如何实现刨头在切削行程中 速度平稳 ,难以凭经验确定。 而且机构的几何参数 对切削行程刨头速度的平稳性的影响 ,也难以直接 判断。 为了确定牛头刨床的设计是否满足要求 ,就 必须对其进行分析。 根据要求对一种牛头刨床机构进行理论分析 , 通 过 机 械系 统 动力 学 分析 ( Aut omati c Dy namic A nalysi s M echanical Systems, AD A M S)对其建立 仿真模型 ,并添加约束与运动 ,实现在 A D AM S环 境下对牛头刨床机构进行仿真分析 ,得出相关的测 试曲线 ,着重分析其刨削长度 ,以及在运动过程中 的速度与加速度特性等主要参数。 1　理论分析 以一种牛头刨床机构简图 ,建立直角坐标系 (见 图 1)。 构件 2与构件 3是一对直齿轮 ,用来减速。 其 中构件 2为原动件 ,最终实现的是构件 7的直线往复 运动 ,曲柄 O C的连续转动变为导杆 BD的往复摆 动 ,带动 D E做往复运动 ,滑块 E做直线往复运动。 1. 地基 基 座 ; 2、 3.齿 轮 ; 4. 曲柄 ; 5.导 杆 ; 6. 连杆 ; 7.滑 块 ; A、 B、 C、 D、 E、 F 为转动副 ;θ为齿轮转角 ;O为导杆与 X 轴的夹角 ; l 1 为 OB 长度 ; l 2 为导杆 长充 ; l 3 为 导杆长 充 ; l 4 为导轨与 X 轴距离 ; e 为偏心距 图 1　牛 头刨床机构简图 　　根据机构自由度计算公式 F = 3n - 2PL - P H ,在该机构中 , n = 7, PL = 8, PH = 1,因此机构 自由度数为 F = 1。 自由度数与原动件个数相等 , 机构具有确定的运动。 根据各构件的位置关系可以得到 B 点的坐标 为 B ( 0- l1 ) ,根据角度关系可以求出 C点的坐标为 C ( e si nθ, - e co sθ) ,其中θ为齿轮 3转过的角度 , 依据齿轮传动的原理 ,可得θ= ikt= kt / 3。 根 据 矢 量 关 系 BC= OC= OB= (e si nθ, l1 - e cos θ) ,得到 B、C之间的距离为 d = |BC|= ( e sin θ) 2 + ( l1 - e cos θ) 2 ( 1) 则构件 5与 x 轴的夹角为: esin θ O= arc co s( ) 1 - 2el1 cos θ e2 + l2 ( 2) D 点的坐标为 D ( l 2 cosO, l2 si nO- l 1 ) ,要求的 是 E点位置与速度 , E 点的坐标为 E ( x , l4 ) ,则 D E = ( x - l2 cos O, l4 - l2 si nO+ l1 ) 构件 6的长度 l3 按下式计算 l3 = |DE|= ( 3) ( x - l 2 cos O) 2 + ( l4 - l 2 sin O+ l1 ) 2 ( 4) 整理后可以得到牛头刨床的滑枕的运动方程为 x 2 - 2x l 2 co sO- 2l2 ( l1 + l 4 ) si nO+ ( l1 + l 4 ) 2 + l2 2 - l 2 ( 5) 3 = 0 式中: O与 θ相关 ,θ与 t 相关。根据机构的位置关 系 ,可以得到在任意时刻滑枕的位置。对 ( 5) 式两 边关于时间 t 求一阶导数 ,得滑枕的速度方程 cosO- l 2xO si nO ( 6) 对 ( 6)式两边关于时间 t 求导后 ,得滑枕的加 = l2 ( l1 + l 4 )O ( x - l 2 cos O) x 速度方程 l4 ) co sO) O l4 ) sin O) = 0 ( x - l2 cos O) x ( 2x + l2 O 2 + l 2 ( x sin O- ( l1 + + x sin O+ x O ( l1 + co s O+ O ( 7) 通过以上分析 ,得到牛头刨床滑枕 E 点位移 , 速度与加速度方程。 2　 AD AM S建模与仿真 设计时各构件满足以下要求: 齿轮 2与齿轮 3 的传动比为 1∶ 3, l 1 的 长 度 为 80m m, 偏心距 e= 40 mm ,构件 5长度 l2 = 200m m,构件 6的长度 l3= 100 mm ,构件 7与 O点的距离为 l4 = 170 mm ,原动 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 2期　　　　　　　　　　　　周毅钧 ,等: 基于 A DA M S牛头刨床机构建模与仿真分析 27 件 2的角速度设为k。 2. 1　牛头刨机构模型建立 ( 1) 启动 AD A M S /V iew ,选择新建模型 ,设置 系统的单位。 ( 2) 绘制齿轮。 为建模的方便 ,机构中的齿轮 均采用圆柱代替 ,通过齿轮副的约束 ,使其达到齿 轮传动的效果。 ( 3) 绘制标志孔并在大齿轮上 ( 0, - 40, 5)处 创建一个与其相连的小凸台。 ( 4) 在坐标点 ( 0, - 40, 5)和 ( 0, - 40, 15)之间 创建一半径为 10,长为 10的圆柱。 ( 5) 创建摆动杆和连杆。 ( 6) 创建滑块及导轨 ,完成建模。 2. 2　添加运动副 ( 1) 创建旋转副　改变网格显示方向为 Glob- al X Y ,选择创建 旋转副按 钮 ,选择 2Bo d-1Loc 和 N o rmal To G rid,选择大齿轮的中心 ,创建一个旋 转副。 同理创建其它旋转副。 ( 2) 创建耦合副　根据齿轮传动的特性 ,选择 工具栏中的创建耦合副按钮 ,依次选择大小齿轮的 旋转副 ,右击后完成创建。双击耦合副 ,改变其传递 比例关系。 ( 3) 创建移动副　在摆动杆以及滑块上创建 移动副。 ( 4) 创建固定副　选择导轨 ,将导轨固定在大 地上 ,运动副创建完毕。 2. 3　添加运动 选择工具栏中的添加旋转运动按钮 ,设置角速 度 为 300,再选择小齿轮的转动副 ,完成运动的设 置 ,完成建模。 2. 4　设置仿真参数进行仿真 单 击 仿真计算 按钮 ,将 仿真类型 设置为 De- f aul t, 仿真时间设为 5s,仿真步数为 500,然后单击 开始按钮进行仿真计算。 2. 5　结果后处理 运行过仿真计算后 , 计算处理运动副 上的位 移、速度、加速度、作用 力和 作用力 矩等 数据 , 及 Marker点的位移速度和加速度等数据 ,可以直接 在 A D AM S /V iew 中进行简单地查看以上数据信 息 ,也可以到数据后处理模块对计算的数据做进一 步处理及比较。 进入后处理模块 ,得出牛头刨滑枕的位移、速 度、加速度曲线 (见图 2～ 图 4)。 t /s 图 2　 E 点位移曲线 t /s 图 3　 E 点速度曲线 t /s 图 4　 E 点加速度曲线 通过 AD A M S的后处理中的工具 , 可以得到 滑 枕的最大 位移与 最小 位移 分别为 20. 4 mm 与 - 179. 1 mm ,故其行程为 199. 5m m。其速度曲线在 进行刨削时的阶段比较平稳 ,在返回时变化较快 ,满 足要求。 加速度曲线斜率变化也不大 ,可以接受。 在理论计算的过程中 ,当大齿轮圆心与偏心凸 台连线方向与摆动杆垂直时 ,刨削位置达到极限位 置 , 此时根据位置关系可以得到O为 60°和 120°。根 据公式 ( 5)得到 两 个 极 限 位 移 , 故 其行 程 为 s= |- 164. 051- 35. 949|= 200mm。与仿真得到的结 果相差较小 ,仿真结果是正确的。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

28 3　结论 通过机构运动仿真输出的图形可以看出牛头 刨床工作行程速度较为平稳 ,加速度值较小 ,而牛 头刨床空行程速度变化较大 ,有突变 ,加速度值较 大 ,仿 真 结果 与 实 际 情况 和 要 求 相 符合。 运 用 A D AM S建模仿真分析不但使机构的造型形象化、 可视化 ,也使得整个的仿真过程在精确、高效的基 础上更加形象、生动。 可以帮助设计人员对牛头刨 床运动机构进行优化设计 ,使其快速、高效地设计 出理想的牛头刨床机构。 参考文献: [ 1 ]　何 玉林 . 计算机图形 学 [ M ].北京: 机械 工业出 版社 , 2004: 20-28. 　　　　　　安徽理工大学学报 (自然科学版 )　　　　　　　　　　　　第 30卷 [2 ]　 杨斌久 .基于 AD AM S技术的 3-T PT 并联机 器人 机 构动态仿真 [ J].机械制造 , 2004( 479): 14-15. [3 ]　康与云 ,赵晓春 .基于 V RM L 的牛头刨床机构运 动的 虚拟仿真 [ J].工程图学学报 , 2006, 27( 1): 149-154. [4 ]　王正山 .牛头刨床的平面六 杆机构运动分析 [ J].科技 信息: 学术版 , 2006( S12): 40-41. [5 ]　鹿跃丽 .牛头刨床六杆机构 的优化设计 [ J].郑州 工业 大学学报 , 1999, 20( 3): 39-41. [6 ]　孙恒 ,陈作模 .机械原理 [M ].北京: 高 等教育出版社 , 2004: 40-120. [7 ]　郑凯 ,胡仁喜 ,陈鹿民 . A DA M S2005机械设计高 级应 用实例 [M ].北京: 机械工业出版社 , 2006: 21-80. [8 ]　陈立 平 . 机械 系统动 力学 分析及 AD AM S应 用教 程 [ M ].北京: 清华大学出版社 , 2005: 15-200. (责任编辑: 李　丽 ) 表示非确定大小的量值可以使用单位符号吗? 　　问　表示大不确定的量值可以使用单位符号吗? 答　允许。 G B3100- 1993指出: “单位和词头 的符号用于公式、数据表、曲线图、刻度盘和产品铭 牌等需要明了的地方 ,也用于叙述性文字中。”中国 标准出版社 1996年出版的《量和单位国家标准实 施指南》进一步指出: “单位符号可以在一切需要简 单明了表示的地方使用 ,也可用于叙述性文字中。 并不局限于仅在表示量值时才用符号。在非量值的 情况下 ,只要不会产生误解 ,也可单独作用符号。” 因此 ,在表示非确定大小的量值 ,甚至非量值时 ,顺 理成章地可以使用符号 ,如几 h Pa、数十 km /h等。 用英文出版的《国际药典》中就有“… each m L … ”的用法 ; 在我国的药典中也有“每 1 m L…… ”的 用法: 这些用法都不违反标准的规定。 由于长期以 来对这类情况使用单位名称 ,改用了符号反而让人 看起来“不习惯” ,感到“别扭”。 其实在科技出版物 中 ,用符号代替名称 ,尤其对一些复杂的单位 ,是十 分简明方便的。例如 ,“洛伦兹系数的单位为二次方 伏特每二次方开尔文” , 如使用符号则变得非常简 明: “洛伦兹系数的单位为 V 2 / K2”。 摘自《编辑学报》 2009年 4期 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net