基于ADAMS的牛头刨床运动分析1

昆明理工大学机电工程学院

计算机辅助工程分析技术（基于ADAMS的牛头刨床工作装置的运动分析）

2011年5月

基于ADAMS的牛头刨床运动分析

摘要：对牛头刨床的工作装置进行运动分析。基于ADAMS建立了牛头刨床的虚拟样机模型，并对刨头的运动学特性进行了仿真研究。分析结果证实了牛头刨床的运动特性满足工作要求。该研究思路对牛头刨床的优化设计具有一定的参考价值。为设计提供了有效的依据,有较强的实用性。

关键词：ADAMS；牛头刨床；虚拟样机模型；运动学分析

0.引言

牛头刨床结构简单、制造容易、工作可靠、使用维修方便等优点。其工作装置的主体是六杆机构的曲柄摇杆机构。由于工件硬度大，刨削时需要刨头（即曲柄摇杆机构的滑块）提供很大的力。由物理学可知牛头刨床的功率：

ν∙

P

=F

式中F——施加给工件的力；

v——工作速度。

在功率为定值的前提下，若力大则速度必须较低，会使工作效率降低，影响经济效益。为提高牛头刨床工作效率，减轻牛头刨床重量，应利用曲柄摇杆机构的急回特性，即：工作行程速度慢，而回程速度快的原理。缩短工作时间，提高工作效率。本文旨在建立牛头刨床的运动模型，并基于ADAMS进行其工作装置的运动仿真分析。找出适合工业应用的最佳设计方案，同时也为机械设备的优化设计提供了值得参考的设计思路。

1.工作原理及要求

牛头刨床实现刨头切削运动的关键机构是如图（1）所示的一个六杆机构。六杆机构由摆动导杆机构1-2-3-4构成，由曲柄1作为原动件做圆周运动，带动六杆机构运动。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程；此时要求刨头的速度较低且平稳。以减小原动机的容量和提高切削质量.刨头左行时，刨刀不工作，称空行程；此时要求刨头的速度较高以提高生产率。另外，从改善传力性能和提高机械效率方面考虑，要求机构工作时的最大压力角αmax尽可能小。

如图1所示，已知曲柄1做匀速圆周运动，转速为60r/min，LAC=380mm，L AB=110mm，L CD=54mm，L DE=0.25L CD，刨头行程为240 mm，C点到工作平台的垂直距离为490mm。

图1 六杆机构示意图

2.ADAMS仿真基本流程

ADAMS样机仿真的基本流程首先是对机构进行建模，通过对模型定义参数，添加约束并对其施加力和驱动，从而建立测量，对机构进行仿真，最后处理分析结果并得出结论。

3.牛头刨床模型的建立

运用ADAMS软件进行牛头刨床的样机建模。启动ADAMS/View，首先根据图（1）所示

及已知条件，在合适的位置运用零件库中选择连杆（Link）图标,构造曲柄1、摇杆3、滑块2和连杆4；长方体（Box）图标，构造刨头（此建模中用一滑块代替）和工作平台（on the ground）。再在约束库中选择旋转副（Joint: Revolute）图标，分别在曲柄1和大地（ground）、摇杆3和大地（ground）、曲柄1和滑块2，连杆4和刨头之间创建相应的旋转副，运用约束库中选择移动副（Joint: Translational）图标，分别在摇杆3和滑块2、刨头和工作平台之间创

建相应的滑移副。然后在驱动库中选择旋转驱动（Rotational Joint Motion）按钮，在曲柄1与大地（ground）的转动副处添加旋转驱动。已知曲柄1的转速n=60r/min，换算成(°)/s后，曲柄的角速度为360°/s，故定义驱动（speed）为360°/s。最后得到如图（2）所示的曲柄摇杆机构虚拟样机。

图2 曲柄摇杆机构虚拟样机

4.牛头刨床的运动仿真分析

ADAMS 是集建模、求解、可视化技术于一体的机械系统仿真分析软件。该软件可以方便地建立机械系统的仿真模型，进行运动学和动力学分析。输出位移、速度、加速度和作用力曲线，还可以应用如ProE 、UG 、SolidWorks 等造型功能强大的建模软件进行机械的三维建模。然后以ADAMS ／Exchange 支持的IGES 、STEP 、DXF ／DWG 、Parasolid 等图形交换格式输出。再通过ADAMS 与CAD 的接口模块，导人到ADAMS 中，进行运动学仿真和动力学仿真，更扩大了它的使用范围[2]。

建好模型后，点击主工具箱的仿真按钮

， 设置仿真终止时间仿真终止时间（End Time ）

为2，仿真工作步数（Steps ）为200，然后点击开始仿真按钮，系统进行仿真，观察模型的运动情况。

在ADAMS/View 工作窗口中用鼠标右键点击刨头，选择Marker ：cm →Measure ，分别设置Characteristic 为Translation displacement 、Translation velocity 、Translation acceleration ，在选择Bulid →Measure →Angle 创建压力角，最后得出如图（3）所示刨头压力角曲线图及如图（4）刨头质心的运动曲线图。

装配计算前

装配计算后

从上面各图中可以看出：刨头行程为312mm ，满足了工作要求。刨头在0.24s~0.64s 之间速度和加速度波动最大，在0.64s~1.24s 之间加速度波动较小，这就保证了刨头在空行程时有急回运动，在工作行程是由较均匀的切削速度。压力角最大为18°，相对较小，这样传动角将相对较大，因此对机构的传力性能较有利。总之，牛头刨床按照设计预定的轨迹运动，没有出现“卡死”现象，运动性能良好。

5.总结

本文采用ADAMS 软件对牛头刨床的曲柄摇杆机构虚拟样机进行运动学分析，得到了刨头的运动曲线。同时可以通过虚拟样机调整极位夹角θ，通过机构的急回特性提高工作效率。并可以对机构的压力角a 或传动角λ进行调整和仿真。仿真结果为进一步进行牛头刨床工作装置的优化设计奠定了基础。

可见，虚拟样机技术简便、直观、可靠。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。

图3 刨头压力角曲线

图4 刨头质心运动曲线