插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真
2018-8-24 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：周 琦，張惜君
摘要: 對(duì)插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，改善了其綜合運(yùn)動(dòng)性能。利用 Pro /E 和ADAMS 軟件建立優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞: 插床; 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu); 優(yōu)化設(shè)計(jì); 運(yùn)動(dòng)仿真
插床是一種具有急回特性的金屬切削機(jī)床，廣泛用于加工鍵槽、花鍵槽、異形槽和各種異型表面。在對(duì)插床進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造時(shí)，要使插刀在進(jìn)給過(guò)程中盡可能地平穩(wěn)，以保證加工零件的表面質(zhì)量; 插刀快退時(shí)盡可能減少空行程時(shí)間，提高插床工作效率。要實(shí)現(xiàn)插刀的平穩(wěn)運(yùn)行，了解執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的影響，僅憑理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)往往難以實(shí)現(xiàn)。ADAMS 軟件是美國(guó) MDI 公司開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。設(shè)計(jì)人員可在該軟件的交互式圖形環(huán)境下建立或?qū)霗C(jī)械產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，再對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，輸出位移、速度、加 速 度 和 反 作 用力 曲線。ADAMS 軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械產(chǎn)品的性能、運(yùn)動(dòng)特性等，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中。本文對(duì)插床中導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分析其工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用 ADAMS 軟件對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行以加速度為優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在此基礎(chǔ)上返回 Pro /E環(huán)境中修改相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)尺寸，使之與優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，再導(dǎo)入 ADAMS 軟件中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)改善機(jī)構(gòu)性能的可行性。虛擬樣機(jī)技術(shù)在插床設(shè)計(jì)中所顯示出的優(yōu)越性，為進(jìn)一步提高插床的工作質(zhì)量提供了新的設(shè)計(jì)思路和方法.
1 、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)原理及運(yùn)動(dòng)分析
1． 1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)工作原理
導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是插床實(shí)現(xiàn)插削運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由機(jī)架 1，齒輪 2 和 3，滑塊 4 和 7，導(dǎo)桿 5，連桿 6 組成，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示。圖中齒輪 3 為原動(dòng)件，當(dāng)齒輪 3 旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)滑塊 4帶動(dòng)導(dǎo)桿 5 圍繞 C 點(diǎn)作往復(fù)擺動(dòng)，導(dǎo)桿 5 通過(guò)連桿6 帶動(dòng)滑塊 7 上下來(lái)回移動(dòng)，從而完成切削過(guò)程。
圖 1 插床導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
表 1 各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)
表 1 中機(jī)構(gòu)的各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)已知，且 Z 軸坐標(biāo)均為 0，故該機(jī)構(gòu)為平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由此各構(gòu)件的相互位置及尺寸基本確定，為后續(xù)在 Pro /E 環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。工程實(shí)踐證明，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中理論設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際值或多或少都會(huì)存在一些誤差，雖然這些誤差可以通過(guò)物理樣機(jī)的調(diào)試試驗(yàn)進(jìn)行消除，但也使得產(chǎn)品的研發(fā)周期變長(zhǎng)，成本增加。
2 、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
基于 ADAMS 軟件的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先建立機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化三維模型，然后通過(guò)仿真驗(yàn)證研發(fā)前所提出的各種設(shè)計(jì)要求，最后對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化結(jié)果。相比常規(guī)的解析法設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸精度得到了提高，同時(shí)解決了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中復(fù)雜機(jī)械無(wú)法兼顧各種設(shè)計(jì)要求的弊病。依據(jù)表 1 中的數(shù)據(jù)，在 ADAMS 軟件中建立插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，如圖 2 所示。
圖 2 插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型
插床執(zhí)行機(jī)構(gòu)中滑枕的工作特點(diǎn)決定了切削運(yùn)動(dòng)為循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，安裝在滑枕上的插刀速度波動(dòng)越小，切削加工件的表面質(zhì)量越好。而加速度是檢驗(yàn)速度大小變化的最好依據(jù)，所以在插床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)減小加速度的變化幅值進(jìn)而控制速度變化是可行的。以加速度為優(yōu)化目標(biāo)的插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)機(jī)構(gòu)中決定構(gòu)件尺寸的關(guān)鍵位置點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化，即將關(guān)鍵點(diǎn)的 X，Y 方向坐標(biāo)全部設(shè)置為變量，然后對(duì)這些變量進(jìn)行參數(shù)化的設(shè)計(jì)研究，最后依據(jù)設(shè)計(jì)研究的結(jié)果找出對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響最大的關(guān)鍵點(diǎn)變量，并再次進(jìn)行分析。本文對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的 O，C，B，D，E 等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置了 10 個(gè)變量，分別對(duì)應(yīng)此 5 點(diǎn)的 X，Y 坐標(biāo)值，進(jìn)行以加速度為優(yōu)化目標(biāo)的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，其結(jié)果見(jiàn)表 2。
表 2 設(shè)計(jì)變量分析結(jié)果
表中設(shè)計(jì)變量 DV_1、DV_4、DV_5 和 DV_6 的初始敏感度的絕對(duì)值遠(yuǎn)大于其余變量，說(shuō)明它們對(duì)機(jī)構(gòu)加速度的影響較大。其中設(shè)計(jì)變量 DV_4 的敏感度絕對(duì)值最大，說(shuō)明機(jī)構(gòu)中 A 點(diǎn)的 Y 坐標(biāo)值大小對(duì)加速度的影響最大; 設(shè)計(jì)變量 DV_4、DV_5 的敏感度為負(fù)，即這些設(shè)計(jì)變量的位置值越小，執(zhí)行構(gòu)件的加速度越小; 設(shè)計(jì)變量 DV_1、DV_6 的敏感度為正，即這些設(shè)計(jì)變量的位置值越大，執(zhí)行構(gòu)件水平方向的加速度越小。根據(jù)以上結(jié)果，可以對(duì)這 4 個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)一步優(yōu)化，獲得以加速度為優(yōu)化目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程與設(shè)計(jì)研究基本一致，這里不再敘述。對(duì) DV_1、DV_4、DV_5 和 DV_6 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)以滑塊 E 的加速度為優(yōu)化目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 3。
表 3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果
至此，本次插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等效簡(jiǎn)化模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)全部完成。機(jī)構(gòu)關(guān)鍵位置的最新坐標(biāo)為: O( 280,－ 0． 133 33，0) ，B( － 91，132． 01，0) ，C( 0． 090 28，0，0) ，D( － 585，170，0) ，E( － 650，－ 13． 5，0) 。
3 、優(yōu)化結(jié)果仿真與驗(yàn)證
3． 1 優(yōu)化結(jié)果仿真
根據(jù)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在插床中所處的位置及作用，設(shè)定安裝插刀的滑枕為仿真對(duì)象，正常工作時(shí)每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng) 80 次。機(jī)構(gòu)仿真時(shí)的驅(qū)動(dòng)速度由插床主電動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)速計(jì)算得出，機(jī)構(gòu)中斜齒輪的轉(zhuǎn)速為 35． 46rad /s。參數(shù)設(shè)定完成后即開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。軟件運(yùn)算完成后，使用 ADAMS /Postprocessor模塊中的仿真結(jié)果曲線繪制功能，分別繪制出機(jī)構(gòu)中滑枕的位移 y、速度 v 和加速度 a 與時(shí)間 t 的運(yùn)動(dòng)特性關(guān)系曲線。將優(yōu)化前后的運(yùn)動(dòng)特性曲線合并，如圖 3 ～ 圖 5 所示。圖中實(shí)線為優(yōu)化前的曲線，虛線為優(yōu)化后的曲線。
圖 3 優(yōu)化前后滑枕 E 的位移曲線對(duì)比
圖 4 優(yōu)化前后滑枕 E 的速度曲線對(duì)比
圖 5 優(yōu)化前后滑枕 E 的加速度曲線對(duì)比
從圖中可以看出，優(yōu)化后滑枕的行程 H =353． 290 7mm，滑枕的行程有了一定的增加; 最大速度 vmax= 191． 137 0mm / s，最 小 速 度 vmin=－ 61． 856 2mm / s; 最 大 加 速 度 amax=136．014 7mm / s2， 最 小 加 速 度 amin=－ 160． 900 9mm / s2。在插刀進(jìn)給階段滑枕的速度和加速度的突變值減小，工作更加平穩(wěn); 急回階段的速度和加速度的突變值增大，因此急回階段所花費(fèi)的時(shí)間也相應(yīng)地減少。
3． 2 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證
按照優(yōu)化后的尺寸，在三維 CAD 軟件中重新建模，然后導(dǎo)入 ADAMS 軟件中，建立插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，再次進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6 所示。與簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)特性曲線( 圖 3 ～ 圖 5)相比，兩者的位移、速度和加速度曲線形狀基本一致，從而驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。
圖 6 虛擬樣機(jī)模型與仿真運(yùn)動(dòng)曲線
4 、結(jié)束語(yǔ)
本文從工程實(shí)際出發(fā)，通過(guò)分析插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的工作原理，在 ADAMS 軟件中對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)，使得插床滑枕在急回階段的加速度變化幅值有所增加，提高了滑枕切削完成后的返回速度，從而提高了切削加工效率。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在 CAD 軟件中建立虛擬模型，導(dǎo)入 ADAMS 中對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，依據(jù)得到的最佳性能參數(shù)返回 CAD 軟件中修改原模型的尺寸，間接實(shí)現(xiàn)了外部導(dǎo)入模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一條思路。
來(lái)源：(1． 江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214405)( 2． 江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系，江蘇 江陰 214400)
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