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插床導杆（gǎn）機構的優化設計與運動仿真

2018-8-24 來源：轉載作者：周琦，張惜君

摘要（yào）: 對插床導杆機構的工作（zuò）原（yuán）理和（hé）運動過程進行了分析，運用動力學仿真軟件 ADAMS 對導（dǎo）杆機構進行了參數優化設計，優化了導杆機構的幾何參數，改善（shàn）了其綜合運動性能。利用 Pro /E 和（hé）ADAMS 軟件建立優化後（hòu）機構的虛擬樣機，對優化結果進行了仿真（zhēn）驗證。

關鍵詞: 插床; 導杆機構; 優化設計; 運動仿真

插床是一種具有急回特性的金屬切削（xuē）機床，廣泛用於加工鍵槽、花鍵槽、異形槽和各種異（yì）型表麵。在對插床進行設計、製造時，要使插刀在進給（gěi）過程中盡可能地平穩，以保證加（jiā）工（gōng）零件（jiàn）的表麵質量; 插刀快退時盡可能減少空行程時間，提高插床工作效率。要實現插刀的平穩運行，了（le）解執行（háng）機構結構參數對其（qí）運動特性的影響，僅憑理論計（jì）算和經（jīng）驗（yàn）往（wǎng）往難以（yǐ）實現。ADAMS 軟（ruǎn）件（jiàn）是美國 MDI 公司開發的機械係統動力學仿真分析軟（ruǎn）件。設計人員可在該軟件的交互式圖形環境下建立或導入機械產品的（de）虛擬樣機（jī），再對虛擬樣（yàng）機進行靜力學、運動學（xué）和動力學仿真分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS 軟件的仿真可（kě）用於預測（cè）機械產品的性能、運動特性（xìng）等，目前（qián）已廣泛（fàn）應用於工（gōng）業領域的機械產品研發（fā）中。本文對插床中導（dǎo）杆機構的設計進行了研究，分析其工作原理，設計計（jì）算（suàn）導杆機構的（de）幾何參數，對導杆機構進行（háng）了運動學分析。利用 ADAMS 軟件對導杆機構的關鍵點坐標進行以加（jiā）速度為優化目標的（de）參數化設計研究和優化設計，實現（xiàn）了導（dǎo）杆機構結構尺寸的最優（yōu）化設計。

在此基礎上返回 Pro /E環境中修改相關零件的（de）結構尺寸，使之與優化後的參數對應起來，再導入 ADAMS 軟件中進行仿真，驗（yàn）證了優化設計改善機構性能的可行性。虛擬樣機技術在插床設計中所顯示出的（de）優越性，為進一步（bù）提高插床的工作質量提供了新的設計思路和方法（fǎ）.

1 、導杆機構原理（lǐ）及運動分析

1． 1 導杆機構工（gōng）作原理

導杆機構是插床實現插削運動的一個關鍵（jiàn）機構（gòu）。導杆（gǎn）機構由機架 1，齒輪 2 和 3，滑（huá）塊 4 和 7，導杆 5，連杆 6 組成（chéng），機構（gòu）運動簡圖如圖 1 所示。圖中齒輪 3 為原動件（jiàn），當齒輪 3 旋轉時，通過滑塊 4帶動導杆 5 圍（wéi）繞 C 點作往複（fù）擺動，導（dǎo）杆 5 通過連杆6 帶動滑塊 7 上下來回移動，從而完成切削過程（chéng）。

圖 1 插床導杆運（yùn）動機構（gòu）簡圖

表 1 各關鍵（jiàn）點的坐標（biāo）

表 1 中機構的（de）各關鍵點（diǎn）坐標已知，且 Z 軸坐標均為 0，故該機構為平麵運動機構，由此各構件的相互（hù）位置及尺寸基本確定，為後續在 Pro /E 環境中（zhōng）進（jìn）行導杆機構的虛擬樣機設計打（dǎ）下了（le）基礎（chǔ）。工程實踐證明，在傳統設計過程中理論設（shè）計計算的（de）結果與實際值或多或少都會存在一些誤差，雖然這些誤差可以通過物理樣機的調試試（shì）驗進行消除，但也使得產品的研發（fā）周期變長，成本增加。

2 、導杆機構優化設計（jì）

基於 ADAMS 軟件（jiàn）的導杆機構（gòu）設計，首先建立機構的簡（jiǎn）化三維模（mó）型，然後通過仿真驗（yàn）證研（yán）發前所（suǒ）提出的各種設（shè）計要求，最後對該機構進行優化設計，得到最優的設計方案和優化結果。相比常規的解析法設計，機（jī）構設計的尺寸精度得到了提高，同時解決了經驗設計（jì）中（zhōng）複雜機（jī）械無法兼顧各種設計要求的弊（bì）病。依（yī）據（jù）表 1 中的數據，在 ADAMS 軟（ruǎn）件（jiàn）中建立插床導杆（gǎn）機構的簡（jiǎn）化模型，如圖 2 所示。

圖 2 插（chā）床導杆（gǎn）機構簡（jiǎn）化（huà）模型

插床執（zhí）行機構中（zhōng）滑枕的工作特點決定了切削運動為循環往（wǎng）複運（yùn）動，安裝在滑枕上的插刀速度波動（dòng）越小，切削加工件的表麵質量越（yuè）好。而加速度是檢驗速度大（dà）小變化的最好依據，所以在插床運動機構的設計中，通過減小加速度的變化（huà）幅值進而（ér）控製速（sù）度變化是可行的。以加速（sù）度為優化目標的（de）插床導杆機構（gòu）參數化設計，首先對機（jī）構中決定構件尺寸的（de）關鍵位置點進行參數化，即將關鍵點的 X，Y 方向坐（zuò）標（biāo）全部設置為變量，然後對這（zhè）些變（biàn）量進行參數化的設計（jì）研究，最後依據設計研究的結果找出對機構性能影響最大的關鍵點變量，並再次進行分析。本文對導杆機構中的 O，C，B，D，E 等關鍵點設置了 10 個變（biàn）量，分別對（duì）應此 5 點的 X，Y 坐標值，進行以加速度為優化目標的導杆機構參數化設（shè）計研究，其（qí）結（jié）果見（jiàn）表（biǎo） 2。

表 2 設計變量（liàng）分析結果

表中設計變量 DV_1、DV_4、DV_5 和 DV_6 的初始（shǐ）敏感（gǎn）度的絕對值遠大於其餘變量，說明它們對機構加速度的（de）影響較（jiào）大。其中設計變量 DV_4 的（de）敏（mǐn）感度絕對值最大，說明機構中 A 點的 Y 坐標值大小對加速度的影響（xiǎng）最大; 設計（jì）變量 DV_4、DV_5 的敏感度為負，即這些設計（jì）變量的位（wèi）置值越小，執行構件（jiàn）的加速（sù）度越小; 設計變量 DV_1、DV_6 的（de）敏感度為正（zhèng），即這些設計（jì）變（biàn）量的位置值越大，執行構件水平方向（xiàng）的加速度越小。根據（jù）以上（shàng）結果，可（kě）以對這 4 個設計變量進（jìn）一步（bù）優化，獲得以加速度為優化目標的最佳設計結（jié）果。優化設（shè）計的（de）過程與（yǔ）設計研（yán）究基本一致，這裏不再（zài）敘述。對 DV_1、DV_4、DV_5 和 DV_6 進行（háng）優化設計，得到插床導杆機構以滑塊 E 的加速度（dù）為優化目標的最佳設計尺寸，優化設計（jì）結（jié）果見表 3。

表 3 優化設計結果（guǒ）

至此，本次插床導杆機（jī）構等效簡化模型的優化設計全部完成。機構關鍵位置的最（zuì）新坐標為: 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 、優化結果仿真與驗證

3． 1 優化結果仿真

根據導杆機構（gòu）在插床中所處的位置及作用，設（shè）定安（ān）裝（zhuāng）插刀的（de）滑枕為仿真對象，正常工作時每分鍾往複運動 80 次。機構仿真時的驅動速度由（yóu）插床主電動機提供的（de）轉速計算（suàn）得出，機構中（zhōng）斜齒（chǐ）輪（lún）的轉速為 35． 46rad /s。參數設定完（wán）成後即開始進行運（yùn）動學仿真。軟件運算（suàn）完成後，使用 ADAMS /Postprocessor模塊中的仿真結果曲線繪製功能，分別繪製出機構中（zhōng）滑枕的（de）位移 y、速度 v 和加速度 a 與時間 t 的（de）運（yùn）動特性關係曲線。將優化前後的運動特性曲線合並，如圖 3 ～圖 5 所示（shì）。圖中（zhōng）實（shí）線為優化前的曲（qǔ）線，虛線為優化後的曲線。

圖 3 優化前後滑枕 E 的位移曲線對比

圖 4 優化前（qián）後滑枕 E 的速度曲線對比

圖 5 優化前後（hòu）滑枕 E 的加速度曲線對比

從（cóng）圖中可以看出，優化後滑枕的（de）行程 H =353． 290 7mm，滑枕的行程有了一定的增加; 最（zuì）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。在插刀進給階（jiē）段滑枕的速度和加速度的突變值減小（xiǎo），工（gōng）作更加平穩; 急回階段的速度（dù）和加速度的突變值（zhí）增大，因此急回階段所花費（fèi）的時間也（yě）相應地減少。

3． 2 優化結果驗證（zhèng）

按照優化後的（de）尺寸，在三維 CAD 軟件中重新建模，然後導入 ADAMS 軟件中，建立插床導杆機構的虛擬樣機模型，再次進行仿真，結果如圖6 所示。與簡化模型的運動特性曲線( 圖 3 ～圖 5)相比，兩者的（de）位移、速度和（hé）加速（sù）度（dù）曲（qǔ）線形狀基本一致，從而驗證了優（yōu）化設計的效果。

圖 6 虛擬樣機（jī）模型（xíng）與仿真運動曲線

4 、結束語

本文從工程實際出發，通過分析插床導杆（gǎn）機構的工作原（yuán）理，在 ADAMS 軟件中（zhōng）對（duì）該機（jī）構進行了優化設計，得到了機構的最佳參（cān）數，使得插床滑枕在急（jí）回階段的加速度（dù）變化幅值有所增加，提高了滑枕切削完成後的返回速度，從而（ér）提高了切削加工效率。運用虛擬樣機技（jì）術，在 CAD 軟件中建立虛擬（nǐ）模型，導入 ADAMS 中對優化設計結果進行仿真驗證，依據得到的最佳性（xìng）能參數返回 CAD 軟件中修改原模（mó）型的尺寸（cùn），間接實現了外部導入（rù）模型的優（yōu）化設計，為相關機械產品的優化設計提供了一條思路。

來源：(1．江陰職業技術學院機電工程係，江（jiāng）蘇（sū）江陰 214405)( 2．江蘇省江陰中等（děng）專業學校機（jī）電工程係（xì），江蘇江陰 214400)

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