基于SolidWorks的牛頭刨床運動系統設計及仿真

摘 要：在牛頭刨床的主運動系統設計中，需要對它的主要零部件進行運動學仿真與分析。本文主要介紹了基于SolidWorks和COSMOSMOTION環境的仿真模型的構造方法。它的運用，提高了設計方案的驗證和預見性，并為機構的構件機構設計做了必要的準備。

關鍵詞：CAD 牛頭刨床 運動學 仿真

中圖分類號：THl28；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0076-01

隨著科技的發展。計算計輔助設計技術越來越廣泛地應用在各個設計領域。現在它已經突破了二維圖紙電子化得框架，轉向以三維實體建模、動力學模擬仿真和有限元分析為主線的虛擬樣機制造技術。使用虛擬樣機技術可以在設計階段預測產品的性能，優化產品的設計，縮短產品的研制周期，節約開發費用。

本文主要介紹根據已知條件。在Solid Works環境下建立牛頭刨床的簡單模型，并進行運動和動力學的仿真。

1 牛頭刨床機械系統方案設計

牛頭刨床是常見的一種平面機械加工設備，對其系統的要求一般為：（1）為了提高工作效率，在空回行程時，刨刀快速退回，即要有急回作用。（2）為了提高刨刀的使用壽命和工件的表面加工質量，在工作行程時，刨刀速度要平穩，切削階段刨刀應近似勻速運動。假定已知行程速比系數K為1.4左右，曲柄轉速n=60 r/min，刨刀行程H在300 mm左右，工作行程的阻力F約為7000 N。因曲柄AB為主動構件，構件2與3之間的傳動角始終未90°，在搖桿滑塊機構中，當E點的軌跡位于D點所作圓弧高度的平均線上時，構件4與5之間有較大的傳動角。根據已知條件和構件幾何約束初確定各構件長度分別為：Lab=110 mm，Lac=410 mm，Lcd=540 mm，Lde=130 mm。這種機械系統傳動方案具有加工簡單和占用面積比較小的特點。其傳動性能，在工作行程中，刨刀的速度變化，行程速比系數的大小及所需驅動力矩的大小將在下面的仿真中進行驗證。

2 系統幾何建模

根據上訴尺寸，在SolidWorks環境下進行零件建模，并進行裝配。建模時應注意嚴格保證運動副位置及運動副間尺寸。

將各構件按運動要求進行虛擬裝配后進行到COSMOSMOTION運動仿真插件環境中，定義導軌和機架為靜止構件，刨刀、滑塊、導軌、曲柄為運動構件。在運動分析前必須用各種運動副連接各構件，建立運動關聯。添加刨刀與導軌為移動副，使刨刀在導軌上左右移動；添加刨刀與連桿為轉動副，使兩構件在連接軸心上相對轉動；添加連桿與導軌為轉動副，添加滑塊與導桿為移動福，添加曲柄與滑塊為轉動副，添加曲柄與機架為轉動副，添加導桿與機架為轉動副。

3 添加運動激勵

根據已知條件，曲柄回轉速度n=60 r/min，可知曲柄每秒回轉一周。為曲柄添加運動激勵，第一構件為曲柄，第二構件為機架，位置選擇構件的配合圓孔面，方向選擇圓孔面的邊線，使之繞機架連接點的Z軸（兩構件配合圓孔的重合軸線）旋轉，運動類型為速度，初始位移（曲柄與導桿垂直）為零，函數為恒定值，角速度為-360 deg/sec（n=60 r/min），速度的負號使曲柄的運動方向與圖示方向相反，為逆時針旋轉。

4 添加工作阻力

預防真結束后，繪制刨刀質量X軸位移線圖。從0～0.42 s內為運動回程段，時間為0.42 s；0.42～1 s內為其工作行程段，時間為0.58 s，最大行程為H=299 mm。在工作行程的前0.05 H和后0.05 H里無工作阻力，0.05 H=0.05×299 mm=14.95 mm，將鼠標位置與刨刀質心線圖刨刀工作段和終點段時顯示的時間分別為0.49 sec、0.92 sec。這樣工作阻力隨時間的變化為：在0≤t<0.49時間段內，工作阻力F=0；在0.49≤t<0.92時間段內，工作阻力F=7000 N；在0.92≤t≤1時間段內，工作阻力F=0.使用IF函數，鍵入工作阻力函數表達式為：IF（time―0.49：0，7000，IF（time―0.92：7000，0，IF（time―1：0，0，0），為刨刀添加工作阻力，運動仿真。

5 仿真分析

（1）將時間控制曲線置于峰值點，計算行程速比系數，K=工作行程時間0.58 sec/工作回程時間0.42 sec=1.38 sec，近似于K=1.4。說明機構具有機會特性，符合設計要求。

（2）在0.49～0.92時間段內，工作阻力為7000 N，其他時間段內為零，說明工作阻力定義確定。

（3）從刨刀質心速度曲線上可看出，曲線連接；在有效加工段內速度在350 mm/sec～717 mm/sec內連接變化，變化量不大，近似于勻速運動。從刨刀質心加速度曲線可看出，在有效加工段內加速度在3632 mm/sec2～3340 mm/sec2內連續變化，差值僅為292 mm/sec2，加速度變化連續平穩，再次說明速度變化平穩，不存在任何沖擊，符合設計要求。

（4）仿真可知，機構運行到0.72s時存在力矩峰值，這是由于設計中沒有增加構件和材料屬性造成的，系統內存在極小的慣性質量。因此可根據仿真進一步進行機構各組成零件、構件結構設計、賦予材質，進行動力學仿真，驗證慣性質量作用，提高系統的整體動力性能。

6 結論

通過對牛頭刨床的仿真設計可以知道，在SolidWorks環境下，建立機械系統傳動方案模型，虛擬裝配并可驗證干涉；運動學仿真驗證機構系統的運動特性；運動學仿真驗證動力學性能。對可能存在的各運動關節的運動局限性、運動干涉、超出運動范圍、動力性能不足等情況進行驗證和再設計，調整不足，改善機構性能。這種利用計算機虛擬樣機技術隊工作任務的設計方法，可以節約大量的財力、物力，提高工作效率和質量，縮短開發周期性，對實際工作有一定的指導作用。