基于ADAMS的鉆床六桿進給機構設計與仿真分析

于 鵬，王培俊，李保慶，夏 歡

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

在臺式鉆床中，鉆床主軸的進給運動一般是用手操縱的，往往要耗費許多時間。要提高生產率，就要對鉆床采用自動送進機構，以減少操縱所用的時間。本文以平面六桿機構為研究對象，設計了一種鉆床自動進給機構。

1 鉆床工作原理

在鉆孔時，一般要求鉆頭先以較高的速度接近零件，然后勻速進給，最后快速返回，具有急回特性。鉆頭工作示意圖如圖1所示。

圖1 鉆頭工作示意圖

設進給機構的輸入運動為構件1的勻速回轉，其轉速為n1，輸出運動為刀具（鉆頭）的直線往復運動，行程為H＝H1＋H2。機構要實現將單向勻速連續轉動轉變為刀具的直線往復運動，并且要具有一定的行程速比。具體要求如下：

（1）由A到B，刀具的行程為H1，為刀具趨近工件的行程，要求刀具具有較高的速度。

（2）由B到C，刀具的行程為H2，為鉆削時的送進行程，要求刀具能夠以近似勻速v送進，以保證鉆孔動作的完成和鉆孔質量。

（3）由C返回到A，刀具的行程H＝H1＋H2，為刀具的抬起（退回）行程，要求刀具具有較高的速度。

2 自動鉆床進給機構設計

自動進給機構要能夠滿足鉆床的設計要求。平面連桿機構由于機構簡單、加工簡便、制造成本低、工作平穩、行程可調、急回速度快，所以在設計中被廣泛采用［1］。本文選用平面六桿機構作為鉆床的自動進給機構。

圖2為六桿進給機構簡圖。首先設計行程速比系數為K＝1.5的四桿結構，取lAD＝200mm，lCD＝150 mm，搖桿的一個極限位置與機架之間的夾角Φ＝45°（Φ1的極限位置）。當行程速比系數K＝1.5時，機構的極位夾角（CD轉過的角度）為：

通過作圖法求得lAB＝46mm，lBC＝98mm。

搖桿滑塊機構DEF與曲柄搖桿機構ABCD為串聯，可單獨設計DEF。取∠CDE＝78°，lDE＝75mm，lEF＝250mm，點F到AD的垂直距離為5mm。

圖2 六桿進給機構簡圖

3 機構運動學分析

在A點建立坐標系，即A（0，0），D（200，0），F（xF，5）。

（1）由運動約束條件可知點B到點A的距離不變，點A、B的連線與坐標軸x之間的夾角為Φ1，則點B的位置方程為：

由此可以求出B點的坐標（xB，yB）。

（2）由于lBC和lCD長度固定，則有：

將由式（1）求出的B點坐標代入式（2），然后與公式（3）聯立可以解出C點的坐標（xC，yC）。

（3）由于lCE和lDE不變，則有：

D點坐標已知為（200，0），將由式（2）求出的C點的坐標代入式（4），然后與公式（5）聯立可以解出E點的坐標（xE，yE）。

（4）在搖桿滑塊機構DEF中有：

已知E點坐標和yF＝5mm，代入式（6）即可求得F點的坐標。

對式（6）求時間的一階導，可得輸出桿（F點）的速度方程［2］：

其中：vFx、vFy、vEx、vEy分別為F點、E點在x方向和y方向的速度。

對式（6）求時間的二階導，或者對式（7）求時間的一階導，可求得F點的加速度方程：

其中：aFx、aFy、aEx和aEy分別為F點、E點在x方向和y方向的加速度。

4 虛擬樣機模型的建立

采用Inventor進行三維建模，裝配完成后得到六桿機構的三維模型。Inventor 2012支持將模型直接轉為.X＿T格式，.X＿T格式可以準確地在ADAMS中打開，沒有模型元素丟失。

將Inventor模型導入ADAMS/View后，手動添加每個零件的材質、質量屬性等，根據需要改變構件的顏色［3］。本文根據各部件之間的相對運動關系，在相互接觸的各機構之間添加了適當的約束。添加約束后進行模型驗證，獲得了虛擬樣機模型，如圖3所示。

圖3 六桿機構虛擬樣機模型

5 機構運動分析

在ADAMS中對虛擬樣機進行仿真。在曲柄處添加驅動，選擇運動仿真類型為Kinematic，設置仿真時間為20s，步長設置為400。以構件5輸出桿為研究對象，得到了它的位移、速度、加速度變化規律，如圖4所示［4］。

圖4 輸出桿位移、速度、加速度變化曲線

從圖4可以看出，由0s到8s時，運動速度最快，可以當作由C返回到A的抬起（退回）行程；8s到13 s期間，速度較為平滑，可近似視為勻速，滿足由B到C的工作行程；13s到20s期間，速度較快，可以作為刀具趨近工件的行程。整個過程中，輸出件運動平滑，未出現加速度突變。

6 結論

設計了六連桿機構作為鉆床自動進給機構，求解出了輸出桿件的位置、速度、加速度變化規律。同時利用ADAMS仿真，得到了輸出構件的位移、速度、加速度變化曲線。仿真結果表明機構滿足設計要求，利用ADAMS仿真的方法簡便、直觀、快捷。

［1］徐鳳英，李德威，陳震.用于精密沖裁工藝的平面六連桿沖壓機機構優化設計［J］.華南農業大學學報，2000（3）：91－92.

［2］諾頓.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［3］李紅云，李浙昆.基于ADAMS的沖壓機建模與分析［J］.新技術新工藝，2013（7）：76－78.

［4］康利君，李瑞琴.基于ADAMS的瓦特六連桿機構運動學研究及仿真［J］.機械工程與自動化，2013（1）：15－16，19.