闡述了牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在Pro /E 環(huán)境中建模和ADAMS 環(huán)境中運(yùn)動(dòng)仿真過程。通過對(duì)機(jī)構(gòu)中滑枕的速度和加速度曲線分析，說明了滑枕在工作階段運(yùn)行平穩(wěn)，返回階段速度較快。分析了導(dǎo)桿的擺角曲線，計(jì)算了機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)，說明了機(jī)構(gòu)存在急回特性。另外分析了驅(qū)動(dòng)的平衡力矩和功率曲線，結(jié)果表明，由于返回階段速度較快，所需的驅(qū)動(dòng)力矩及功率的損耗相應(yīng)增加，運(yùn)動(dòng)參數(shù)符合刨床的工作特點(diǎn)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

　　近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展，通過建立虛擬樣機(jī)，能夠模擬產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的各種運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中物理樣機(jī)的反復(fù)制造、修改過程，大大縮短了開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，提高了面向客戶與市場(chǎng)需求的能力。

　　利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，所涉及的領(lǐng)域比較廣，可以支持以保證和提高產(chǎn)品性能為主旨的各種工程分析，支持不同領(lǐng)域的人員同時(shí)對(duì)同一個(gè)虛擬樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試、分析，從而將許多潛在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)隱患和缺陷消滅在設(shè)計(jì)初期階段，因而可以大幅度提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　本文采用Pro/E 對(duì)某牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維CAD建模，并導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS中，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

1、基于Pro/E 的CAD 建模

　　ADAMS 本身具有一定的三維CAD 建模能力，但對(duì)于牛頭刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)這樣具有復(fù)雜外形與構(gòu)造的機(jī)械來說，則建模能力有限且過程比較復(fù)雜，因此需要由Pro /E 的專業(yè)CAD 軟件協(xié)助建模。對(duì)于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的CAD 建模，主要是利用Pro /E 中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等操作建立零部件三維實(shí)體模型，力求形狀圓滑美觀逼真。同時(shí)考慮到仿真研究的需要，對(duì)不是特別重要的圖形，則盡量簡(jiǎn)化，如取消過渡圓角等非關(guān)鍵性信息，完成了滑枕、滑塊、導(dǎo)桿及齒輪等各零件的建模。

　　機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過程由斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿作往復(fù)擺動(dòng)，導(dǎo)桿帶動(dòng)滑枕作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。裝配完成的虛擬樣機(jī)應(yīng)該有一個(gè)自由度，所以在裝配時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式選擇“連接”約束方式，如銷釘、圓柱、球、滑動(dòng)桿等。本次裝配采用了2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、1 個(gè)移動(dòng)副和1 個(gè)圓柱副，具體裝配方法為: 滑枕和搖桿、方滑塊和斜齒輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以選擇銷釘( pin) 連接約束方式; 方滑塊和搖桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副，可以選擇滑動(dòng)桿( slider)連接約束方式; 圓滑塊和搖桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)副為圓柱副，可以選擇圓柱( cylinder) 連接約束方式; 其他輔助零件采用剛性連接中的“匹配”和“對(duì)齊”約束。這樣就成功裝配完成了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的CAD模型，如圖1 所示。

　　利用Pro /E 干涉分析功能進(jìn)行干涉檢查，避免了該模型導(dǎo)入ADAMS后因機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題而必須返回Pro /E 環(huán)境重新修改的重復(fù)工作。

2、建立虛擬樣機(jī)

　　由于Pro /E 與ADAMS 是分屬2 家不同公司開發(fā)的軟件平臺(tái)，從功能以及程序內(nèi)核等多方面來看，各自的數(shù)據(jù)都很難為對(duì)方識(shí)別。要將Pro /E格式的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS 環(huán)境中，必須利用Pro /E 和ADAMS 的接口軟件Mechanism/Pro2005，采用無縫連接的方式，用戶不必退出Pro /E 應(yīng)用環(huán)境，即可將導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)裝配體中的零件定義為剛體，添加一些簡(jiǎn)單的約束后，將模型導(dǎo)入到ADAMS 環(huán)境中。重新定義各零件的材料屬性等，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量信息，此外還要進(jìn)行如下模型完善工作:

圖1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的CAD 模型

　　a. 為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確，取消原先設(shè)定的約束。

　　b. 依據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在構(gòu)件之間重新添加約束，原動(dòng)件添加驅(qū)動(dòng)。

　　c. 使用模型驗(yàn)證工具檢查錯(cuò)誤，包括不恰當(dāng)?shù)倪B接和約束、沒有約束的構(gòu)件、樣機(jī)的自由度等內(nèi)容。

　　通過上述操作對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的完善，建立了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型( 如圖2 所示) 。

圖2 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

4、結(jié)束語

　　本文通過對(duì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中滑枕的運(yùn)動(dòng)曲線分析，說明了在工作階段滑枕的速度值變化平緩，加速度較小，所需的驅(qū)動(dòng)力矩和功率損耗基本恒定。而返回階段則相反，速度變化劇烈且所需驅(qū)動(dòng)力矩和功率損耗大幅增加。根據(jù)所測(cè)量導(dǎo)桿擺角的最大值，可計(jì)算出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)大于1，證明機(jī)構(gòu)存在急回特性，機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果與牛頭刨床的切削特點(diǎn)相符合，本次設(shè)計(jì)具有較好的可靠性利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真并分析相關(guān)參數(shù)，無需制造物理樣機(jī)即可驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的正確性，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期。另外，還可根據(jù)不同的工作要求進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，推進(jìn)同類產(chǎn)品的模塊化和系列化。