基于ADAMS的鉆床六桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

于 鵬，王培俊，李保慶，夏 歡

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

在臺式鉆床中，鉆床主軸的進(jìn)給運(yùn)動一般是用手操縱的，往往要耗費(fèi)許多時間。要提高生產(chǎn)率，就要對鉆床采用自動送進(jìn)機(jī)構(gòu)，以減少操縱所用的時間。本文以平面六桿機(jī)構(gòu)為研究對象，設(shè)計(jì)了一種鉆床自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

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(jìn)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(shè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的輸入運(yùn)動為構(gòu)件1的勻速回轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n1，輸出運(yùn)動為刀具（鉆頭）的直線往復(fù)運(yùn)動，行程為H＝H1＋H2。機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)將單向勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榈毒叩闹本€往復(fù)運(yùn)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(jìn)行程，要求刀具能夠以近似勻速v送進(jìn)，以保證鉆孔動作的完成和鉆孔質(zhì)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(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)要能夠滿足鉆床的設(shè)計(jì)要求。平面連桿機(jī)構(gòu)由于機(jī)構(gòu)簡單、加工簡便、制造成本低、工作平穩(wěn)、行程可調(diào)、急回速度快，所以在設(shè)計(jì)中被廣泛采用［1］。本文選用平面六桿機(jī)構(gòu)作為鉆床的自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

圖2為六桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)簡圖。首先設(shè)計(jì)行程速比系數(shù)為K＝1.5的四桿結(jié)構(gòu)，取lAD＝200mm，lCD＝150 mm，搖桿的一個極限位置與機(jī)架之間的夾角Φ＝45°（Φ1的極限位置）。當(dāng)行程速比系數(shù)K＝1.5時，機(jī)構(gòu)的極位夾角（CD轉(zhuǎn)過的角度）為：

通過作圖法求得lAB＝46mm，lBC＝98mm。

搖桿滑塊機(jī)構(gòu)DEF與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD為串聯(lián)，可單獨(dú)設(shè)計(jì)DEF。取∠CDE＝78°，lDE＝75mm，lEF＝250mm，點(diǎn)F到AD的垂直距離為5mm。

圖2 六桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)簡圖

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

在A點(diǎn)建立坐標(biāo)系，即A（0，0），D（200，0），F(xiàn)（xF，5）。

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

由此可以求出B點(diǎn)的坐標(biāo)（xB，yB）。

（2）由于lBC和lCD長度固定，則有：

將由式（1）求出的B點(diǎn)坐標(biāo)代入式（2），然后與公式（3）聯(lián)立可以解出C點(diǎn)的坐標(biāo)（xC，yC）。

（3）由于lCE和lDE不變，則有：

D點(diǎn)坐標(biāo)已知為（200，0），將由式（2）求出的C點(diǎn)的坐標(biāo)代入式（4），然后與公式（5）聯(lián)立可以解出E點(diǎn)的坐標(biāo)（xE，yE）。

（4）在搖桿滑塊機(jī)構(gòu)DEF中有：

已知E點(diǎn)坐標(biāo)和yF＝5mm，代入式（6）即可求得F點(diǎn)的坐標(biāo)。

對式（6）求時間的一階導(dǎo)，可得輸出桿（F點(diǎn)）的速度方程［2］：

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

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

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

4 虛擬樣機(jī)模型的建立

采用Inventor進(jìn)行三維建模，裝配完成后得到六桿機(jī)構(gòu)的三維模型。Inventor 2012支持將模型直接轉(zhuǎn)為.X＿T格式，.X＿T格式可以準(zhǔn)確地在ADAMS中打開，沒有模型元素丟失。

將Inventor模型導(dǎo)入ADAMS/View后，手動添加每個零件的材質(zhì)、質(zhì)量屬性等，根據(jù)需要改變構(gòu)件的顏色［3］。本文根據(jù)各部件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，在相互接觸的各機(jī)構(gòu)之間添加了適當(dāng)?shù)募s束。添加約束后進(jìn)行模型驗(yàn)證，獲得了虛擬樣機(jī)模型，如圖3所示。

圖3 六桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

在ADAMS中對虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真。在曲柄處添加驅(qū)動，選擇運(yùn)動仿真類型為Kinematic，設(shè)置仿真時間為20s，步長設(shè)置為400。以構(gòu)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(guī)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(yùn)動速度最快，可以當(dāng)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(yùn)動平滑，未出現(xiàn)加速度突變。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了六連桿機(jī)構(gòu)作為鉆床自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)，求解出了輸出桿件的位置、速度、加速度變化規(guī)律。同時利用ADAMS仿真，得到了輸出構(gòu)件的位移、速度、加速度變化曲線。仿真結(jié)果表明機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)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(jī)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000（3）：91－92.

［2］諾頓.機(jī)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(jī)建模與分析［J］.新技術(shù)新工藝，2013（7）：76－78.

［4］康利君，李瑞琴.基于ADAMS的瓦特六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)研究及仿真［J］.機(jī)械工程與自動化，2013（1）：15－16，19.