基于SolidWorks Motion的平面四桿機構(gòu)運動分析

孫　健，張　豪，楊　青

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　揚州　225101)

0　引言

平面四桿機構(gòu)在機械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，工程技術(shù)人員根據(jù)運動要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計過程中需要對四桿機構(gòu)進行運動分析。傳統(tǒng)的方法有圖解法、實驗法和解析法[1]，這三種方法都不夠直觀，計算的工作量大，不能為工程技術(shù)人員提供很好的理論模型。計算機輔助設(shè)計類軟件很好地解決了這個問題，比如SolidWorks軟件2012版本采用了新的Motion模塊，它是一個快速高效的虛擬仿真工具，可以對復(fù)雜機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，得到各構(gòu)件的運動規(guī)律,包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等[2]。通過Motion運動仿真分析，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并可使設(shè)計分析者快速地了解產(chǎn)品的可行性[3]。

平面四桿機構(gòu)根據(jù)連架桿長度的不同可以有多種型式，曲柄滑塊機構(gòu)由平面四桿機構(gòu)演化而來，也是常見的四桿機構(gòu)。本文以典型的曲柄滑塊機構(gòu)在牛頭刨床運動機構(gòu)中的應(yīng)用為例，用SolidWorks軟件對其進行建模、裝配和運動分析。

1　牛頭刨床運動機構(gòu)的工作原理

圖1為牛頭刨床的工作簡圖。圖1中，AB桿為曲柄，B為滑塊，主動件曲柄AB逆時針旋轉(zhuǎn)，在滑塊B的帶動下桿CD繞C點進行往復(fù)擺動，CD桿擺動驅(qū)動從動件EF作往復(fù)直線移動。當(dāng)EF桿向左運動時，是刨床頭的工作行程；當(dāng)EF桿向右運動時，是刨床頭的空行程。當(dāng)工作行程時需要切削，運動速度較慢；當(dāng)空行程時需要節(jié)約時間，所以速度較快。

2　建模與裝配

2.1　對牛頭刨床運動機構(gòu)拆解建模

采用SolidWorks軟件進行建模。牛頭刨床的運動機構(gòu)由機架(見圖2)、AB桿、CD桿、ED桿、EF桿和滑塊B共6個部分組成。機架主要是AC兩點間的固定關(guān)系，以及AC與EF桿之間的固定關(guān)系，AC間設(shè)計成普通的桿狀，EF桿采用方管來約束自由度。EF桿設(shè)計成刨刀桿(見圖3)，為了形象地表示出刨刀，在EF的左側(cè)設(shè)計出刨刀的形狀。AB、CD、ED設(shè)計成普通桿狀(見圖4)，其長度不同。滑塊如圖5所示。各構(gòu)件上都開設(shè)圓孔，方便裝配。

圖1　牛頭刨床的工作簡圖

圖2機架圖3刨刀桿

2.2　對零件開始裝配

裝配主要采用同軸和重合來定義各桿件間的相互關(guān)系。首先在SolidWorks軟件中選擇新建裝配體，裝配的關(guān)系為：機架為固定不動的，首先放置機架，然后依次裝配進AB桿、CD桿，兩桿之間裝配進滑塊，最后裝配ED桿以及刨刀桿EF。裝配結(jié)果如圖6所示。

3　運動分析

3.1　添加運動馬達

在SolidWorks的牛頭刨床裝配圖中，點擊左下角的“運動算例1”浮動按鈕，并展開“Motion Manager”選項卡片。單擊“Motion Manager”工具欄中的“馬達”按鈕，在彈出的“馬達”屬性管理器中設(shè)置AB桿與機架連接的圓孔，定為馬達的位置，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)的方向為逆時針，同時設(shè)定馬達的速度為50 r/min(300°/s)，完成馬達的添加工作。

圖4AB、CD、ED桿圖5滑塊

圖6　SolidWorks裝配圖

3.2　運動結(jié)果分析

運動分析主要是分析刨刀頭的位移、速度和加速度，有X、Y和Z三個方向，但刨刀頭只能在X方向進行運動。

3.2.1刨刀頭的位移分析

在Motion分析中，對刨刀頭線性位移進行分析，得出刨刀頭位移曲線。刨床需要有良好的急回特性，在切削加工過程中切削速度慢，在空行程中急回速度快。刨刀頭的運動周期公式為：T=360/300=1.2 s。圖7為刨刀頭位移曲線。對位移曲線進行分析，一個行程周期為1.64-0.44=1.2 s，得出X方向的最大位移和最小位移數(shù)值。

對一個完整的周期進行分析，工作行程為0.44 s～1.16 s，t1=0.72 s；空行程為1.16 s～1.64 s，t2=0.48 s，則牛頭刨床的行程速度比K=t1/t2=0.72/0.48=1.5。K=1.5>1，說明設(shè)計的牛頭刨床具有良好的急回特性。

3.2.2刨刀頭的速度分析

對刨刀頭的運動速度曲線(見圖8)進行分析，在一個完整的周期中，在0.44 s～1.16 s區(qū)間速度較慢，在1.16 s～1.64 s區(qū)間速度較快，符合刨床的運動特性。

3.2.3刨刀頭的加速度分析

高速機械及重型機械中，慣性力對零件強度及機械的工作性能也有很大的影響 ，因而必須對機構(gòu)中某些構(gòu)件的加速度進行分析[4]。刨刀頭加速度曲線如圖9所示，空行程為1.16s～1.64s區(qū)間，加速度變化大，體現(xiàn)出急回特性；工作行程為0.44s～1.16s區(qū)間，加速度變化平穩(wěn)，有利于刨削運動。

圖7　刨刀頭位移曲線

圖8　刨刀頭速度曲線

圖9　刨刀頭加速度曲線

4　結(jié)語

本文運用SolidWorks軟件進行了四桿機構(gòu)的運動分析，并驗證出初始設(shè)計參數(shù)符合要求，為工程技術(shù)人員提供了模擬仿真理論依據(jù)，縮短了設(shè)計制造周期，提升了工程技術(shù)人員的工作效率。

參考文獻：

[1]陳立德．機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2000.

[2]李大磊,丁天濤，程建民，等.基于SolidWorks Motion的空間擺動機構(gòu)的運動分析[J].制造業(yè)自動化，2011(11):70-71.

[3]韓銳．基于SolidWorks的機構(gòu)運動仿真研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2004：8-12.

[4]俞炳璋.速度瞬心在平面連桿機構(gòu)加速度分析中的應(yīng)用[J].新疆八一農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1980(1):32-46.