摘要：針對由CAD 軟件導入ADAMS 中的模型（xíng）無法使用優化工具（jù）的問題，探（tàn）討了對某型牛頭刨床搖杆機構進（jìn）行優（yōu）化的方法。利用（yòng）虛擬樣機（jī）技術，在Pro/E 軟件中按真實（shí）尺（chǐ）寸建立搖杆機構的模型，導入ADAMS環境對（duì）該機構進行運動（dòng）仿真，繪製出機構中滑枕的加速度曲線並進行分析。以此建立（lì）了搖杆機構的等效簡化（huà）模型，對滑枕的加速度進行了優化設計。根據最佳的優化參數在Pro/E 中修改原模（mó）型的結構尺（chǐ）寸，並再次導入ADAMS 中進（jìn）行運動仿真，結果與簡化（huà）模（mó）型的優化（huà）結果一致。

     關鍵詞：虛擬（nǐ）樣機；搖杆機構；仿真；等效模型

     虛擬樣機（jī）技術是指在產品（pǐn）開發（fā）過程中，利用計算機建立產品的數（shù）字模型來（lái）代替真（zhēn）實的物理樣（yàng）機，對產品的設計、工作過程等進行展示、仿真分析和測（cè）試，進而（ér）改（gǎi）進產品設計、提高產品性能的新技術（shù）[1]。利（lì）用該技術有助於縮短新產品的研發周期，降低設計成本，提高產品的設計質量。在牛頭刨床係統中，運動機（jī）構是能否實現刨削運動的主要執（zhí）行機構，直接影（yǐng）響到工作（zuò）性能的好壞，進而影（yǐng）響整機性能（如工（gōng）作效率、加工質量、設備壽命）和（hé）其他經濟指標（biāo）。若牛頭刨（páo）床運動機構的改進（jìn）采用虛（xū）擬樣機技術，則可有（yǒu）效（xiào）克服（fú）傳統開發模式中設計計算複雜和費時費力的缺陷，用（yòng）強大的功能、較（jiào）快的設計周期和較低的成本完成傳統（tǒng）物理樣機開發模式所必需的全部過程。

     本文以（yǐ）某型牛頭刨床的主運動（dòng）機構搖杆機構為研究對象，利用三維CAD 軟件Pro/E 和運動學動力學仿真（zhēn）軟件ADAMS 建（jiàn）立其虛擬樣機模（mó）型，進行運（yùn）動學仿真、優化設（shè）計和結果分（fèn）析，獲得最佳運動機構的結構參數。

     1 、牛頭刨床機構虛擬樣機實現策略

     虛擬樣機（jī）技術（shù）是一（yī）種嶄新的、用來（lái）替代真實物理樣機的數字化產品設計方法，在產品研發過程中，虛擬樣機應該能從外形、功（gōng）能和行為（wéi）上模擬真實產品。對於牛頭刨床的搖（yáo）杆（gǎn）機構，首先利（lì）用三維CAD 軟件Pro/E 建立機構的實（shí）體模型，完成（chéng）裝配約束；然後利用專用接口軟件MECH/Pro 將模型導入動力學仿真軟件ADAMS 環境，添加運動（dòng）約束和驅動，建立了該機（jī）構的虛擬樣機模型。利（lì）用ADAMS 軟件進行運動學仿真和優化設（shè）計，測試和評估牛頭刨床在切削工作（zuò）過程中的性能，為物理（lǐ）樣機的製造（zào）提供參數依據（jù）。

     在此過程中，由於通過（guò）專用接口導入的CAD模型（xíng）在ADAMS環境中不能改（gǎi）變構件的結構尺寸，無法進行參數化的優化設（shè）計，大大限製了該機構虛擬樣機的分析應用範圍。為此（cǐ），本次（cì）研究中（zhōng）嚐試（shì）建立（lì）與牛頭刨床搖杆機構的結構尺寸和運動特性幾乎完全一致的等效簡化模型，利（lì）用該模型（xíng）進行參數化的設計研究和優化設計，得到機構（gòu）的最佳位置參數，重新設計機構中各構件的結構尺寸。利（lì）用Pro/E 可以直接在（zài）帶有約束的裝配下修改零部件的幾（jǐ）何尺寸這一特點，在Pro/E 環境下對樣機模型按優（yōu）化後的最新結（jié）構尺寸進行修改，再次導入ADAMS中進行運動仿真以驗證優化結果。

      2 、牛頭刨床機構建模與仿真

      2.1 牛頭刨床搖杆機構的建模

      要代替物理樣機，虛擬樣機至少要有兩種作用，一（yī）是展示外觀，二是工作狀（zhuàng）況模擬和性能測試（shì）。在進行牛頭刨床運動機構虛擬樣機的建模過程中，綜合考慮了以上要求，機構零部件形狀力（lì）求圓滑美觀（guān）逼真，同時考慮到仿真研究的（de）需要，對（duì）不是特別（bié）重要的圖形則盡量簡化（huà），如取消過渡圓角等非關鍵性信息。
 

     根據實際情況采用“自（zì）下而上”的方式進（jìn）行裝配（pèi），機構（gòu）由滑枕（zhěn）、搖杆、方滑塊、圓滑塊和斜齒輪（lún）五（wǔ）個分機構組成，斜齒輪轉動（dòng）帶（dài）動（dòng）搖杆作往複擺動，搖杆（gǎn）帶動滑枕作往複直線運動，裝配（pèi）完成（chéng）後的虛擬樣機要有1 個自由度。在連接方（fāng）式的選用上結合實際采用了2 個轉動副（銷釘（dìng）pin），即滑枕和搖杆的連接（jiē）、方滑（huá）塊和斜齒（chǐ）輪的連接；1 個移動（dòng）副（滑動杆（gǎn）slider），即方滑塊和搖杆的連接（jiē）；1 個圓柱副（圓柱cylinder），即圓滑塊和搖杆的連接，其它輔助零件采用剛性連接中的“匹配”和“對齊（qí）”約束，成功完成了樣機的裝配，如圖1 所示。

     牛頭刨床的搖杆機構屬於多（duō）構件組（zǔ）成的空間複雜機構，其結構決定了若鉸點或構件尺寸設計不合理，其工作過程中將會出現幹涉問題。幹（gàn）涉檢查的目的是分析牛（niú）頭刨床搖杆機構可能出現的運動幹涉及“死點”位（wèi）置，這是保證搖杆機構能正常工作（zuò）的必要條件。利（lì）用已（yǐ）經裝配完畢（bì）的（de）樣機模型以及Pro/E 幹涉分析（xī）功能，自動得（dé）檢測機構中各構件在運動過程中的幹涉（shè）問（wèn）題，效率高，準確度好（hǎo），可以解決傳統（tǒng）設計中的難題[5]，使構件幹涉問題在改進設計過（guò）程中得到有效的解決。

     圖 1 牛頭刨床機構模型

      2.2 牛頭刨床搖杆機構仿真

      利用 MDI 公司為ADAMS 開發的與Pro/E軟件的專用接口Mechanism/Pro，將Pro/E 軟件中產生的機構裝（zhuāng）配模型轉換到ADAMS 環境下添加約束與（yǔ）驅動，建立了牛頭刨床搖杆的虛擬樣機，如圖2 所（suǒ）示。設定仿（fǎng）真的初始條件是搖杆機構中的滑枕（與（yǔ）搖杆鉸接）處於中間位置，對搖杆機構中的滑枕工作行程進行仿真（zhēn）研究。

      
  
      圖 2 牛（niú）頭刨床機構虛擬樣機

     通（tōng）過使用ADAMS/Postprocessor 模塊提供的仿真結果回放和（hé）分析曲線繪製（zhì）功能（néng），得（dé）到所需的分析結果[6]。針對牛頭刨床刨削質量的好壞（huài）取決於刨刀的加速（sù）度極值這一（yī）特點，以搖杆機（jī）構中滑枕的加速度作為（wéi）優（yōu）化的對象，繪製出優化前滑枕（即刨刀）的（de）加速度隨時間變（biàn）化的spline 曲線，如圖3 所示。

      圖 3 滑枕優化前的加速度曲線

     雖然該機構具有（yǒu）較好的工（gōng）作特性，但傳統設計方法完全（quán）是憑經驗通過增大搖杆的擺角來獲得較大的急回特性，以及合適的滑枕位置來滿足最大壓力角的要（yào）求，但（dàn）是對（duì）於刨削（xuē）過程中滑枕運動的平穩性很難憑經（jīng）驗確定。所以，考慮到機構中各構件的位置分布及尺寸，對機構平穩性的影響無法直接進行評估這（zhè）一因素。還可運用基於ADAMS 的參數化設計理念（niàn），對其進行進一步的優化仿真，得到最佳（jiā）的設（shè）計參數。

     3、 機構等效簡化模型

     3.1 等效模型的建立與仿真

     由於ADAMS無法對（duì）其它CAD軟件導入的實體模型進行（háng）參數化設計，而對於複雜虛擬樣機而言，某些零件（jiàn）結構尺寸的微小變動都有可（kě）能導致機構整體性（xìng）能的變化，因此必須考慮複（fù）
雜虛擬樣機零部件結構尺寸的優化工作。

     首先（xiān），根據搖杆機（jī）構各零部件的真實形狀，在ADAMS 中建立其等效簡化模型，如圖4 所示，其（qí）外（wài）形結構尺（chǐ）寸及連接點位置與（yǔ）Pro/E 中建立的真實樣機模型完（wán）全一致。通過（guò）運動仿真（zhēn）

     圖 4 搖杆機構等效簡化模型

     圖 5 等效模型中滑枕的加速度曲線

     3.2 等效模（mó）型的優化

     等效簡化模型建立後，將機構的（de）各個關鍵位置點的坐標定義為變量，進行設計研究和優化（huà）設（shè）計。對於圖4 所示的簡化模型進行參數化設計，首先把A、B、C、D 等設計（jì）點進行參數化，分別對其進行設計研究，從而確定對機（jī）構影響最大的幾個設計變量。設（shè）計變量與加速度變化的關係如表1 所示。
 

     由表 1 可以看出，設計變量DV_3、DV_4、DV_6 的敏感度（指樣機有關性能對設計變量值的變化的（de）敏感程度）最大，也就是說POINT_BX、POINT_BY、POINT_CY 的位置對加速度（dù）的影響（xiǎng）最大。這一結論為進一步（bù）優化設計奠（diàn）定（dìng）了基礎，可以（yǐ）著重對這幾個位置進行進一步（bù）的優化仿真，得到設計變量的最佳取值，獲得滑枕（zhěn）加速度的最優取值。

                                表（biǎo） 1 設計變量分析結果

     至（zhì）此，本次牛頭刨床搖（yáo）杆機構等效簡（jiǎn）化模型的優化設計已（yǐ）經全部完成。再次進行運（yùn）動（dòng）仿真，得到（dào）滑枕新的加（jiā）速度（dù）曲線，如圖6 所示。

     圖 6 優化前後滑枕加速度曲線（xiàn）對（duì）比

     從圖 6 可以看出，優化後滑枕的加速度極值Ymax ＝ 46.6748 mm/s2 ， Ymin ＝ － 47.5835mm/s2。優化後工（gōng）作行程階段滑枕的加速度曲線與圖5 相比，最大、最小加速度有所降低，走勢比較平緩，提高了滑枕工作過程的平穩性（xìng）。對簡化模型的優化（huà）效果比較明顯，達到了預期的設（shè）計要求，效果令人滿意。

     4 、優化結果驗證

     根據等效模型優化後的各點坐標計算構件尺寸，利用Pro/E 軟件的全相關特（tè）性，在Pro/E環境的狀態樹中修改特征參數，逐一修改（gǎi）圖1中各“PART”零件模型結構尺寸，使之（zhī）符合優化後的結（jié）構尺寸要求。將修改後的樣機模（mó）型重新導入（rù）ADAMS 環境，再次對（duì）其進行運動仿真。

       導出的滑枕加速度曲（qǔ）線

     5 、結語

     牛（niú）頭刨床搖杆機構的改進采用虛擬（nǐ）樣機技術，使其擺脫了對物理樣機的依賴，大大縮短了產品研發和改進周期（qī），實現了產品預期的設計目（mù）標。

     （1） 針對由Pro/E 導（dǎo）入模型不能在ADAMS 環境（jìng）進行優化設計的問題，提出了對某型牛頭（tóu）刨床搖杆機構的優化策略。
     （2）在ADAMS 中建立刨床搖杆機構的等效簡化（huà）模型，完成機構的優化（huà）設計。返回Pro/E中按優化結果修改原樣機的結構尺寸，再次導入ADAMS 中進行仿真並驗證優（yōu）化的結果，實現了ADAMS 軟（ruǎn）件對（duì）導入虛擬樣機進行（háng）優化（huà）設計的目的。