摘（zhāi）要（yào）: 首先根據插床運動機構的設計要求，進行了插床導杆（gǎn）機構的設計（jì）與尺寸計算，然（rán）後運用Pro /E 軟（ruǎn）件進行導杆機構的結構設計與造型，最後在（zài）ADMAS 環境中建（jiàn）立該機構的虛擬樣機模型，對機構的（de）實際（jì）工況進行了仿（fǎng）真分析，得到了相關的（de）工作特（tè）性（xìng）曲線，並重點分析了插削（xuē）長度、運動過程中的加速度和（hé）導杆擺角以及施加載荷情況等主要參（cān）數（shù）對機構運動的（de）影響。對比仿真結（jié）果與設（shè）計要求，兩者數據基本一致（zhì），驗證了該設計的準確性。

      關鍵詞（cí）: 導杆機（jī）構; 設計; 造型; 運動仿真

      傳統的機械設計是在理論計算的基礎上，以經（jīng）驗和物理樣機的反複測（cè）試，發現設計缺陷並不斷改進設計，從而獲得滿足設計要求的產品。整個設（shè）計過程周期長且花費巨（jù）大（dà），嚴重製約了企業研（yán）發成本的降低和產品質量的提高。為了克服這種弊端，提高市場競爭力，越來（lái）越多的企業在新產品研發（fā）中采用虛擬樣（yàng）機技術，以（yǐ）縮短新產品的研製周（zhōu）期，降低
設計成本。

      1 、插（chā）床導杆機構的設計（jì）

     本（běn）次研究對（duì）插床主運動機構的工作特性要求如下: 插刀切削行程H ≥ 350mm，行（háng）程速比係數k = 2，最大切削阻力（lì）Fmax = 780kN。在插床的設計（jì）要求中，k = 2 要求機構從動（dòng）件空回行程（chéng）速度快於工作（zuò）行程（chéng）的速度，從而（ér）提高插削效率。圖1 所示為導杆機構（gòu）運動簡圖，曲柄AB 通過滑塊B 帶動連杆BD 繞（rào）C 點在一定的角度範圍內（nèi）擺動，通（tōng）過連杆DE 推動滑塊E 上下運動，從（cóng）而實現滑塊( 插刀) 的往複運動（dòng），機構的總（zǒng）體設計符合（hé）插床切削（xuē）運（yùn）動（dòng）的要（yào）求。

      機構中各構（gòu）件的精（jīng）確尺寸值，需（xū）通過點A，B，C，D，E 的坐標值確定; 由行程速比係數k 即可知極位夾角θ［1］。本次設計方案中θ = 180° × k － 1k + 1 =60°，而在擺動導杆機構中，機構的極位夾角θ 等於擺杆的夾角ψ，由三角（jiǎo）幾何關係即可推導得出，曲柄AB 在極限位置時與水（shuǐ）平麵的夾角α = 60°。

      圖1 導杆機構極限位（wèi）置簡圖
 

      此外，為了防止曲（qǔ）柄AB 在旋轉時，因CB 杆（gǎn）過短而導致（zhì）B 點（diǎn）滑塊滑落（luò），在設計時（shí）應考慮留有一定的餘量，因（yīn）此在CB 杆上選取一（yī）點K，取（qǔ）LBK = LAB +50mm。

      通過計（jì）算上述（shù）各點（diǎn）的坐標，確定了導杆機構中各構（gòu）件的（de）相互位置及定形、定位尺寸，為在Pro /E環境中（zhōng）進行各零件的結構設計與建模提供了很好的數（shù）據基礎。同時，由於計算結果進行（háng）了四舍五入取整，得出的位置坐標值與理論坐標值之間多少存在一些誤差，不過這些誤差在傳統（tǒng）的解析法（fǎ）設計中是不可避免（miǎn）的［2 － 3］。

     2 、導杆機（jī）構的結構造型

     本次設計的插床導杆機（jī）構（gòu）包（bāo）含5 個零部（bù）件: 滑枕、導杆、齒輪部件、連杆和滑塊，其結構設計和（hé）三維造型過（guò）程（chéng）如下。

     a． 滑枕。

    滑枕（zhěn）的主體框架為類似長方形箱體結構，采用整體鑄造。下部有兩（liǎng）條導軌將滑枕安裝在插床立柱上，與立柱間可作上下相對移動。滑枕的一端為圓（yuán）柱，用來安裝、固定（dìng）插刀，結（jié）構複雜（zá）且需進（jìn）行精密加工。整（zhěng）個滑枕壁厚取18 ～ 20mm，內（nèi）部（bù）中間（jiān）有兩個片狀軸（zhóu）承座用以安裝絲杠軸承。頂部設一通槽可方（fāng）便調節（jiē）安裝在絲杠上的連接螺帽，改變插削行
程。另外，在框架的不同位（wèi）置還應添加筋板以提高強度（dù）。

     b． 導杆。

     導杆的主體框架采用扇形結構。柄（bǐng）部厚（hòu）度較小而展開部厚（hòu）度較大（dà），並（bìng）在展開麵切出（chū）滑塊移動的通槽。導杆的柄部和中間（jiān）位置各留一孔，與連接件作相對轉動。

     c． 齒輪部件。

     齒輪部件由於存在斜齒輪導（dǎo）致（zhì）在建（jiàn）模過程中顯得比較（jiào）複雜: 首先齒輪（lún）需按照設計參數繪出精確的齒形，完成（chéng）齒（chǐ）輪模型的建模; 然後通過拉（lā）伸等（děng）操作做出滑座、壓板和曲柄軸的實體模型; 最後將壓板裝配在滑（huá）座上（shàng）固定曲柄軸，滑座與齒輪裝配在一起形成齒輪部件子裝（zhuāng）配體。

     對於導杆機構中的（de）其他零件，可以按照（zhào）類似方法進行設計造型，不再一一介紹。

     在Pro /E 軟件中（zhōng）把上述零件或部件組裝成導杆機構，為了在後續操（cāo）作時方便地利用接口軟件將模（mó）型導入ADAMS 環境中，裝（zhuāng）配時滑枕與連杆、連（lián）杆與導杆、滑塊與齒輪部件選（xuǎn）擇“銷釘”約束，導杆與滑塊（kuài）選擇“滑動杆”約束，同時選擇“匹配”→“重（chóng）合”約束確定構件間的相對位置，以減少不必要的重複工作（zuò）［4］。利用以上約束類型完成裝配後的插
床導杆（gǎn）機構三維CAD 模型如圖2 所示。

     圖2 導杆機構裝配模型

     3、 機構的仿真（zhēn）

     通過Mechanism/Pro 軟件專用（yòng）接口，直接（jiē）將裝配完畢（bì）的導杆機構模型導入ADAMS 環境，建立完成的導杆機構虛擬樣機模型（xíng）如圖3 所示。緊接著就可進行導杆機構的運動學和動（dòng）力學（xué）仿真［5］。

     圖3 導杆機構虛（xū）擬（nǐ）樣機模型

     3． 1 機構的運動學仿真分析

     使用ADAMS /Postprocessor 模塊提供的分析曲線繪製功能［6］，繪製出滑枕的位移、加速度和導杆擺角隨（suí）時間變化的運動特性曲線，如（rú）圖4，5和6 所示。

     圖4 滑枕的（de）位移變化曲線

     圖5 滑枕的加速度變化曲線

     圖6 導（dǎo）杆擺角變（biàn）化曲（qǔ）線

     圖5 中刀具（jù）的加速度值a = Ymax － Ymin =136． 903 3 － ( － 120． 550 7) = 257． 454mm/s（平方（fāng））。該曲（qǔ）線在工作進給階段加（jiā）速度值較小且變化不明顯，說明當插刀在進行切削運動時速（sù）度變化不大，工（gōng）作（zuò）比較平穩。在返回階段加速度變化差異（yì）明顯且呈線性狀態分布，說明刀具在返回時（shí）速度變化很快，也進一步（bù）說明了該（gāi）機構（gòu）存（cún）在急回特性。在切削的開始與結束的階段，速度值有一個呈線（xiàn）性變化的階段，可能會產生（shēng）較（jiào）大的（de）切削阻力，需進行機構的動（dòng）力學仿真分（fèn）析。

     3． 2 施加載荷仿真分析

    在導杆（gǎn）機構的工作行程與回程的交替階段會產（chǎn）生較大的切削阻（zǔ）力，該階段插刀工（gōng）作時承受780kN 的最大切削阻力，該力施加在插刀與滑枕（zhěn）的連接位置。由於機構的一（yī）個工作周期( 12s) 中，隻有（yǒu）進給階段受（shòu）到切削阻力，根據（jù）滑枕的運（yùn）動特性曲線（xiàn）查出，周期的起（qǐ）始時間為0． 70s，進給階段0． 71 ～ 8． 70s，整個階段受到780kN 的最（zuì）大切削阻力; 而在滑（huá）枕返回時由於沒有進行（háng）切削，所以不承受阻（zǔ）力，結束時間12． 70s。因（yīn）此作用力函數可表示（shì）為幾（jǐ）個階段函（hán）數，具體（tǐ）函數表達式如下:

     在對機構施加切削（xuē）載荷後，重新繪製滑枕的位移、速度和加（jiā）速度隨時間變化曲線，兩者完全重合( 這裏不再重複展示) ，說明在插床切削加工過程中，在刀具的輸（shū）出（chū）點( 即滑枕) 的一切（qiē）運動特性都是沒（méi）有改變的，證明機構的運動特性與其是否承受載荷無關。

     圖7，8為施加載荷（hé）前後驅（qū）動的平衡力矩和功（gōng）率曲線，圖中實線表（biǎo）示機構（gòu）未施加切削阻力時的曲線，虛線表示施（shī）加（jiā）切削（xuē）阻力後的曲線（xiàn）。從圖中可以看出，在機構工作進給階段驅動的平衡力矩和功率值均發（fā）生了變化，而急回階段（duàn）由於沒有承受切削阻力，平衡（héng）力矩和（hé）功率值的變化近似（sì）於忽略不計。

     圖7 施加載（zǎi）荷前後驅動的平衡（héng）力矩曲線

     圖8 施加載荷前後驅動的功率曲線

   
      4 、結束語

     本文利用虛擬（nǐ）樣機技術對插床導杆機構（gòu）進行運動仿真，驗證了機（jī）構設計的準確性，從而大大縮短了插床的開發（fā）周期。通過使用虛擬樣機技術研發（fā）產（chǎn）品，可在虛擬環境中對產品進行性能測試（shì）和分析，方便更改設計缺陷和隱患，縮（suō）短產品的研發周期，降低設計成本。但（dàn）是（shì），由（yóu）於條件的限製，本次研究隻對插床的運動部件進行了仿真，對於（yú）整（zhěng）機的虛擬樣機研究，有（yǒu）待於在（zài）今後的工作中進一步完善。