张东杰王晓伟任孟斌林朵朵牛景瑞
山东建筑大学济南250101
摘要：对牛头刨床刨削机构的组成及其工作原理进行了分析，基于再生运动链法，对牛头刨床的刨削机构进行了创新设计，应用ADAMS软件对满足要求的新型机构方案进行运动仿真分析。通过对数据的对比分析，验证了新型机构符合牛头刨床使用要求，并最终选定了最优的新型机构方案。
关键词：牛头刨床刨削机构；再生运动链法；创新设计；运动仿真分析
中图分类号：文献标识码：A文章编号：1001-0785（2020）04-0048-06
0引言
牛头刨床通过六杆机构实现刀具的往复运动。在牛头刨床工作时，一次的刨削运动分为工作行程和空行程两个过程。为了提高刨床的工作效率，减少空行程的时间，在空行程中要求六杆机构具有急回特性；为了提高刨削后工件表面的粗糙度、延长刀具使用寿命，必须使刨刀在工作行程中低速并且平稳[1]。
牛头刨床遵循“工作行程平稳”和“空行程急回”的工作原理。从机械设计的角度考虑，提高工作效率和工作质量的实质是设计出具有良好的运动和动力性能的机构。传统的牛头刨床六杆刨削机构可以完成刨削运动，但在稳定性和急回特性方面仍然存在局限性。为了解决现有机构的局限性，改善机构的性能，需要采用高效的机构创新方法对机构进行创新设计。再生运动链法是一种实用、有效的机构创新设计方法。通过再生运动链法对牛头刨床六杆刨削机构进行创新设计，选出可行的新型机构。然后对可行的新型机构进行仿真和运动分析，得到满足使用要求的新型机构。
1再生运动链法机构创新设计的原理与步骤
再生运动链法的实质是基于机构的杆组组成原理，将一个具体的现有机构依据其拓扑特性抽象为一般化运动链，然后按该机构的功能所赋予的约束条件，演化出众多的再生运动链和相应的新型机构[2]。牛头刨床六杆刨削机构再生运动链法的创新设计流程如图1所示首先将已有牛头刨床六杆刨削机构抽象为一般化运动链；其次进行运动链数综合，得到组合运动链；然后再依据设计要求等给出相应的再生运动链;最后通过运动链机构化，获得所有对应的可行机构。
图1再生运动链法机构创新设计流程
2再生运动链法刨削机构创新设计过程
2.1原始机构
牛头刨床六杆刨削机构运动简图如图2所示，六杆机构由机座、曲柄、滑块、摆杆、连杆、滑枕组成。在工作时，曲柄2转动，通过六杆机构驱动滑枕6上的刨刀做往复移动，从而完成刨削运动。
1.机座2.曲柄3.滑块4.摆杆5.连杆6.滑枕
图2牛头刨床六杆刨削机构运动简图
2.2一般化运动链
根据一般化原则，将牛头刨床刨削机构进行一般化处理：1）将机座1释放，并一般化为三副杆；2）将移动副一般化为转动副；3）将滑块3一般化为二副杆；4）将摆杆4一般化为三副杆。其对应的一般化机构如图3所示。
图3牛头刨床六杆刨削机构一般化机构
2.3组合运动链
将牛头刨床六杆刨削机构一般化机构规范化，得到此机构的组合运动链的A型、B型、C型和D型四种形式，如图4a、4b、4c、4d所示，均由2个三副杆和4个二副杆组成。
图4六杆机构组合运动链
其中，2个非直接铰接的三副杆和4个二副杆构成A型运动链，2个直接铰接的三副杆和4个二副杆构成B型运动链。A型为斯蒂芬森型运动链，B型为瓦特型运动链。斯蒂芬森型运动链和瓦特型运动链是六杆运动链的两种基本闭环形式。而C型和D型运动链由A型或B型运动链衍化而来。
2.4定义设计要求与约束
按照牛头刨床六杆刨削机构的基本特性和工作要求，确定设计要求和约束如下：
1）保持构件总数为6，运动副总数为7；
2）须有1个固定杆件为机架，且为三副杆；
3）须有1个杆件为曲柄，且与机架相联；
4）须有1个杆件做为滑枕，为移动导杆并且是连架杆；
5）至少有1个运动副为移动副。
2.5再生运动链
对于上文所述的四种组合运动链，再根据已知的牛头刨床六杆刨削机构的设计要求和约束，可派生出各种再生运动链，其步骤如下：
1）保证运动链构件总数为6,运动副总数为7；
2）以G为机架（固定杆），Q为曲柄，H为滑枕；
3）确定一杆机架G，另一杆为曲柄Q,且曲柄Q与机架G相联；
4）确定一杆为滑枕H，且滑枕H与机架G相联；
5）由于C型、D型组合运动链不能满足“六杆七副”的设计要求，故舍去这两种形式。对于组合运动链A,选择1个三副杆为机架G，选择1个二副杆为曲柄Q，再选择1个二副杆为滑枕H，并且曲柄Q和滑枕H均与机架G相联。由此可得可行再生运动链如图5a、5b所示。
图5A型组合运动链的再生运动链
对于B型组合运动链可依照同样的方法类推，可得其再生运动链如图6所示。
图6B型组合运动链的再生运动链
2.6再生运动链的具体化
根据牛头刨床六杆刨削机构的设计要求和约束，其运动副中至少存在1个为移动副，且该移动副位于滑枕处。因此在再生运动链中，运动副类型确定为三种情况：
1）只有1个移动副（在滑枕H处），其余6个运动副均为转动副；
2）有2个移动副（1个在滑枕H处），其余5个运动副均为转动副；
3）有3个移动副（1个在滑枕H处），其余4个运动副均为转动副；
由此可得符合要求的48种非同构再生运动链。再进一步根据机构设计要求，需满足工作行程的稳定性和空行程的急回特性，并且考虑到机构在工作过程中整体的力传导性能和运动性能，最终在48种非同构再生运动链中选取了5种符合设计要求和约束的刨削机构运动链。这5种具体化再生运动链以及其机构化后的机构运动简图如表1所示。
其中，机构B2102为已有机构，机构A1201、B2104、A3102、B3106为符合设计要求和约束的牛头刨床六杆刨削新型机构。
3新型刨削机构的仿真、运动和动力分析
3.1仿真分析软件及参数的确定
对于已经确定的五种符合设计要求和约束的牛头刨床六杆刨削机构，为更好的了解设计机构方案的可行性，通过利用ADAMS软件的几何建模工具，创建符合设计要求和约束条件的五种牛头刨床六杆刨削机构方案的三维实体模型。然后确定杆件模型之间的运动关系和运动参数，再对各方案模型进行仿真，观察每个方案各杆件的运动轨迹、动态干涉情况，并获取滑枕左端点（刨刀）左右移动的极限位置以及速度和加速度变化曲线图。
在满足设计要求的前提下，还要保证总体结构尽可能紧凑，参照牛头刨床刨削机构的实际尺寸参数，在ADAMS软件中建立牛头刨床模型时，对机构B2102模型有关参数设计如下：
1）曲柄的周期为12s；
2）曲柄2的长度为140mm，固定高度为280mm；
3）摆杆4的长度为600mm；
4）连杆5的长度为摆杆4长度的1/4;
5）滑枕6的固定高度为650mm；由于五种机构各杆件的位置及长度不同，但机构的总体尺寸基本相同，所以在其他建立四种机构的模型时，其杆件尺寸及固定位置参照机构B2102的模型参数设计确定。
3.2仿真模型及分析结果
利用ADAMS软件对五种可行机构方案进行建模、运动仿真及分析。以机构B2102为例，曲柄为原动件，其一端与机架相联，另一端与滑块铰接，滑块与摆杆通过移动副连接，摆杆通过连杆与滑枕联接，从而实现滑枕的左右往复移动。其三维实体模型如图7所示。
图7机构B2102的三维实体模型
按照B2102模型的相关设计及仿真参数建立其仿真模型，该模型的循环周期为12s，设置仿真时间为15s，仿真步长为500步，进行运动仿真，从如图7所示的初始位置开始仿真，可得到机构B2102的滑枕沿水平方向的位移曲线图、速度曲线图和加速度曲线图，分别如图8、图9、图10所示。
图8B2102滑枕位移曲线图
图9B2102滑枕速度曲线图
图10B2102滑枕加速度曲线图
在正常工作情况下，牛头刨床分为工作行程和空行程两个过程。其中滑枕向前推时开始对工件进行刨削，为工作行程。在工作行程中，如果牛头刨床滑枕的速度、加速度峰值越大，波动范围越大，会造成机床惯性载荷增大、工件的加工质量差、机构平衡困难、机构的运动差等问题，同时增大了电机的负载，从而增加电机能耗，影响电机使用寿命。所以，在工作行程中的速度、加速度峰值越小越好，波动越平缓越好。当滑枕到达前推运动的极限位置，开始向后撤回，撤回的过程不对工件进行刨削，为空行程。在空行程中，要求机构具有急回特性，该过程中滑枕的速度峰值越大，滑枕撤回的越快，减少空行程的时间，提高牛头刨床的工作效率。所以，在空行程中的速度峰值越大越好。同时，在牛头刨床的整个工作过程中，滑枕移动的两个极限位置的距离越大，其工作行程的距离越长，工作效率越高。
3.3结果对比分析
对于机构A1201、B2104、A3102、B3106四种机构方案，参照机构B2102模型的设计参数建立仿真模型，同样设置仿真时间为15s，仿真步长为500步进行运动仿真。根据各机构模型仿真的位移曲线图、速度曲线图和加速度曲线图，得出各机构方案滑枕的位移、速度、加速度变化波动范围如表2所示。
通过分析曲线图和表2中数据可知，从位移的角度分析，B2104和A3102的滑枕的移动距离相比其他三种方案长的多，工作行程距离长。从速度的角度分析，B2104和B3106的速度峰值相比其他三种方案高，这两种机构具有更好的急回特性，空行程时间短，工作效率高。从加速度的角度分析，B2102的加速度峰值只出现在最开始启动时，之后的工作过程加速度接近于0，比较稳定，对刨床的载荷冲击小，工件加工质量相对较高，而其他四种机构在整个工作过程中加速度波动相对较大。同时，在杆件设计方面，机构A1201、A3102、B3106为满足运动要求，部分杆件需要比较长的尺寸，在机构设计方面存在一定的局限性。
综上所述，按照牛头刨床的设计和工作要求，机构B2102工作过程中相对稳定，机构B2104同时具有相对较长的工作行程和良好的急回特性，并且这两种机构都不需要长度较大的杆件，因此在五种可行的机构方案中选出机构B2102和机构B2104两种方案作为优选方案。其中，B2102为已有机构，B2104为新型机构。通过分析的结果，对于机构B2102和机构B2104存在的局限性，可以进行针对性的优化设计。
4结论
再生运动链法基于杆组组成原理，可以对现有机构进行系统的、程序化的改变演化，从而完成机构创新设计。本文应用再生运动链法，对牛头刨床六杆刨削机构进行了创新设计，最终选定最优的新型机构方案，可为牛头刨床刨削机构的创新设计提供系统的数据和理论支持，为机构的进一步优化设计提供参考。
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