武汉理工大学汽车动力学课程论文

1、基于ADAMS的兀杆机构握动学及动力学仿真分林引言牛头刖床是金属切削类机床中踊类机床的一种,主要用于单件小批量生 产，加工平面、成型面和沟櫓等。工作原理为当主动件曲柄匀速转动时，摇杆左 右楼动，带a&jjiifl#固定的珈迷运动，实现将回转运动转化为直线往复运动的 功能。牛头砂床机构具有急回特性，即刨刀在切別工作行程中速度较慢，冃要求 平隐，训削完成后快速空到原来的15置。因此，对速度平稳性的影晌难以凭经验判断。为了确 定創jj运动是否满足要求,就必须对其affffi真分折。以住对牛头刖床穴杆机构进行研究主要从运动学或参数优化进行分析。其 中，文f 4-5分别论述了用ADAMS和SIM

2、ULINK建立牛头剧床仿真模型的过程, 并对其»fiT运动学仿真。文歎利用ADAMS 1立了锁紧臂机枸的动力学模型, 并对其进行了参数化分析研究，进而实现了机构的优化设计。文«8-9 H别对 牛头刨床机构进行了动力学分折，建立了动力学模里，并对其进行了动力学仿真, 为机购和力学参数优化提侯依据。文KI10对机械式压力机曲柄兀杆机lOiiT 运动学特性分折，建立了数学模塑并通过仿真进行了对比，为HI构逸一步分桥奠 定了基础。本文以比较典型的兀杆机构牛头创床为側，运用矢量辭桥法和矩阵法 建立兀杆机构的运动学及动力学模型，利用ADAMS軟件强大的动力学分折助能, 对牛头創床Aff

3、fll学仿真。1运动学分林1.1数学模型的建立牛头刨床兀杆机构的运动简图如图1所示。已 0/)=125mm, /3=600mm, /4=150mm,人为从动件，设构件 3, 4, 5 的质 量分别为m3 =20kg, m4 =3kg, m5 =62kg ；构件1, 2的质量忽略不it,各杆的质 心胡在杆的中点处,构件3, 4绕质心的转动陨量Js3 =0.12kg/ m2 , Js4 =0.00025kg/n2，複机构在工作进程时头5受与行程相反的|fl力Fr =5880No 根据以上要求，牛头刨床关罐点坐标设置如表1所示。图1牛头刨床兀杆机枸运动简图关谜点IViintPoint_K坐标值 (0

4、,275,0<125 275,0(0.0,0)表1牛头斶床关律点坐标位移分林先建立一直角坐标系，c为坐标原点，并标岀各杆矢量及其方Effl,各梅 件沟成矢量封冈形，机沟各矢量沟成2个矢量封冈方程为h+h =$3 ( 1 )厶 + L =人 + »( 2 )将式(1)(2)写成两坐标轴上的投影式，得/| COS q = s3 COS 83I + / sin q = s3 sin q ( 3 )L cos $ + /4 cos 0. = sEl3 sin + /4 sin = /6 ( 4 )联解以上式子，即可求得滑決2油摆动杆3的位務量片，构件3,4的角豪3, &侦刨头E

5、虎的位務量。速度分林由式(3 ), ( 4 )对时间求导,写成矩阵形式得cos 0, 一 $3 sin Q00 s一h sin qsinQ 耳 cos G00厶 cos q0-/3 sin-/4 sin 0A -1©00i3 cos q i4 cos a 0 _J7 -.0 .解线II方程组（5） BII可求得滑块2沿摆动杆3的滑动速度必，构件3, 4的角速度®, ©员刨头E点的速度。度分析由式（5）对时同求导,写成矩眸形式得COS G一片 sin q00 $3sin&3s3 cos00再0-厶 sin q -厶 sin 0A-10人 cos ql4 co

6、s 0A0_S_马sin Q一耳 sin Q 厲© cos0o-_/g cosq© cos Oys3 cos _6©sinq00+ ®g sinq(6)0一Iq cos q一/g cosa000-Ig sin Q-1® sin 0A0_0解线性方程组（6）即可求得滑块2沿摆动杆3的滑动加速度归，构件3, 4 的角加速肿,久及砂头E点的加速go由以上各式，即可得到牛头创床兀杆机构刨头E点的位移、速度和加速度。1.2运动学建模及佈真«建模型及添H运动刚和驱动根据表1中各关建点坐标，建立曲柄1,滑块2,瞿动杆3,连杆4和刨头5 模型，如图2

7、所示。根据各构件之间的运动副关系添加运动剛，并选择曲榊1 为主动件,添加SH专驱动，完成运动的设置。图2牛头刨床兀杆机构模型122运动仿真及结果后处理运行仿真后，将测量岀的原动件曲柄1的转动轴度与钢头E点的位務、速度 和加速度朋在同一坐标系中（图3）。由图3可以看岀，原动件转动在何种位置 时,刨头E点的位移、速度和加速度最大（或最小）o刨头E点也務线图创头E点加速度线图图3觥头E虑的运动线图通U ADAMS的后处理,可得头E点的最大位稼与最小位移分别为128.1,-417.3mm,故其行程为545.4mm。从图3中可以看出,創头在切削进程阶段比较平稳，在通回时较快，说明兀杆机构具有急E!特性，

8、与实际悄况相符合，满足要求。在3iHt算中，当曲柄1与摆动杆3垂貞时，働刖位置达到18眼位置，由此可算出耳为333和207根据武(3 ), ( 4 )可计算岀檢限位務，故行程S=|127. 93-M16. 85 )|=544.78mmo与仿真结果相当，因此仿真是正确的。2动力学分折2.1数学模型的建立根据前迷运动学仿真求借的相关构件加速度值，可确定岀各构件所受的1811 力员愦性力矩。各构件受力血图4所示，设F为作用在第i个构件上的愦性力，M, 为第"、沟件上的惯性力矩，Md为加在构件1上的平ftj力矩，根据构件上所有 外力在,«!上的投影的代数和为零，构件上所有外力在yl

9、i上的投影的代数和为 零以及构件上所有外力对其质心®的力葩代数和为零，对各枸件列平桁方程如To5 Fr 賦尽图4构件受力分桥图对构件1有氐+陽=0Gy + G严 °-(儿-3?A)2ix +(心AA )*21)- + Md =0(7)对构件2有f2x + F、" = 0仏+厲严。(8)因各力对质心取矩代数和恒为零，故无法列出力矩平衡方程。根据几何约東 条件，可以列出以下方程作为补充方程，HI1场2.丫 COS &3 + 巧2、sin &3 = 0对枸件3有坊3x +抵+鼻+兀3* = °43y + 23y + 巧y + 63y 一= &#

10、176;-（ -丹3）£" +（® - 心3）巧3、-仇-为3 应 +（兀0 - Xs3）&3, +（治 - ）耳-（无3 -比3、+ = 0（10）对构件4有F54x + F4X + 4x = 0佗 * + F* + F34y = 0-（£ -，S4）4x -（也-*£）£s<v + C% -）巧4x +XD XS4 34y + 4 =。（）对构件5,由于导路対刨头5只产生垂貞反力代5,但力作用点未知。因此 可以这样处理:把反力人5向质心S5简化，可得反力凡和反力拒血。列方程如下, 即鬥5x +巴+尺.丫=0巧5+佗5

11、_"g=O存心+，%=0（12）将上述各梅件的平ft!方程式，整理成以运动副反力和平偷力矩为未知量的线 性方程组，并写成矩晖形式，fillCFr = D （ 13 ）式中:C为系数矩阵；心为未知力葩阵；D为己知力犯眸，其中c=-I00-1儿-心-心100000000000000000000000-I0000000000000-10_cosQ0y$n000000-1-sinG-I00n000000000-10000000000000000七-0100000000000000000X'0片2x02y00斥6.v00尸23>叽£D =-鼻 +%g*34 v耳,竹6y

12、-F4y+m4gF-m4-耳-耳02.2 3力学建模与仿真2.2.1济JD质量利转动慎量及IB力按己知条件分别设置曲柄1,滑快2,saff 3,连杆4和創头5的质量和转动慎量,并对創头5设置IB力Fr=5880N,完成动力学IS真的设置。动力学仿真及结果后处理仿真结東后，右击曲柄1与大地之间运动厠JOINTS即可査看运ag'JA处的 约東反力员平術力矩从A/-如图5和图6所示。从图5可以看岀，牛头刨床刨 头在工作进程中，机构在，（水平）方向的受力明显比y（垂直）方向要平滑些, 目力的方向没有变化，而y （垂頁）方向的受力却出现了较夫的变化。因此可以 得岀，y （垂直）方向的受力主要是由

13、干HI器振动而引起。由图6可以看岀，牛 头创床刨头在工作进程中，平衡力葩变化较平缓，而空程时变化较大，将合实 际要求，故仿真是正确的。JOINT 2 MEA 7A35000.015000.08.oTime: 2.000Current: 30311.Q2.0图5转动削月处约東反力F八Fy1.0E-0080 a 'Time: 2000 Cur*nt:匚26缽）13-1.0E-008JOINT 2 MEA 5 display1.02.0图6曲柄1平场示恵3结语通il AH机构仿真输岀曲线图可以看岀:牛头刨床工作进程中速度较平稳，加速度値较小；回程时速度变化大，加速I?值也较大，具有急回特性，

14、仿真结果 与实际相符合。运用ADAMS仿真直观喝示了牛头刖床刨头的运动规律和各构件 的受力状态，与葩阵求解相比，更加形象生动。通11对牛头刖床兀杆机Iona 模、运动学及动力学仿真分析，实现了机构设廿的形象化和量化的完美统一，大 大提高了设廿效率和质量，节省了时间和成本。参考文献1®政，邵期宇，壬乐，等多口标規划下的牛头創床优化设itULUlK与电 子，2009(9):24-26.黎新，王国歐牛头刨床的遗传优化设itUl.Hl床与液压,2006(10):40-42.3陈立平.机檢系统动力学分析及ADAMS应用教程M.:»华大学出版社， 2005:15-200.李旭荣，曲相周基T ADAMS的牛头砂床工作机沟虛样机设it与动态仿可修编-真J】中国工程机植学报,2007,5(4):437-4395李龙海.基于SIMULINK的平而兀杆机构防真分机J.机械设讯-与制造， 2009,10(1):154-156.杨双龙，战強，马晓薛,等基T ADAMS的锁紧臂机构的动力学10真及参