摘要：針對由CAD 軟件導入ADAMS 中的模型無法使用優化工具的問題，探討了對某型牛頭刨床搖桿機構進行優化的方法。利用虛擬樣機技術，在Pro/E 軟件中按真實尺寸建立搖桿機構的模型，導入ADAMS環境對該機構進行運動仿真，繪制出機構中滑枕的加速度曲線并進行分析。以此建立了搖桿機構的等效簡化模型，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 中修改原模型的結構尺寸，并再次導入ADAMS 中進行運動仿真，結果與簡化模型的優化結果一致。
關鍵詞：虛擬樣機；搖桿機構；仿真；等效模型
虛擬樣機技術是指在產品開發過程中，利用計算機建立產品的數字模型來代替真實的物理樣機，對產品的設計、工作過程等進行展示、仿真分析和測試，進而改進產品設計、提高產品性能的新技術[1]。利用該技術有助于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。在牛頭刨床系統中，運動機構是能否實現刨削運動的主要執行機構，直接影響到工作性能的好壞，進而影響整機性能（如工作效率、加工質量、設備壽命）和其他經濟指標。若牛頭刨床運動機構的改進采用虛擬樣機技術，則可有效克服傳統開發模式中設計計算復雜和費時費力的缺陷，用強大的功能、較快的設計周期和較低的成本完成傳統物理樣機開發模式所必需的全部過程。
本文以某型牛頭刨床的主運動機構搖桿機構為研究對象，利用三維CAD 軟件Pro/E 和運動學動力學仿真軟件ADAMS 建立其虛擬樣機模型，進行運動學仿真、優化設計和結果分析，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
虛擬樣機技術是一種嶄新的、用來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、功能和行為上模擬真實產品。對于牛頭刨床的搖桿機構，首先利用三維CAD 軟件Pro/E 建立機構的實體模型，完成裝配約束；然后利用專用接口軟件MECH/Pro 將模型導入動力學仿真軟件ADAMS 環境，添加運動約束和驅動，建立了該機構的虛擬樣機模型。利用ADAMS 軟件進行運動學仿真和優化設計，測試和評估牛頭刨床在切削工作過程中的性能，為物理樣機的制造提供參數依據。
在此過程中，由于通過專用接口導入的CAD模型在ADAMS環境中不能改變構件的結構尺寸，無法進行參數化的優化設計，大大限制了該機構虛擬樣機的分析應用范圍。為此，本次研究中嘗試建立與牛頭刨床搖桿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，利用該模型進行參數化的設計研究和優化設計，得到機構的最佳位置參數，重新設計機構中各構件的結構尺寸。利用Pro/E 可以直接在帶有約束的裝配下修改零部件的幾何尺寸這一特點，在Pro/E 環境下對樣機模型按優化后的最新結構尺寸進行修改，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 牛頭刨床搖桿機構的建模
要代替物理樣機，虛擬樣機至少要有兩種作用，一是展示外觀，二是工作狀況模擬和性能測試。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，機構零部件形狀力求圓滑美觀逼真，同時考慮到仿真研究的需要，對不是特別重要的圖形則盡量簡化，如取消過渡圓角等非關鍵性信息。
根據實際情況采用“自下而上”的方式進行裝配，機構由滑枕、搖桿、方滑塊、圓滑塊和斜齒輪五個分機構組成，斜齒輪轉動帶動搖桿作往復擺動，搖桿帶動滑枕作往復直線運動，裝配完成后的虛擬樣機要有1 個自由度。在連接方式的選用上結合實際采用了2 個轉動副（銷釘pin），即滑枕和搖桿的連接、方滑塊和斜齒輪的連接；1 個移動副（滑動桿slider），即方滑塊和搖桿的連接；1 個圓柱副（圓柱cylinder），即圓滑塊和搖桿的連接，其它輔助零件采用剛性連接中的“匹配”和“對齊”約束，成功完成了樣機的裝配，如圖1 所示。
牛頭刨床的搖桿機構屬于多構件組成的空間復雜機構，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干涉問題。干涉檢查的目的是分析牛頭刨床搖桿機構可能出現的運動干涉及“死點”位置，這是保證搖桿機構能正常工作的必要條件。利用已經裝配完畢的樣機模型以及Pro/E 干涉分析功能，自動得檢測機構中各構件在運動過程中的干涉問題，效率高，準確度好，可以解決傳統設計中的難題[5]，使構件干涉問題在改進設計過程中得到有效的解決。
圖 1 牛頭刨床機構模型
2.2 牛頭刨床搖桿機構仿真
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配模型轉換到ADAMS 環境下添加約束與驅動，建立了牛頭刨床搖桿的虛擬樣機，如圖2 所示。設定仿真的初始條件是搖桿機構中的滑枕（與搖桿鉸接）處于中間位置，對搖桿機構中的滑枕工作行程進行仿真研究。
圖 2 牛頭刨床機構虛擬樣機
通過使用ADAMS/Postprocessor 模塊提供的仿真結果回放和分析曲線繪制功能，得到所需的分析結果[6]。針對牛頭刨床刨削質量的好壞取決于刨刀的加速度極值這一特點，以搖桿機構中滑枕的加速度作為優化的對象，繪制出優化前滑枕（即刨刀）的加速度隨時間變化的spline 曲線，如圖3 所示。
圖 3 滑枕優化前的加速度曲線
雖然該機構具有較好的工作特性，但傳統設計方法完全是憑經驗通過增大搖桿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求，但是對于刨削過程中滑枕運動的平穩性很難憑經驗確定。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一因素。還可運用基于ADAMS 的參數化設計理念，對其進行進一步的優化仿真，得到最佳的設計參數。
3、 機構等效簡化模型
3.1 等效模型的建立與仿真
由于ADAMS無法對其它CAD軟件導入的實體模型進行參數化設計，而對于復雜虛擬樣機而言，某些零件結構尺寸的微小變動都有可能導致機構整體性能的變化，因此必須考慮復
雜虛擬樣機零部件結構尺寸的優化工作。
首先，根據搖桿機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，其外形結構尺寸及連接點位置與Pro/E 中建立的真實樣機模型完全一致。通過運動仿真
圖 4 搖桿機構等效簡化模型
圖 5 等效模型中滑枕的加速度曲線
3.2 等效模型的優化
等效簡化模型建立后，將機構的各個關鍵位置點的坐標定義為變量，進行設計研究和優化設計。對于圖4 所示的簡化模型進行參數化設計，首先把A、B、C、D 等設計點進行參數化，分別對其進行設計研究，從而確定對機構影響最大的幾個設計變量。設計變量與加速度變化的關系如表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敏感程度）最大，也就是說POINT_BX、POINT_BY、POINT_CY 的位置對加速度的影響最大。這一結論為進一步優化設計奠定了基礎，可以著重對這幾個位置進行進一步的優化仿真，得到設計變量的最佳取值，獲得滑枕加速度的最優取值。
表 1 設計變量分析結果
至此，本次牛頭刨床搖桿機構等效簡化模型的優化設計已經全部完成。再次進行運動仿真，得到滑枕新的加速度曲線，如圖6 所示。
圖 6 優化前后滑枕加速度曲線對比
從圖 6 可以看出，優化后滑枕的加速度極值Ymax ＝ 46.6748 mm/s2 ， Ymin ＝ － 47.5835mm/s2。優化后工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。對簡化模型的優化效果比較明顯，達到了預期的設計要求，效果令人滿意。
4 、優化結果驗證
根據等效模型優化后的各點坐標計算構件尺寸，利用Pro/E 軟件的全相關特性，在Pro/E環境的狀態樹中修改特征參數，逐一修改圖1中各“PART”零件模型結構尺寸，使之符合優化后的結構尺寸要求。將修改后的樣機模型重新導入ADAMS 環境，再次對其進行運動仿真。
導出的滑枕加速度曲線
5 、結語
牛頭刨床搖桿機構的改進采用虛擬樣機技術，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，實現了產品預期的設計目標。
（1） 針對由Pro/E 導入模型不能在ADAMS 環境進行優化設計的問題，提出了對某型牛頭刨床搖桿機構的優化策略。
（2）在ADAMS 中建立刨床搖桿機構的等效簡化模型，完成機構的優化設計。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 中進行仿真并驗證優化的結果，實現了ADAMS 軟件對導入虛擬樣機進行優化設計的目的。
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