基于ADAMS 的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

程熊豪

摘要：曲柄擺桿機(jī)構(gòu)能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，常常作為動(dòng)力源（如旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)）與直線運(yùn)動(dòng)形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中一種十分常見的核心執(zhí)行裝置。針對某工程中曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，基于ADAMS仿真軟件建立了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)行學(xué)特性分析與仿真，分析了作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑塊上工作點(diǎn)的位移、運(yùn)動(dòng)速度和加速度變化規(guī)律，得出作為動(dòng)力輸入曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，從而為曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：曲柄擺桿運(yùn)動(dòng)分析 ADAMS 機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

曲柄擺桿機(jī)構(gòu)因?yàn)榫哂袠?gòu)件形狀簡單、加工方便、可承受較大載荷等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中有著非常廣泛的應(yīng)用。該機(jī)構(gòu)可以將周期轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，而且因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。最典型的是牛頭刨床機(jī)構(gòu)。但是，傳統(tǒng)的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用圖解法或?qū)嶒?yàn)法，其過程復(fù)雜繁瑣、設(shè)計(jì)周期長、穩(wěn)定性差、精度不高，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求；盡管采用解析法可以得到較高的計(jì)算精度，但該方法存在推導(dǎo)公式復(fù)雜，計(jì)算工作量大，且獲得的結(jié)果過于抽象，達(dá)不到形象直觀的要求。

ADAMS是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可視化地輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。通過ADAMS軟件對曲柄擺桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能夠克服圖解法分析過程復(fù)雜、精度低等問題。

針對某一項(xiàng)目中，利用曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)滑塊到達(dá)目標(biāo)位置后可以回到初始位置的基本動(dòng)作。同時(shí)，設(shè)計(jì)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)時(shí)需要對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，以判斷能否完成所需動(dòng)作要求。本先基于解析法獲得了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的解析解；然后，基于ADAMS軟件建立曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，輸出擺桿上工作點(diǎn)的水平位移、水平速度、水平加速度曲線，從而完成了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析與仿真，很直觀的獲得作為動(dòng)力輸入的曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，從而為曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

曲柄擺桿機(jī)構(gòu)如圖1所示，機(jī)構(gòu)中曲柄為L1，擺桿為L3連桿ED為L4。曲柄AB、擺桿CD和連桿ED與水平方向的夾角分別為1、3和4.設(shè)向量i和j分別為水平和豎直向量，并分別用e、et和en表示桿矢量的單位矢、切向單位矢及法向單位矢。

利用封閉圖形ABCA建立封閉矢量方程

2虛擬樣機(jī)模型的建立

如圖1所示的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)中，其角速度為1=1rad/s，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄的初始位置與水平位置垂直。曲柄AB作圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿CD在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊上的E點(diǎn)在一定范圍內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，項(xiàng)目要求滑塊的正向最大位移為90mm，反向最大位移為380MM，總運(yùn)動(dòng)行程在450MM～600MM之間。對滑塊上的E點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，能夠判斷曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理以及能否推動(dòng)滑塊到達(dá)規(guī)定行程。

根據(jù)圖1所示的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在ADAMS軟件的View模塊中構(gòu)建各桿，然后在各桿的連接位置定義旋轉(zhuǎn)約束，滑塊與機(jī)架之間定義為水平移動(dòng)副，并把機(jī)架固定在地面上以便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，最后在曲柄上定義旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，建立虛擬樣機(jī)模型3運(yùn)動(dòng)仿真與分析

對曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為15秒，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)超過兩個(gè)周期，可以清楚地觀察到其兩個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)循環(huán)狀況。然后輸出測量擺桿L3質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與角加速度隨時(shí)間變化的曲線圖，測量E點(diǎn)的水平位移、水平速度與水平加速度隨時(shí)間變化的曲線圖，以及曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖，通過ADAMS 軟件的Postprocess模塊對各曲線進(jìn)行編輯測量。

摘要：曲柄擺桿機(jī)構(gòu)能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，常常作為動(dòng)力源（如旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)）與直線運(yùn)動(dòng)形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中一種十分常見的核心執(zhí)行裝置。針對某工程中曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，基于ADAMS仿真軟件建立了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)行學(xué)特性分析與仿真，分析了作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的滑塊上工作點(diǎn)的位移、運(yùn)動(dòng)速度和加速度變化規(guī)律，得出作為動(dòng)力輸入曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，從而為曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：曲柄擺桿運(yùn)動(dòng)分析 ADAMS 機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

曲柄擺桿機(jī)構(gòu)因?yàn)榫哂袠?gòu)件形狀簡單、加工方便、可承受較大載荷等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中有著非常廣泛的應(yīng)用。該機(jī)構(gòu)可以將周期轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，而且因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。最典型的是牛頭刨床機(jī)構(gòu)。但是，傳統(tǒng)的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用圖解法或?qū)嶒?yàn)法，其過程復(fù)雜繁瑣、設(shè)計(jì)周期長、穩(wěn)定性差、精度不高，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求；盡管采用解析法可以得到較高的計(jì)算精度，但該方法存在推導(dǎo)公式復(fù)雜，計(jì)算工作量大，且獲得的結(jié)果過于抽象，達(dá)不到形象直觀的要求。

ADAMS是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可視化地輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。通過ADAMS軟件對曲柄擺桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能夠克服圖解法分析過程復(fù)雜、精度低等問題。

針對某一項(xiàng)目中，利用曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)滑塊到達(dá)目標(biāo)位置后可以回到初始位置的基本動(dòng)作。同時(shí)，設(shè)計(jì)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)時(shí)需要對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，以判斷能否完成所需動(dòng)作要求。本先基于解析法獲得了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的解析解；然后，基于ADAMS軟件建立曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，輸出擺桿上工作點(diǎn)的水平位移、水平速度、水平加速度曲線，從而完成了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析與仿真，很直觀的獲得作為動(dòng)力輸入的曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，從而為曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

---2虛擬樣機(jī)模型的建立

如圖1所示的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)中，其角速度為1=1rad/s，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄的初始位置與水平位置垂直。曲柄AB作圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿CD在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊上的E點(diǎn)在一定范圍內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，項(xiàng)目要求滑塊的正向最大位移為90mm，反向最大位移為380MM，總運(yùn)動(dòng)行程在450MM～600MM之間。對滑塊上的E點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，能夠判斷曲柄擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理以及能否推動(dòng)滑塊到達(dá)規(guī)定行程。

根據(jù)圖1所示的曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在ADAMS軟件的View模塊中構(gòu)建各桿，然后在各桿的連接位置定義旋轉(zhuǎn)約束，滑塊與機(jī)架之間定義為水平移動(dòng)副，并把機(jī)架固定在地面上以便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，最后在曲柄上定義旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，建立虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

3運(yùn)動(dòng)仿真與分析

對曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為15秒，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)超過兩個(gè)周期，可以清楚地觀察到其兩個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)循環(huán)狀況。然后輸出測量擺桿L3質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度與角加速度隨時(shí)間變化的曲線圖，測量E點(diǎn)的水平位移、水平速度與水平加速度隨時(shí)間變化的曲線圖，以及曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖，通過ADAMS 軟件的Postprocess模塊對各曲線進(jìn)行編輯測量。各曲線圖如圖4～9所示。

4結(jié)語

本文首先運(yùn)用解析法求解了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的解析解，然后，基于ADAMS軟件，建立了曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，通過運(yùn)動(dòng)分析與仿真，實(shí)現(xiàn)了滑塊工作點(diǎn)完成了預(yù)定的運(yùn)動(dòng)傳遞，運(yùn)轉(zhuǎn)速度符合設(shè)計(jì)要求。得到了曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)與搖桿擺動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、搖桿擺動(dòng)和滑塊作水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)曲線。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，曲柄擺桿機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)地推動(dòng)滑塊在規(guī)定行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。為快速、準(zhǔn)確的理論設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)提供理論與參考。

參考文獻(xiàn)

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[3] 段彥放，黃欣，董文鑫，黃昔光。基于ADAMS 的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析【J】北京：北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012。

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