基于ADAMS的平面四連桿機(jī)構(gòu)仿真分析

王新海， 陳志華

（1.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西九江332005；2.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100192）

0 引言

平面四連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械領(lǐng)域中重要的組成部分，它可以滿足各種各樣的運(yùn)動(dòng)要求，其組成結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊，在機(jī)械自動(dòng)化控制中的應(yīng)用較為廣泛，例如四自由度工業(yè)機(jī)器人[1]、液壓支架[2]、汽車設(shè)計(jì)[3]等。

利用仿真軟件來(lái)設(shè)計(jì)平面四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，其設(shè)計(jì)方法和原理相對(duì)簡(jiǎn)單明了。因此，我們可以利用ADAMS軟件強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)功能，快速、準(zhǔn)確、有效地仿真出四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，為今后設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)上創(chuàng)造有利的條件。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)和ADAMS軟件闡述

虛擬樣機(jī)技術(shù)就是利用軟件所能提供的各個(gè)零件的幾何尺寸及物理信息，然后根據(jù)各個(gè)零件的基本信息，利用計(jì)算機(jī)對(duì)組成機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)零件進(jìn)行虛擬裝配，從而獲取產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上的數(shù)字模型，即可稱之為虛擬樣機(jī)，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行仿真分析[4-5]。這種方法最直接的好處在于，設(shè)計(jì)人員能夠在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真，仿真出多種實(shí)驗(yàn)方案，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)結(jié)果。避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的弊端，從而在一定程度上縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量[8]。

ADAMS軟件是由美國(guó)公司研發(fā)出來(lái)的一款具有強(qiáng)大功能的仿真軟件，它把建模、求解、可視化技術(shù)集合在一起。ADAMS軟件有很多模塊，其中最主要的模塊是ADAMS/View（用戶界面模塊）和ADAMS/Solver（求解器）。這2個(gè)模塊功能很強(qiáng)大，可以對(duì)我們現(xiàn)有的大部分機(jī)械模塊進(jìn)行仿真。在實(shí)驗(yàn)仿真過程所需要的模型可以利用2種不同的方法建立：一是直接在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行實(shí)體建模，然后進(jìn)行仿真；二是利用三維建模軟件（如Pro/E、SolidWorks及其他軟件）建立好的模型直接導(dǎo)入到ADAMS軟件中，然后添加相關(guān)約束副、驅(qū)動(dòng)力和力矩，即而進(jìn)行仿真。

2 四桿機(jī)構(gòu)仿真分析實(shí)例

2.1 四桿機(jī)構(gòu)分類

很多機(jī)械領(lǐng)域中都用到了四連桿機(jī)構(gòu)。一般四連桿機(jī)構(gòu)分為：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄以及雙搖桿機(jī)構(gòu)[7]。

2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)例化

四連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械原理課程的重要部分。學(xué)習(xí)并分析四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，為四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

根據(jù)四連桿桿長(zhǎng)的設(shè)計(jì)原則（即式（1）所示的桿長(zhǎng)定律公式），在這里我們給出仿真過程中4個(gè)桿長(zhǎng)的具體長(zhǎng)度為：曲柄AB=120 mm，連桿BC=250 mm，從動(dòng)桿CD=260 mm，機(jī)架AD=300 mm。具體原理圖如圖1所示。

圖1 四連桿機(jī)構(gòu)建模圖

四連桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)定律公式為：

根據(jù)式（1），將圖1中已知數(shù)據(jù)代入，我們可以得到式（2），且我們?cè)O(shè)計(jì)給出的數(shù)據(jù)滿足桿長(zhǎng)定律，驗(yàn)證了我們數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，具體公式如下:

3 ADAMS仿真四桿機(jī)構(gòu)過程

四連桿模型仿真實(shí)驗(yàn)有2種建立方法：一種是通過Pro/E或者UG三維軟件建模，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；另外一種方法就是直接在ADAMS里面建模并加以仿真。由于四連桿機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，我們采用方法二，即直接在ADAMS里面進(jìn)行建模仿真。

3.1 ADAMS環(huán)境設(shè)置

首先，在ADAMS軟件菜單欄選項(xiàng)中的Setting項(xiàng)設(shè)置工作網(wǎng)格，x軸方向的兩點(diǎn)間距為10 mm，y軸方向的兩點(diǎn)間距為10 mm。這樣設(shè)置的目的在于方便在建模過程中進(jìn)行點(diǎn)的定位。

3.2 ADAMS中建立模型

在ADAMS軟件界面操作區(qū)“Bodies”項(xiàng)的“Solids”中，點(diǎn)擊“RigidBody：Link”圖標(biāo)，在“Length”中設(shè)置桿長(zhǎng)，即：曲柄AB=120 mm，連桿BC=250 mm，從動(dòng)桿CD=260 mm，機(jī)架AD=300 mm。最后點(diǎn)擊完成，顯示出四連桿具體模型如圖2所示。

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)建模圖

3.3 四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副

四連桿機(jī)構(gòu)中只涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)副，在ADAMS軟件界面操作區(qū)“Connectors”項(xiàng)的“Joints”中，點(diǎn)擊“CreateaRev olute Joint”圖標(biāo)，分別對(duì)4機(jī)架與曲柄AB，曲柄AB與連桿BC，連桿BC與從動(dòng)件CD，以及從動(dòng)件CD與機(jī)架AD之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副約束。

3.4 施加驅(qū)動(dòng)

圖3 完整機(jī)構(gòu)模型

只有在給曲柄AB施加驅(qū)動(dòng)力時(shí)候，整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)才會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。同理，在ADAMS軟件界面操作區(qū)“Motions”項(xiàng)的“Joint Motions”中，點(diǎn)擊“Rotational Joint Motions”圖標(biāo)，在“Speed”中設(shè)置曲柄AB角速度w=1rad/s。在設(shè)置好以上環(huán)境后，保存完整機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

3.5 應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)四桿機(jī)構(gòu)仿真分析

在目前機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中，虛擬樣機(jī)技術(shù)可以說是領(lǐng)先技術(shù)，機(jī)械虛擬仿真技術(shù)是我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品不可或缺的仿真工具，虛擬仿真技術(shù)的利用可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，通過仿真模型，我們可以直觀、生動(dòng)地了解產(chǎn)品的特性。

通過仿真軟件ADAMS實(shí)體建模，并對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，使得整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)形象化、可視化，而且運(yùn)動(dòng)過程更加精確，促使我們更加精確地得到凸輪從動(dòng)件相對(duì)凸輪中心的位移、速度、加速度，從而驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)特性的準(zhǔn)確性[10-12]。

根據(jù)上述設(shè)置工作環(huán)境和四連桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，我們可以仿真得到以下2種特性角[13-15]仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即：連桿BC與從動(dòng)件CD之間傳動(dòng)角γ，搖桿CD兩個(gè)極限位置之間的擺角φ。2個(gè)角度隨時(shí)間的變化如圖4～圖5所示。

圖4 連桿BC與從動(dòng)件CD之間傳動(dòng)角γ隨時(shí)間的變化

圖5 從動(dòng)件CD兩個(gè)極限位置之間的擺角φ隨時(shí)間的變化

3.6 仿真數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的作用，兩者進(jìn)行比較，才能更加具有說服力，也能充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的實(shí)驗(yàn)分析能力。但是在實(shí)際測(cè)量過程中，由于外界原因干涉，使得實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，是人為不可控制的。根據(jù)實(shí)際測(cè)量和計(jì)算，利用余弦定理我們可以計(jì)算出搖桿CD在2個(gè)極限位置之間擺角φ，可得：

根據(jù)式（3），將桿長(zhǎng)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得φ≈56.7868°，而且在ADAMS仿真圖中也可以得到φ≈56.6658°，擺角兩種結(jié)果列在表1所示。

表1 擺角φ理論計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比 （°）

根據(jù)表1可以看出，仿真得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，誤差為零，而實(shí)際測(cè)量過程由于外界因素的干擾，存在一定的誤差，且此次分析得到的誤差為0.0038%。因此，利用ADAMS軟件分析得到的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算誤差較小，驗(yàn)證了我們ADAMS軟件分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的誤差，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受外界干擾，例如人為因素取值、設(shè)備的精確度，以及周圍環(huán)境等等。只有改變這些因素，才能提高數(shù)據(jù)的精確度。另外ADAMS軟件仿真得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差為零，更好地解決了四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、計(jì)算誤差較大問題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)，更能驗(yàn)證了ADAMS軟件分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

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