基于ADAMS的四連桿機構(gòu)運動學分析

任曉路

（九州職業(yè)技術學院， 山東 新泰 221116）

引言

四連桿機構(gòu)是一種較為常見且尤為重要的機構(gòu)，不同的機構(gòu)桿件之間，需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)動副連接，由此平面四連桿機構(gòu)通常也被稱之為鉸鏈四連桿機構(gòu)[1]。四連桿機構(gòu)具備諸多優(yōu)勢特點，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，且工作應用質(zhì)量比較可靠，被廣泛地應用于機床、機械等工作中。隨著計算機信息技術的不斷創(chuàng)新和研發(fā)，計算機仿真教學更成為實驗室教學開展中一種尤為重要的教學變革方式[2]。本次研究基于ADAMS展開對四連桿機構(gòu)仿真運動學分析，為研究型實驗教學開展提供可行性思路及相應做法[3-4]。

1 機械仿真軟件簡述

機械方陣分析主要包括三類：幾何建模、結(jié)構(gòu)分析和運動學分析。

1.1 幾何建模

通過借助CAD等幾何建模軟件，在實驗過程中借助軟件所存在的圖像轉(zhuǎn)換以及交互技術，達到曲面、實體等不同造型的技術類繪畫[5]。當前被廣泛應用的幾何建模仿真軟件，主要包括了Auto CAD、SolidWorks、SolidEdge以及Pro/E等[6]。在應用Auto CAD仿真軟件的過程中，該軟件具備了較為強大的二維繪圖編輯功能，但是該軟件同樣存在一定不足之處，就是通過在將實體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虉D的具體操作過程中，整體步驟相對比較繁瑣。通過借助SolidWorks、SolidEdge以及Pro/E軟件，能夠更加直觀且精準地實現(xiàn)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時SolidEdge在應用中，還具備相應的建模同步技術，而Pro/E軟件則可以更加細化參數(shù)概念。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)類軟件完成對復雜構(gòu)件的應力、變形、位移等多種計算問題解決的過程中，通過有限元理論展開對其分析解答。其中較為常用的軟件包括了ANSYS以及MARC和AVAQUS等[7]，除此之外還包括諸多專業(yè)度較高的軟件。其中在我國大專、本科類院校教學中，較為廣泛應用的軟件主要為ANSYS。MARC軟件則具備較為精準的計算結(jié)果，但是在使用中對使用者的技術專業(yè)水平要求較高。

1.3 運動學分析

基于多系統(tǒng)動力學理論完成系統(tǒng)動力學方程的構(gòu)建，通過對機械系統(tǒng)所展開的多項運動進行模擬，對具體的角速度、位移、反作用力以及有關速度等詳細反映。其中運動學分析中，較為常用的軟件主要包括了ADMS以及SIMPACK等[8]。這兩種軟件在應用中均存在不同的功能板塊。比如在借助ADMS軟件中，在View、Solver以及Post Processer三個基本模塊的基礎之上，還包括了Car以及Flex等。ADAMS軟件被廣泛應用，具備了較全的學習資料。由此本次研究基于ADAMS軟件，展開四連桿機構(gòu)運動學分析。

2 傳統(tǒng)四連桿機構(gòu)設計實驗方法

在四連桿的機構(gòu)設計特性中，機械原理實驗尤為關鍵。通過對四欄桿的結(jié)構(gòu)特性加以分析，在一定程度上為機械類創(chuàng)新設計打下了更為堅實的基礎，同時更行之有效地提升了機械類原理課程的設計水平。在實驗教學開展中，通過要求學生能夠自主設計，可以滿足桿長條件的4個桿長數(shù)據(jù)。之后在教學過程中，為了提升此種教學實驗效果，確定每一根桿的長度均在10 mm以上。筆者選用100 mm長度的AB（原動件）、240 mm的 BC（連架桿）以及 300 mm的CD（動件），還有330 mm的AD（機架）進行實驗，通過將所選擇的4根桿，在ZBS-C的運動設計試驗臺（如下頁圖1所示），完成實際桿的搭接之后，將AB作為原動件，通過以AD作為機架展開具體測量。最后通過經(jīng)AB最短桿轉(zhuǎn)動之后，確保能夠達到定軸轉(zhuǎn)動，對該機構(gòu)的具體運動情況加以觀察，分析其中的特性角：極位夾角θ、傳動角γ、擺角φ。

圖1 機構(gòu)示意圖

在實驗室中采用鋼板尺側(cè)量具體桿長度，采用半圓儀測量角度量。轉(zhuǎn)動原動件1周，之后與連架桿之間完成2次共線，那么原動件1兩次與機架4之間的夾角差，即θ。在此測量的過程中，原動件3能夠與機架4之間形成的夾角差，即φ，而連動桿3與動件4之間所形成的夾角，即γ。最終所測量結(jié)果為θ=15°，φ=43°。

3 ADAMS仿真實驗法

基于ADAMD軟件完成幾何模型的構(gòu)建，首先要完成工作環(huán)境設置，均設置為10 mm的網(wǎng)格，以便后續(xù)建模定位精準。然后通過選擇Link單元作為幾何建模工具集，選擇等同傳統(tǒng)模型桿長的四連桿機構(gòu)，在創(chuàng)建成功之后所顯示的實體模型如圖2所示。

圖2ADAMS模型建立

由于構(gòu)成平面機構(gòu)的所有構(gòu)建都是低副、轉(zhuǎn)動副和移動副，而平面四桿機構(gòu)只用其中的轉(zhuǎn)動副，所以選擇約束工具集中的轉(zhuǎn)動副，完成轉(zhuǎn)動副與四連桿機構(gòu)不同機架的連接。在機構(gòu)AB以及大地之間的相接部位增加運動，并將其動力設置為360 N·s/m2，也就實現(xiàn)了AB機架可以轉(zhuǎn)動1周，在加運動副以及動力之后，具體的完成模型如圖3所示。之后在軟件工具箱中設置機構(gòu)運動的結(jié)束間隔時間，即2 s，具體的步長設置為500 mm，展開運行后即可對機構(gòu)的具體運行情況清楚反映，并且能夠?qū)Σ介L及間隔時間加以改變，從而機構(gòu)的運動速度隨之改變。

通過完成對θ、φ、γ三個角的分別測量（如圖4、圖5所示），經(jīng)ADAMS軟件處理后起到尤為顯著的測量效果，完成了對角度、速度、加速度、角加速度以及不同受力點的變化情況，具體如圖6所示。

圖3 平面機構(gòu)模型

圖4 傳動角變化

圖5 桿L1角度測量

圖6 B點例與力矩圖

4 傳統(tǒng)實驗與ADAMS仿真實驗結(jié)果對比分析

在本部分測量實驗中，傳統(tǒng)實驗提及的三個角分別為極位夾角θ、擺角φ和傳動角γ。通過針對四連桿機構(gòu)運動學展開傳統(tǒng)實驗及仿真實驗的對比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗能夠在一定程度上有效鍛煉學生的具體動手實踐操作能力。但同時會由于存在人為、設備以及環(huán)境的多方面因素，導致實驗結(jié)果精準度受到較大影響，從而存在較大不可控性及偶然性。通過借助ADAMS軟件完成仿真實驗，并經(jīng)由余弦定理公式理論，可以得出如下公式：

通過上述公式最終可以求得φ=40°，由此發(fā)現(xiàn)ADAMS軟件可以較為快速且精準的求出φ值為40°，因此相較傳統(tǒng)實驗，ADAMS軟件的仿真實驗具備了更大的使用優(yōu)勢。其中還有直觀的一點，就是計算機仿真實驗平臺能夠更好地實現(xiàn)對四連桿機構(gòu)的深入研究，從而確保整體信息的獲取全面性。而借助ADAMS軟件實現(xiàn)仿真實驗，可以針對受力及受力矩的具體情況加以測量，而傳統(tǒng)的實驗室則無法實現(xiàn)。除此之外，ADAMS軟件仿真實驗還能夠?qū)υ瓌蛹杆俑淖?，從而避免“死點”的出現(xiàn)，以期創(chuàng)造設計出更加合理化的平面機構(gòu)。

5 結(jié)論

通過對本次四連桿機構(gòu)的運動學分析借助ADAMS仿真軟件對比分析傳統(tǒng)實驗室可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗室的物理實驗開展，雖然能夠培養(yǎng)學生的動手操作力，但是仍然存在諸多實驗影響因素，且整體實驗操作過程尤為復雜。通過運動學仿真軟件實驗分析發(fā)現(xiàn)，該軟件可以突破平面圖紙的分析局限，從而賦予整個實驗過程動態(tài)化、直觀化、方便化，從而有效彌補了傳統(tǒng)實驗室操作中所容易受到的環(huán)境、時間、設備、人員等諸多因素的影響。經(jīng)過本次仿真實驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，ADAMS仿真軟件輔助教學能夠在四連桿機構(gòu)運動學的教學中起到有效的應用價值。