CN106096166A - 基于adams的平面四杆机构多种型式的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ADAMS软件的平面四杆机构多种结构型式的模拟方法，首先在Ground上设置四个设计点Point1~Point4，通过上述四点分别创建Link1~Link4，然后通过对设计点坐标的参数化来改变杆件长度实现四杆机构的参数化，采用2Bodies‑1Location方法分别在Part1和Part2、Part2和Part3、Part3和Part4、Part4和Part1之间设置旋转副Rot1~Rot4，当杆件Link4作为机架，给旋转副Rot1施加旋转驱动Motion1，杆件Link1长度最短时，所建模型为曲柄摇杆机构；若作为机架的杆件Link4长度最短时，所建模型为双曲柄机构；当杆件中最短杆长度和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，即机构运动出现死点时，为双摇杆机构。本发明采用ADAMS软件对四杆机构进行参数化建模，通过更改杆件长度即可实现多种结构型式，便于机构动力学仿真分析，提高计算效率。

Description

基于ADAMS的平面四杆机构多种型式的模拟方法

技术领域

本发明涉及机械系统动力学仿真技术领域，尤其涉及一种基于ADAMS软件的平面四杆机构多种结构型式的模拟方法。

背景技术

四杆机构应用十分广泛，它不仅在中国工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星、太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等也都存在着四杆机构。四杆机构的演化，不仅是为了满足运动方面的要求，还往往是为了改善受力状况以及满足结构设计上的需要等。各种演化机构的外形虽然各不相同，但它们的性质以及分析和设计方法却常常是相同的或类似的，主要有几何法、分析法和实验法。几何法简单，但是只能求出机构某几个有限位置的对应关系，精度低；分析法计算复杂，理论计算结果与机构实际运动有偏差；实验法需要做实物模型，费时费力，效率低，成本高。这些方法都不便于对四杆机构的动力学特性进行研究。

在对四杆机构进行动力学分析过程中，利用计算机仿真技术对四杆机构各种演化机构进行分析研究非常有效，而ADAMS(Automatic Dynamic Analysis

of Mechanical Systems)软件是美国MDI（Mechanical Dynamics Inc.) 公司开发的虚拟样机分析软件，是当前世界上最负盛名的机械系统动力学仿真分析软件。在四杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。连杆平面上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，称为连杆曲线，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。虽然可以利用四杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其理论设计非常繁锁，且一般只能通过计算公式近似的得以满足。正因如此，采用ADAMS软件根据最优化方法来设计四杆机构，使其能最佳地满足设计要求，一直是四杆机构研究的一个重要课题。

相比于传统的几何法、分析法、实验法等分析设计方法，本发明利用ADAMS软件建立四杆机构模型并仿真模拟多种结构型式，可以实时输出机构运行状态，并不局限于某一特殊位置；机构模型建立后，仿真的结果是基于软件内部已设定的多体动力学算法进行计算的，摆脱了繁琐的计算公式，解放了人力，而计算的结果也较为精确，根据采样频率，可以提高输出的精度；利用ADAMS虚拟建模，若需要改变模型的结构型式，只需要进行关键位置或构件的调整即可，并不需要建立物理模型，节省了制造费用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于ADAMS软件的四杆机构多种结构型式的模拟方法，在ADAMS软件中建立四杆机构模型，通过设计变量参数化来改变各个杆件长度的几何关系，从而演化出曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，并结合工程应用对不同机构型式的运动特性进行分析，便于机构优化设计。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于ADAMS软件的四杆机构多种结构型式的模拟方法，包括以下步骤：

选择在Ground上创建四个设计点，分别是Point1、Point2、Point3、Point4；并对四个点的X、Y坐标进行变量设置，通过改变点的设计变量数值来改变点坐标的位置。

通过上述四点分别创建杆件Link1、Link2、 Link3和Link4，点Point1、Point2、Point3、Point4分别是杆件Link1、Link2、 Link3和Link4长度的控制点，通过对设计点坐标的参数化从而改变杆件的长度。

根据机构运动特征采用2Bodies-1Location方法分别在部件Part1和Part2、Part2和Part3、Part3和Part4、Part4和Part1之间设置旋转副Rot1、Rot2、Rot3和Rot4。

如果杆件Link4作为机架，采用固定副Fix1将Link4与Ground固定，给旋转副Rot1施加旋转驱动Motion1，通过调整设计点坐标将杆件Link1长度变为最短杆，该杆件能作整周旋转运动，此时所建模型为曲柄摇杆机构。

若杆件Link4作为机架，并且杆件Link4长度为最短杆时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3在一个运动周期里都可以作进行整周的转动，此时所建模型为双曲柄机构。

若杆件Link4作为机架，所建模型杆件中最短杆长度和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，即机构运动出现死点时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3都不能做整周的转动，此时所建模型为双摇杆机构。

杆件所施加的旋转驱动Motion1可以进行函数变量控制，通过改变变量数值来实现旋转驱动的参数化，可以对四杆机构的不同结构型式进行动力学仿真，有利于机构各项运动参数和力学参数的分析与对比，提高仿真效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对四杆机构不同的结构型式，通过ADAMS软件可以直观地分析其整体及各构件的运动和受力特性，定量分析机构的压力角和传动角变化对传力效果的影响，在ADAMS软件界面中直接通过数据曲线和仿真视频来表征机构的急回特性和死点发生的位置条件，并能实时输出各构件的运动学参数和力学参数数据，通过参数化建模可以实现四杆机构不同结构型式和不同构件尺寸在工程中实际应用的优化设计，简化了传统建模方法，大大降低了理论计算的工作量，提高了机构分析的准确度。

附图说明

图1是本发明的四杆机构动力学仿真模型示意图。

图2是设计点变量参数化设置图。

图3是曲柄摇杆机构中摇杆的角速度曲线图。

图4是双曲柄机构优化设计研究报告示意图。

图5是本发明一实施例的破碎机机构仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施例对本发明作进一步说明。

本实施例提供一种基于ADAMS软件的平面四杆机构多种结构型式的模拟方法，具体步骤如下：

选择在Ground上创建四个设计点，分别是Point1、Point2、Point3、Point4；

并对四个点的X、Y坐标进行变量设置，通过改变点的设计变量数值来改变设计点的位置，进而调整模型，达到参数化模型的目的。通过此步骤，模拟四杆机构各构件连接处的坐标位置，如图2所示。

通过上述四点分别创建杆件Link1、Link2、 Link3和Link4，点Point1、Point2、Point3、Point4分别是杆件Link1、Link2、 Link3和Link4长度的控制点，通过对设计点坐标的参数化从而改变杆件的长度。四杆机构模型以杆件Link1长度和P3点坐标为自变量，以杆件Link4长度为参变量，建立的设计变量将Link4长度和Link1长度、P3点坐标联系起来，DV_a、DV_b、DV_c分别为Link1长度系数、P3点横坐标系数、P3点纵坐标系数，通过改变系数来设置杆件的长度，建立的设计变量如表1所示。

表1 四杆机构设计变量一览表

变量名称	变量值
		P1_X	0.0
P1_Y	0.0
		P2_X	0.0
P2_Y	DV_a*P4_X
		P3_X	DV_b*P4_X
P3_Y	DV_c*P4_X
		P4_X	150.0
P4_Y	0.0
		DV_a	0.7
DV_b	1.3
		DV_c	1.3

根据机构运动特征采用2Bodies-1Location方法分别在Part1和Part2、Part2和Part3、Part3和Part4、Part4和Part1之间设置旋转副Rot1、Rot2、Rot3和Rot4。通过此步骤，模拟四杆机构各构件的旋转运动约束，如图1所示。

如果杆件Link4作为机架，采用固定副Fix1将Link4与Ground固定，给旋转副Rot1施加旋转驱动Motion1，通过调整设计点坐标将杆件Link1长度变为最短杆，该杆件能作整周旋转运动，通过此步骤，模拟曲柄摇杆机构的运动特征，可见Part1作为曲柄，它是输入构件，Part3为摇杆，测量摇杆的角速度特性曲线如图3所示。从曲线能够定量得到曲柄摇杆机构发生急回特性的时间段和速度变化情况。为了让曲柄摇杆机构获得最佳传动效果，应使最小传动角具有最大值，通过仿真得到最小传动角出现时刻，需要将杆件Link4长度为自变量，杆件Link1长度和P3点坐标为参变量，增设的设计变量和改动的设计变量如表2和表3所示。

表2 增设的设计变量

变量名	变量值
		DV_hengding	150
DV_d	1

表3 改动的设计变量

变量名	变量值
		P4_X	DV_hengding∗DV_d
P3_Y	DV_hengding∗DV_c
		P3_X	DV_hengding∗DV_b
P2_Y	DV_hengding∗DV_a

根据修改后的设计变量进行机构优化设计，自变量为DV_d，在DV_d的设计范围内进行迭代计算，最后得到DV_d=1.8作为机架系数，机构传动角有最大值，机构传力效果最佳。

若杆件Link4作为机架，并且杆件Link4长度为最短杆时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3在一个运动周期里都可以进行整周的转动，通过此步骤，模拟双曲柄机构的运动特征。利用双曲柄机构具有最小传动角进行优化设计，改动主动曲柄长度系数范围，最终得出方案研究报告如图4所示。根据得出的方案研究报告，得出主动曲柄系数变化范围（1.1≤DV_a≤1.68），在这个范围内，机构运动形式满足双曲柄机构的定义，并且随着系数的增大，最小传动角随之增大。通过仿真分析，得到DV_a=1.6时，机构为最佳传动双曲柄机构。

若杆件Link4作为机架，所建模型杆件中最短杆长度和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，即机构运动出现死点时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3都不能做整周的转动，通过此步骤，模拟双摇杆机构的运动特征。通过仿真分析，得到DV_a大于1.68时，机构为双摇杆机构。

杆件所施加的旋转驱动Motion1可以进行函数变量控制，利用函数编辑器参数化驱动，编辑函数为（A_N）∗1d∗time，其中A_N为杆件Link1的转速，通过改变变量数值来实现旋转驱动的参数化，可以对四杆机构的不同工况进行动力学仿真。通过此步骤，模拟四杆机构中原动件的运动特性，有利于机构各项运动参数和力学参数的分析与对比，提高仿真效率。

图5是本发明一实施例的破碎机机构仿真模型示意图。下面通过具体实例对本发明做进一步说明。

本实例为某一破碎机机械系统的动力输出特性模拟，破碎机主要工作机构为曲柄摇杆机构与固定破碎挡板组成的破碎单元，在现有计算条件下采用ADAMS软件应用等效法模拟力元输出，采用本发明的模拟方法来进行破碎机破碎单元的动力输出特性模拟，包括如下步骤：

步骤1：建立曲柄摇杆机构、固定破碎挡板、等效力弹簧等力学模型，并根据各个构件之间的运动和受力传递关系建立破碎单元的整体动力学仿真模型。

步骤2：利用本发明的方法，分别为曲柄摇杆机构的杆组建立相应的设计变量和设计点。

步骤3：建立曲柄摇杆机构的传动角测量和弹簧压力测量，得到机构的传动角变化曲线和动力特性输出。

步骤4：利用本发明的方法，根据传动角测量曲线进行设计分析得出最小传动角许用范围内的曲柄长度系数，利用曲柄长度系数范围和动力特性输出进行优化分析，得到输出力最大时的曲柄长度系数。

在ADAMS软件中利用本发明的模拟方法，对破碎机破碎单元最小传动角和动力特性输出模拟结果如下：

曲柄长度系数在0.55~0.82范围内最小传动角在许用范围内，在这个范围内机构的输出具有最好的传力效果。

机构运行时，在曲柄长度系数范围内最大传力为153.83N，出现在曲柄长度系数为0.82时，当系数大于0.82时，系统还可以输出更大力，但已经超过了最小传动角的许用范围。

本实例通过在破碎机破碎单元模拟中利用本发明的模拟方法，可以分析机构实现最佳传动效果的构件最佳几何关系。该方法考虑了四杆机构几何关系对机构形式、机构输出、机构应用等方面的影响，利用ADAMS的设计计算和优化分析得出满足设计需要的机构最合理形式，并简化了建模方式，提高了计算效率。

以上附图中所述内容均应被理解为示例性的，本发明不受这些示例的限制。尽管说明书中给出了四杆机构不同结构型式的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行各种更改或等同替换，显然，这些更改或等同替换均应包含在本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种基于ADAMS软件的平面四杆机构多种结构型式的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）选择在Ground上创建四个设计点，分别是Point1、Point2、Point3、Point4，并对四个点的X、Y坐标进行变量设置，通过改变点的设计变量数值来改变点坐标的位置；

2）通过上述四点分别创建杆件Link1、Link2、 Link3和Link4，点Point1、Point2、Point3、Point4分别是杆件Link1、Link2、 Link3和Link4长度的控制点，通过对设计点坐标的参数化从而改变杆件的长度；

3）根据机构运动特征采用2Bodies-1Location方法分别在部件Part1和Part2、Part2和Part3、Part3和Part4、Part4和Part1之间设置旋转副Rot1、Rot2、Rot3和Rot4；

4）如果杆件Link4作为机架，采用固定副Fix1将Link4与Ground固定，给旋转副Rot1施加旋转驱动Motion1，通过调整设计点坐标将杆件Link1长度变为最短杆，该杆件能作整周旋转运动，此时所建模型为曲柄摇杆机构；

5）若杆件Link4作为机架，并且杆件Link4长度为最短杆时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3在一个运动周期里都可以进行整周的转动，此时所建模型为双曲柄机构；

6）若杆件Link4作为机架，所建模型杆件中最短杆长度和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，即机构运动出现死点时，与之相连的两个连接杆Link1和Link3都不能做整周的转动，此时所建模型为双摇杆机构；

7）杆件所施加的旋转驱动Motion1可以进行函数变量控制，通过改变变量数值来实现旋转驱动的参数化，可以对四杆机构的不同结构型式进行动力学仿真，有利于机构各项运动参数和力学参数的分析与对比，提高仿真效率。