基于ADAMS的平面四连杆机构仿真分析

王新海， 陈志华

（1.九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005；2.北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）

0 引言

平面四连杆机构是机械领域中重要的组成部分，它可以满足各种各样的运动要求，其组成结构相对简单、成本低、结构紧凑，在机械自动化控制中的应用较为广泛，例如四自由度工业机器人[1]、液压支架[2]、汽车设计[3]等。

利用仿真软件来设计平面四连杆机构的运动特性，其设计方法和原理相对简单明了。因此，我们可以利用ADAMS软件强大的运动学和动力学功能，快速、准确、有效地仿真出四杆机构的运动特性，为今后设计四杆机构上创造有利的条件。

1 虚拟样机技术和ADAMS软件阐述

虚拟样机技术就是利用软件所能提供的各个零件的几何尺寸及物理信息，然后根据各个零件的基本信息，利用计算机对组成机械系统的各个零件进行虚拟装配，从而获取产品在计算机上的数字模型，即可称之为虚拟样机，进而对其进行仿真分析[4-5]。这种方法最直接的好处在于，设计人员能够在计算机上进行多次实验测试和仿真，仿真出多种实验方案，最终得到满足设计要求的最优结果。避免了传统设计方法的弊端，从而在一定程度上缩短了开发周期，降低了开发成本，提高了产品的质量[8]。

ADAMS软件是由美国公司研发出来的一款具有强大功能的仿真软件，它把建模、求解、可视化技术集合在一起。ADAMS软件有很多模块，其中最主要的模块是ADAMS/View（用户界面模块）和ADAMS/Solver（求解器）。这2个模块功能很强大，可以对我们现有的大部分机械模块进行仿真。在实验仿真过程所需要的模型可以利用2种不同的方法建立：一是直接在ADAMS环境下进行实体建模，然后进行仿真；二是利用三维建模软件（如Pro/E、SolidWorks及其他软件）建立好的模型直接导入到ADAMS软件中，然后添加相关约束副、驱动力和力矩，即而进行仿真。

2 四杆机构仿真分析实例

2.1 四杆机构分类

很多机械领域中都用到了四连杆机构。一般四连杆机构分为：曲柄摇杆机构、双曲柄以及双摇杆机构[7]。

2.2 从动件运动规律的实例化

四连杆机构是机械原理课程的重要部分。学习并分析四连杆机构的运动特性，为四连杆机构的设计应用打下坚实的基础[8]。

根据四连杆杆长的设计原则（即式（1）所示的杆长定律公式），在这里我们给出仿真过程中4个杆长的具体长度为：曲柄AB=120 mm，连杆BC=250 mm，从动杆CD=260 mm，机架AD=300 mm。具体原理图如图1所示。

图1 四连杆机构建模图

四连杆机构的杆长定律公式为：

根据式（1），将图1中已知数据代入，我们可以得到式（2），且我们设计给出的数据满足杆长定律，验证了我们数据的准确性，具体公式如下:

3 ADAMS仿真四杆机构过程

四连杆模型仿真实验有2种建立方法：一种是通过Pro/E或者UG三维软件建模，然后导入到ADAMS软件中进行仿真实验；另外一种方法就是直接在ADAMS里面建模并加以仿真。由于四连杆机构相对简单，我们采用方法二，即直接在ADAMS里面进行建模仿真。

3.1 ADAMS环境设置

首先，在ADAMS软件菜单栏选项中的Setting项设置工作网格，x轴方向的两点间距为10 mm，y轴方向的两点间距为10 mm。这样设置的目的在于方便在建模过程中进行点的定位。

3.2 ADAMS中建立模型

在ADAMS软件界面操作区“Bodies”项的“Solids”中，点击“RigidBody：Link”图标，在“Length”中设置杆长，即：曲柄AB=120 mm，连杆BC=250 mm，从动杆CD=260 mm，机架AD=300 mm。最后点击完成，显示出四连杆具体模型如图2所示。

图2 四连杆机构建模图

3.3 四连杆机构运动副

四连杆机构中只涉及到转动副，在ADAMS软件界面操作区“Connectors”项的“Joints”中，点击“CreateaRev olute Joint”图标，分别对4机架与曲柄AB，曲柄AB与连杆BC，连杆BC与从动件CD，以及从动件CD与机架AD之间添加转动副转动副约束。

3.4 施加驱动

图3 完整机构模型

只有在给曲柄AB施加驱动力时候，整个四连杆机构才会运动起来。同理，在ADAMS软件界面操作区“Motions”项的“Joint Motions”中，点击“Rotational Joint Motions”图标，在“Speed”中设置曲柄AB角速度w=1rad/s。在设置好以上环境后，保存完整机构模型如图3所示。

3.5 应用ADAMS软件对四杆机构仿真分析

在目前机械设计制造领域中，虚拟样机技术可以说是领先技术，机械虚拟仿真技术是我们设计机械产品不可或缺的仿真工具，虚拟仿真技术的利用可以提高产品设计效率，通过仿真模型，我们可以直观、生动地了解产品的特性。

通过仿真软件ADAMS实体建模，并对模型进行运动仿真，使得整个凸轮机构形象化、可视化，而且运动过程更加精确，促使我们更加精确地得到凸轮从动件相对凸轮中心的位移、速度、加速度，从而验证了运动特性的准确性[10-12]。

根据上述设置工作环境和四连杆机构的相关数据，我们可以仿真得到以下2种特性角[13-15]仿真实验数据，即：连杆BC与从动件CD之间传动角γ，摇杆CD两个极限位置之间的摆角φ。2个角度随时间的变化如图4～图5所示。

图4 连杆BC与从动件CD之间传动角γ随时间的变化

图5 从动件CD两个极限位置之间的摆角φ随时间的变化

3.6 仿真数据与测量结果对比分析

四连杆机构设计实验中，实际测量数据和计算仿真实验数据具有一定的作用，两者进行比较，才能更加具有说服力，也能充分体现设计人员的实验分析能力。但是在实际测量过程中，由于外界原因干涉，使得实际测量数据和计算仿真实验数据存在一定的误差，是人为不可控制的。根据实际测量和计算，利用余弦定理我们可以计算出摇杆CD在2个极限位置之间摆角φ，可得：

根据式（3），将杆长数据代入计算得φ≈56.7868°，而且在ADAMS仿真图中也可以得到φ≈56.6658°，摆角两种结果列在表1所示。

表1 摆角φ理论计算与仿真数据对比 （°）

根据表1可以看出，仿真得到的数据更加准确，误差为零，而实际测量过程由于外界因素的干扰，存在一定的误差，且此次分析得到的误差为0.0038%。因此，利用ADAMS软件分析得到的数据与理论计算误差较小，验证了我们ADAMS软件分析数据的准确性和可靠性。

4 结论

根据数据对比可以看出，传统实验测量数据存在一定的误差，数据的准确性受外界干扰，例如人为因素取值、设备的精确度，以及周围环境等等。只有改变这些因素，才能提高数据的精确度。另外ADAMS软件仿真得到的数据准确，误差为零，更好地解决了四连杆机构设计过程复杂、计算误差较大问题，为实验教学打下良好的基础，更能验证了ADAMS软件分析数据的准确性和可靠性。

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