基于ADAMS 的曲柄擺桿機構的運動分析

程熊豪

摘要：曲柄擺桿機構能將旋轉運動轉換為直線運動，常常作為動力源（如旋轉式電動機）與直線運動形式的執行機構，是現代機械設備中一種十分常見的核心執行裝置。針對某工程中曲柄擺桿機構設計中的運動學問題，基于ADAMS仿真軟件建立了曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型，并對虛擬樣機模型進行運行學特性分析與仿真，分析了作為執行機構的滑塊上工作點的位移、運動速度和加速度變化規律，得出作為動力輸入曲柄的驅動力矩曲線，從而為曲柄擺桿機構的結構設計和控制系統的計提供參考。

關鍵詞：曲柄擺桿運動分析 ADAMS 機構

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

曲柄擺桿機構因為具有構件形狀簡單、加工方便、可承受較大載荷等諸多優點，因此，曲柄擺桿機構在現代機械設備中有著非常廣泛的應用。該機構可以將周期轉動的運動形式轉化為直線運動，而且因具有結構簡單、制造容易、工作可靠等優點，因此在工程中得到了廣泛的應用。最典型的是牛頭刨床機構。但是，傳統的曲柄擺桿機構設計多采用圖解法或實驗法，其過程復雜繁瑣、設計周期長、穩定性差、精度不高，難以達到設計要求；盡管采用解析法可以得到較高的計算精度，但該方法存在推導公式復雜，計算工作量大，且獲得的結果過于抽象，達不到形象直觀的要求。

ADAMS是機械系統動態仿真軟件的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析，可視化地輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。通過ADAMS軟件對曲柄擺桿機構進行運動學分析，能夠克服圖解法分析過程復雜、精度低等問題。

針對某一項目中，利用曲柄擺桿機構的滑塊作往復直線運動的功能，實現滑塊到達目標位置后可以回到初始位置的基本動作。同時，設計曲柄擺桿機構時需要對其進行運動分析，以判斷能否完成所需動作要求。本先基于解析法獲得了曲柄擺桿機構的解析解；然后，基于ADAMS軟件建立曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型，然后進行運動仿真，輸出擺桿上工作點的水平位移、水平速度、水平加速度曲線，從而完成了曲柄擺桿機構的運動學特性分析與仿真，很直觀的獲得作為動力輸入的曲柄的驅動力矩曲線，從而為曲柄擺桿機構的結構設計和控制系統的設計提供參考。

1機構的數學模型

曲柄擺桿機構如圖1所示，機構中曲柄為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虛擬樣機模型的建立

如圖1所示的曲柄擺桿機構中，其角速度為1=1rad/s，逆時針方向轉動，曲柄的初始位置與水平位置垂直。曲柄AB作圓周運動，帶動擺桿CD在一定角度范圍內往復擺動，從而實現滑塊上的E點在一定范圍內作直線運動，項目要求滑塊的正向最大位移為90mm，反向最大位移為380MM，總運動行程在450MM～600MM之間。對滑塊上的E點進行運動分析，能夠判斷曲柄擺桿機構設計是否合理以及能否推動滑塊到達規定行程。

根據圖1所示的曲柄擺桿機構的結構參數，在ADAMS軟件的View模塊中構建各桿，然后在各桿的連接位置定義旋轉約束，滑塊與機架之間定義為水平移動副，并把機架固定在地面上以便進行運動仿真，最后在曲柄上定義旋轉驅動，建立虛擬樣機模型3運動仿真與分析

對曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型進行運動仿真，設置運動仿真時間為15秒，曲柄擺桿機構運動超過兩個周期，可以清楚地觀察到其兩個周期的運動循環狀況。然后輸出測量擺桿L3質心轉動的角速度與角加速度隨時間變化的曲線圖，測量E點的水平位移、水平速度與水平加速度隨時間變化的曲線圖，以及曲柄的驅動力矩曲線圖，通過ADAMS 軟件的Postprocess模塊對各曲線進行編輯測量。

摘要：曲柄擺桿機構能將旋轉運動轉換為直線運動，常常作為動力源（如旋轉式電動機）與直線運動形式的執行機構，是現代機械設備中一種十分常見的核心執行裝置。針對某工程中曲柄擺桿機構設計中的運動學問題，基于ADAMS仿真軟件建立了曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型，并對虛擬樣機模型進行運行學特性分析與仿真，分析了作為執行機構的滑塊上工作點的位移、運動速度和加速度變化規律，得出作為動力輸入曲柄的驅動力矩曲線，從而為曲柄擺桿機構的結構設計和控制系統的設計提供參考。

關鍵詞：曲柄擺桿運動分析 ADAMS 機構

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

曲柄擺桿機構因為具有構件形狀簡單、加工方便、可承受較大載荷等諸多優點，因此，曲柄擺桿機構在現代機械設備中有著非常廣泛的應用。該機構可以將周期轉動的運動形式轉化為直線運動，而且因具有結構簡單、制造容易、工作可靠等優點，因此在工程中得到了廣泛的應用。最典型的是牛頭刨床機構。但是，傳統的曲柄擺桿機構設計多采用圖解法或實驗法，其過程復雜繁瑣、設計周期長、穩定性差、精度不高，難以達到設計要求；盡管采用解析法可以得到較高的計算精度，但該方法存在推導公式復雜，計算工作量大，且獲得的結果過于抽象，達不到形象直觀的要求。

ADAMS是機械系統動態仿真軟件的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析，可視化地輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。通過ADAMS軟件對曲柄擺桿機構進行運動學分析，能夠克服圖解法分析過程復雜、精度低等問題。

針對某一項目中，利用曲柄擺桿機構的滑塊作往復直線運動的功能，實現滑塊到達目標位置后可以回到初始位置的基本動作。同時，設計曲柄擺桿機構時需要對其進行運動分析，以判斷能否完成所需動作要求。本先基于解析法獲得了曲柄擺桿機構的解析解；然后，基于ADAMS軟件建立曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型，然后進行運動仿真，輸出擺桿上工作點的水平位移、水平速度、水平加速度曲線，從而完成了曲柄擺桿機構的運動學特性分析與仿真，很直觀的獲得作為動力輸入的曲柄的驅動力矩曲線，從而為曲柄擺桿機構的結構設計和控制系統的設計提供參考。

1 機構的數學模型

---2虛擬樣機模型的建立

如圖1所示的曲柄擺桿機構中，其角速度為1=1rad/s，逆時針方向轉動，曲柄的初始位置與水平位置垂直。曲柄AB作圓周運動，帶動擺桿CD在一定角度范圍內往復擺動，從而實現滑塊上的E點在一定范圍內作直線運動，項目要求滑塊的正向最大位移為90mm，反向最大位移為380MM，總運動行程在450MM～600MM之間。對滑塊上的E點進行運動分析，能夠判斷曲柄擺桿機構設計是否合理以及能否推動滑塊到達規定行程。

根據圖1所示的曲柄擺桿機構的結構參數，在ADAMS軟件的View模塊中構建各桿，然后在各桿的連接位置定義旋轉約束，滑塊與機架之間定義為水平移動副，并把機架固定在地面上以便進行運動仿真，最后在曲柄上定義旋轉驅動，建立虛擬樣機模型如圖2所示。

3運動仿真與分析

對曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型進行運動仿真，設置運動仿真時間為15秒，曲柄擺桿機構運動超過兩個周期，可以清楚地觀察到其兩個周期的運動循環狀況。然后輸出測量擺桿L3質心轉動的角速度與角加速度隨時間變化的曲線圖，測量E點的水平位移、水平速度與水平加速度隨時間變化的曲線圖，以及曲柄的驅動力矩曲線圖，通過ADAMS 軟件的Postprocess模塊對各曲線進行編輯測量。各曲線圖如圖4～9所示。

4結語

本文首先運用解析法求解了曲柄擺桿機構的解析解，然后，基于ADAMS軟件，建立了曲柄擺桿機構的虛擬樣機模型，通過運動分析與仿真，實現了滑塊工作點完成了預定的運動傳遞，運轉速度符合設計要求。得到了曲柄轉動與搖桿擺動之間的運動關系、搖桿擺動和滑塊作水平直線往復運動的運動曲線。通過運動學分析可知，曲柄擺桿機構能夠平穩地推動滑塊在規定行程內運動，實現所需的運動。為快速、準確的理論設計和控制電路設計提供理論與參考。

參考文獻

[1] 孫桓，陳作模。機械原理【M】北京：高等教育出版社，2001.

[2] 劉晉霞，胡仁喜，康士廷。ADAMS2012虛擬樣機從入門到精通【M】北京：機械工業出版社，2013。

[3] 段彥放，黃欣，董文鑫，黃昔光。基于ADAMS 的曲柄搖桿機構的運動分析【J】北京：北方工業大學機電工程學院，2012。

[4] 鄭文緯，吳克堅.機械原理【M】北京：高等教育出版社，1997.