基于ADAMS的四連桿機構運動學分析

任曉路

（九州職業技術學院， 山東 新泰 221116）

引言

四連桿機構是一種較為常見且尤為重要的機構，不同的機構桿件之間，需要實現轉動副連接，由此平面四連桿機構通常也被稱之為鉸鏈四連桿機構[1]。四連桿機構具備諸多優勢特點，整體結構較為簡單，且工作應用質量比較可靠，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新和研發，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、結構分析和運動學分析。

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變為工程圖的具體操作過程中，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組件內部結構。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概念。

1.2 結構分析

在實現結構類軟件完成對復雜構件的應力、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果，但是在使用中對使用者的技術專業水平要求較高。

1.3 運動學分析

基于多系統動力學理論完成系統動力學方程的構建，通過對機械系統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，展開四連桿機構運動學分析。

2 傳統四連桿機構設計實驗方法

在四連桿的機構設計特性中，機械原理實驗尤為關鍵。通過對四欄桿的結構特性加以分析，在一定程度上為機械類創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個桿長數據。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AB最短桿轉動之后，確保能夠達到定軸轉動，對該機構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 機構示意圖

在實驗室中采用鋼板尺側量具體桿長度，采用半圓儀測量角度量。轉動原動件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建，首先要完成工作環境設置，均設置為10 mm的網格，以便后續建模定位精準。然后通過選擇Link單元作為幾何建模工具集，選擇等同傳統模型桿長的四連桿機構，在創建成功之后所顯示的實體模型如圖2所示。

圖2ADAMS模型建立

由于構成平面機構的所有構建都是低副、轉動副和移動副，而平面四桿機構只用其中的轉動副，所以選擇約束工具集中的轉動副，完成轉動副與四連桿機構不同機架的連接。在機構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，也就實現了AB機架可以轉動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運動的結束間隔時間，即2 s，具體的步長設置為500 mm，展開運行后即可對機構的具體運行情況清楚反映，并且能夠對步長及間隔時間加以改變，從而機構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 傳統實驗與ADAMS仿真實驗結果對比分析

在本部分測量實驗中，傳統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運動學展開傳統實驗及仿真實驗的對比分析發現，傳統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、設備以及環境的多方面因素，導致實驗結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°，由此發現ADAMS軟件可以較為快速且精準的求出φ值為40°，因此相較傳統實驗，ADAMS軟件的仿真實驗具備了更大的使用優勢。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對四連桿機構的深入研究，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，而傳統的實驗室則無法實現。除此之外，ADAMS軟件仿真實驗還能夠對原動件迅速改變，從而避免“死點”的出現，以期創造設計出更加合理化的平面機構。

5 結論

通過對本次四連桿機構的運動學分析借助ADAMS仿真軟件對比分析傳統實驗室可以發現，傳統實驗室的物理實驗開展，雖然能夠培養學生的動手操作力，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現，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化、直觀化、方便化，從而有效彌補了傳統實驗室操作中所容易受到的環境、時間、設備、人員等諸多因素的影響。經過本次仿真實驗結果對比分析發現，ADAMS仿真軟件輔助教學能夠在四連桿機構運動學的教學中起到有效的應用價值。