基于ADAMS的六连杆机构的运动学分析 论文

本科毕业设计（论文）

学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械1004班 指导教师： 于洋 完成时间： 2014 年 月 日

题 目： 基于ADAMS的六连杆机构的运动学分析

西安石油大学本科毕业设计（论文）

基于ADAMS的六连杆机构的运动学分析

摘要：虚拟样机技术是一种崭新的产品开发技术，其中ADAMS软件是目前最著名的虚拟样机分析软件之一。本文阐述了虚拟样机技术和ADAMS软件的特点及其应用，以六连杆机构在牛头刨床中的应用为研究对象，对其进行动力学分析。主要运用我们学习过的机械原理和理论力学知识对机构进行运动学和动力学的相关理论计算；利用ADAMS软件在图形显示方面的优势，采用其基本模块ADAMS/View(界面模块) 和ADAMS/PostProcessor（后处理模块）进行一系列建模、运动分析和动态模拟仿真工作。验证模型的正确性，并对机构在整个周期内的可行性进行计算分析，记录相应信息，输出所需要的位置、速度、加速度、力矩等曲线与理论结果比较，充分展现虚拟样机技术与物理样机比较之下的优越性，为虚拟样机技术的深入研究打下基础。

关键词：ADAMS；六连杆机构 ；运动学分析；仿真

西安石油大学本科毕业设计（论文）

The Kinematic Analysis of Six Bar Linkage based on ADAMS

Abstract：Virtual prototyping technology is a new product development technology, and software ADAMS is one of the most famous virtual prototype analysis software software. This article expounds the characteristics and application of virtual prototype technology and ADAMS software, chose the application in six bar linkage as research body and do some dynamics analysis. Mainly use the knowledge of mechanical principle and the theory of mechanical we have already learned, kinematics and dynamics of mechanism related to the theoretical calculated. Using ADAMS software in graphic display advantages and

using

the

basic

module

of

ADAMS/View

(interface

module)

and

ADAMS/PostProcessor (post-processing module) to a series of modeling, motion analysis and dynamic simulation work. To prove the validity of the model and the feasibility of institutions in the whole cycle calculation analysis, record the corresponding information, output the required position, velocity, acceleration, torque curve compared with theoretical results, such as to fully demonstrate the virtual prototype technology and the superiority of physical prototype, lays the foundation for the further study of virtual prototype technology.

Keywords：ADAMS ,Six Bar Linkage, Kinematic Analysis, Smulation

目录

1 绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 虚拟样机技术及其研究现状 .............................................................................. 1

1.1.1 虚拟样机技术的基本概念 ....................................................................... 1 1.1.2 虚拟样机技术的应用及其特点 ............................................................... 1 1.1.3 虚拟样机技术的研究现状与发展趋势 ................................................... 2 1.2 ADAMS软件 ....................................................................................................... 3

1.2.1 ADAMS软件简介 .................................................................................... 3 1.2.2 ADAMS软件的模块 ................................................................................ 4 1.2.3 ADAMS软件的特点 ................................................................................ 4 1.2.4 ADAMS软件的应用 ................................................................................ 4 1.3 连杆机构概况 .................................................................................................... 5

1.3.1 连杆机构及其传动特点 ........................................................................... 5 1.3.2 平面六杆机构的分类 ............................................................................... 6 1.4 课题研究的内容与目的 ...................................................................................... 6 2 六连杆牛头刨床机构的相关特性分析 ......................................................................... 7

2.1 六连杆牛头刨床工作原理和要求 ...................................................................... 7 2.2 机构运动学分析 .................................................................................................. 7

2.2.1 机构的自由度与行程速度比 ................................................................... 8 2.2.2 用矢量方程图解法在右极限处作机构的速度分析 ............................... 8 2.2.3 用矢量方程图解法在右极限处作机构的加速度分析 ......................... 11 2.3 机构的动力学分析 ............................................................................................ 15

2.3.1 惯性力的计算 ......................................................................................... 15 2.3.2 惯性力偶矩 ............................................................................................. 15 2.3.3 拆分杆组 ................................................................................................. 16 2.3.4 机构受力分析 ......................................................................................... 16

2.4 小结 ............................................................................................................................ 18 3 基于ADAMS的六连杆机构的建模与仿真 ............................................................... 19

3.1 工作环境设置 .................................................................................................... 19 3.2 创建模型 ............................................................................................................ 19

3.2.1 求特殊位置时各点的坐标 ..................................................................... 19 3.2.2 用ADAMS创建各构件 ......................................................................... 20 3.3 Body特性修改 ................................................................................................ 21

Ⅰ

西安石油大学本科毕业设计（论文）

3.3.1 曲柄1和滑块2的质量、转动惯量修改 ............................................. 21 3.3.2 摇杆3、连杆4和滑块5的质量与转动惯量修改 .............................. 21 3.4 添加约束和驱动 ................................................................................................ 21

3.4.1 添加约束 ................................................................................................. 22 3.4.2 添加驱动 ................................................................................................. 23 3.5 施加载荷 ............................................................................................................ 24 3.6 模型仿真 ............................................................................................................ 24

3.6.1 模型验证 ................................................................................................. 24 3.6.2 简单仿真与动画回放 ............................................................................. 25 3.6.3 模型测量 ................................................................................................. 26 3.7 小结 .................................................................................................................... 27 4 仿真结果分析 ............................................................................................................... 29

4.1.1 ADAMS/PostProcessor简介 .................................................................. 29 4.1.2 由仿真结果绘制曲线图的类型 ............................................................. 29 4.2 仿真结果曲线图与分析比较 ............................................................................ 30

4.2.1 曲柄1(PART_2) ...................................................................................... 30 4.2.2 滑块5（(PART_6) .................................................................................. 32 4.3 小结 .................................................................................................................... 33 5 总结 ............................................................................................................................... 35 参考文献 ............................................................................................................................. 36 致 谢 ................................................................................................................................. 37

Ⅱ

西安石油大学本科毕业设计（论文）

距离传送等目的。

连杆机构也存在以下一些缺点：

（1）由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累积，同时也使机械效率降低。

（2）在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。

（3）虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计却是十分繁难的，且一般只能近似地得以满足。 1.3.2 平面六杆机构的分类

六连杆机构，虽然结构简单、制造和研究过程都比四杆机构复杂，但可实现四杆机构无法实现的运动要求。六杆机构的分类是建立在六杆转动副链的基础之上，而六杆转动副链是由四杆转动副链加上一个双杆组扩展而成。

按照双杆组连接到四杆转动副链的相对杆还是连接到相邻杆的两种不同情况，可以产生两种六杆转动副链,一种是具有相对的三副杆的六杆转动副链(斯蒂芬逊链),另一种是具有相邻的三副杆的六杆转动副链(瓦特链)。如果瓦特运动链固定任一个二副杆做机架,则称为瓦特I型六杆机构,固定任意一个三副杆做机架,则称为瓦特II型六杆机构。对于斯蒂芬逊型,有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型六杆机构之分,它们分别固定两端均与三副杆相连的任意一个二副杆互相邻接的任意一个二副杆和任意一个三副杆为机架。从瓦特链派生出来的瓦特型六杆机构可视为两个四杆机构的串接,第一个四杆机构的从动运动即是第二个四杆机构的主动运动。

1.4 课题研究的内容与目的

本文从工程实际出发，应用虚拟样机技术，依靠多体动力学的基本理论，利用ADAMS软件的核心模块ADAMS/View，对六连杆机构牛头刨床建立虚拟样机，从而对建立的模型进行仿真计算、动画显示和结果分析，输出相关特性曲线，找出适合工业应用的最佳方案，同时也为机械设备的优化设计提供值得参考的设计思路。本课题的研究目的是学习虚拟样机技术和ADAMS软件以及它们在各行各业的应用，虚拟样机技术建立的模型和传统物理样机相比下的优越性。同时，提高学生的查阅文献、自己发现问题解决问题等综合能力。

6

西安石油大学本科毕业设计（论文）

2 六连杆牛头刨床机构的相关特性分析

六连杆牛头刨床机构，AB=100mm,CD=500mm，DE=200mm，AC=200mm，滑块轨道偏心距e?300mm，滑块尺寸自定；曲柄1逆时针方向转动，转速为

n?60rmin，构件质量m3?20kg，m4?3kg，m5?62kg，构件1,2的质量忽略不计，质心位置都在杆的中心位置处，构件3，4绕质心的转动惯量JS3?0.12kgm2，

JS4?0.025kgm2，行程速比系数K=1.4,该机构在工作行程时刨头5受与行程相反的阻力错误！未找到引用源。，各运动副的摩擦忽略不计。机构简图如图2-1所示：

图2-1 六连杆牛头刨床机构简图

2.1 六连杆牛头刨床工作原理和要求

牛头刨床实现刨头切削的关键机构是图2-1所示的六连杆机构，六连杆机构由摆动导杆机构1-2-3-4构成，刨床工作时,曲柄1转动,通过六杆机构驱动刨头作往复移动. 刨头左行时, 刨刀进行切削, 称工作行程，此时要求刨刀的速度较低且平稳，以减小原动机的容量提高切削质量；刨头右行时，刨刀不工作，称为空行程，此时要求刨刀的速度较高以提高生产效率。另外，从改善传力性能和提高机械效率方面考虑，要求机构工作时的最大压力角尽可能小。

2.2 机构运动学分析

下图2-2中，位置①为任意位置，位置②、③为右、左极限位置：

7

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图2-2 左右极限位置及任意位置

2.2.1 机构的自由度与行程速度比

该机构为Ⅱ级杆组，具有确定运动的自由度为： F?3n?(2P1?Ph)?3?5?(2?7?0)?1 （2-1） 由已知条件知：K?(180???)(180???)?1.4 所以机构的极位夹角： ??30? （2-2） 2.2.2 用矢量方程图解法在右极限处作机构的速度分析 对图2-2所示的位置①分析[10-12]： （1）B点处的速度 由已知条件n?60rmin，得出?1?即构件1的角速度为?1?2?s 取构件1,2,3的重合点(B1,B2,B3)进行速度分析： 对于构件1： VB1??B1?LAB?2??0.1?0.628ms （2-4） 对于构件2：构件2和构件1在点B处构成旋转副，故速度相等，且都垂直于AB 即： VB2?VB1?0.628ms （2-5） 对于构件3： VB3?VB2?VB2VB3 （2-6） 8

2??n?2?s （2-3） 60西安石油大学本科毕业设计（论文）

式中VB3,VB2表示构件2和构件3在B点的绝对速度，VB2VB3表示在B点构件3相对构件2的速度。 选取速度比例尺为:?V?0.013mmm，取极点P，作速度多边形如图2-3所示: 2s 图2-3 B点速度多边形

其中，为VB2的速度方向，为VB3的速度方向，为VB2VB3的速度方向。 PB2?49.5mm PBmm B2B3?43.67mm 3?23.3所以： VB3??V?PB3?0.013?23.3?0.303ms （2-7） VB3B2??V?B3B2?0.013?43.67?0.568ms （2-8） 求CD的加速度?3： 因为在①位置时，夹角为26.56°，所以：LBC?223.71mm ?3?VB3LBC?0.41870.22371?1.872rads （2-9） 杆CD的速度: VD??3?LCD?1.872?0.5?0.936ms （2-10） （2）E点的速度 VE?VD?VED （2-11） 9

西安石油大学本科毕业设计（论文）

式中VE 、VD分别为滑块E和杆CD的绝对速度，VED为滑块E相对于D的相对速度。 作速度多边形如图2-4所示: PD?72mm PE?74.65mmmm DE?19.70

图2-4 E点速度多边形

VE??V?PE?0.013?74.65?0.97ms （2-12） VED??v?DE?0.013?19.70?0.256ms （2-13） DE的角速度为：?4?VELDE?0.970.2?4.85rads （2-14） 各速度值如表2-1所示： 表2-1 速度

速度 单位:m/s 0.628 0.628 0.303 0.4696 0.936 0.97 0.256 各角速度值如表2-2所示：

10

西安石油大学本科毕业设计（论文）

表2-2 角速度

角速度 单位：rad/s 2π 1.872 4.85 2.2.3 用矢量方程图解法在右极限处作机构的加速度分析 （1）B点的加速度

取构件1、构件2和构件3的重合点为研究对象，则： 因为曲柄1做逆时针匀速转动，故： 曲柄（构件1）的加速度为：

（2-15） aB1?anB1?LAB??12?0.1?4?2?3.944ms2 构件2和构件1在B点处构成转动副，所以：

aB2?aB1?3.944ms2 （2-16）2 anB3??3 ?LBC?1.8722?0.22371?0.784ms2 （2-17）又： aB3?aB2?akB3B2?a?B3B2 （2-18） 因为点的加速度等于法向加速度和切向加速度的矢量和，所以: anB3?a?B3?aB2?akB3B2?a?B3B2 （2-19） 式中anB3,a?B3是aB3的法向和切向加速度，a?B3B2是相对的相对加速度，由于构件2和构件3构成移动副，所以anB3B2?0,则a?B3B2?a?B3B2,方向平行于相对移动方向，即平行于CD但大小未知；为科氏加速度，它的大小为: akB3B2?2?3VB3B2sin? 之间的夹角，对于平面运动，的方向垂直其中?为相对速度和牵连角速度于运动平面而的方向在运动平面内，故，从而科氏加速度的方向就是将构件3和构件2的相对加速度旋转90°。 11

西安石油大学本科毕业设计（论文）

akB3B2?2?3VB3B2sin??2?1.872?0.568?sin90??2.127m 选取加速度比例尺为：s2 （2-20） ，作加速度多边形，如图2-5所示:

图2-5 B点加速度多边形

其中

n是aB的矢量，方向由B指向C，B2P是aB2的矢量，方向为BA方向，3是科氏加速度的矢量，方向垂直于BC,和平行于BC。

和的大小未知，方向分别垂直于BC

PN?naB3?aaB2?0.784?9.8mm 0.083.944?49.3mm 0.08B2P??akaB3B2? NK??a?2.217?26.59mm 0.08 KT?19.8mm TB2?31.7mm 所以： 2a? （2-21） B3??a?KT?0.08?19.8?1.584ms 12

西安石油大学本科毕业设计（论文）

?2???TB?0.08?31.8?2.544ms aB （2-22） Ba232n2?22)?(a)?1.767ms aB3?(aB （2-23） B33?1 为aB与CD之间的夹角，所以： 3tan?1?a?B3naB3?1.584?2.02 0.784 ?1?tan?12.02?63.7? （2-24） （2）D点的加速度aD

构件3的角加速度错误！未找到引用源。为:

?DC?aB3LBC?1.767（2-25） ?7.899rads 0.22371由理论力学知识定轴转动刚体上任意点的法向加速度等于角速度矢量与该点速度矢量的矢积；切向加速度等于角加速度与该点矢径的矢积得： n2 aD?LDC??4?0.5?4.852?11.76ms2 (2-26) 2 a?D?LDC??DC?0.5?7.899?3.9495ms (2-27) n22222)?(a?所以：aD?(aDD)?11.76?3.9495?12.41ms (2-28) 构件3的加速度aD和DC之间的夹角为?2

a?3.9495tan?2?D??0.336 naD11.76（2-29） ?2?tan?10.336?18.58?

（3）E点的加速度

nn?n?aE?a?（2-30） E?aD?aD?aED?aED

nn 式中aE是E的法向加速度，因为构件5（刨头）作直线运动，所以aE?0，a?E是nE的切向加速度，aE是E相对D的法向加速度，方向为从E指向D,a?E是E相对D

?的切向加速度，方向为垂直于ED，式中只有a?E和aED是未知的。

13

西安石油大学本科毕业设计（论文）

用图解法进行求解，取一点P,作加速度多边形如图2-6所示：

图2-6 E点加速度多边形

已知anms2，a?D?3.9495ms2D?11.79,则它们的矢量长度分别为： anD??11.76?142mm， a?D?3.9495?49.37mm a0.08?a0.082又: an?V2EDED?0.256?0.328ms2L ED0.2所以的矢量长度为：anED??0.3280.08?4.1mm aPB2?164.9mm a?a??2EE?a?PB2?0.08?164.9?13.192ms (角加速度： ?aEDE?L?13.192?65.96rads (DE0.2各机构的加速度值如表2-3所示： 14

2-31）2-32)

西安石油大学本科毕业设计（论文）

表2-3 各机构的加速度

加速度 单位：m/ s2 3.944 3.944 1.767 12.41 13.192 2.3 机构的动力学分析

构件质量m3?20kg，m4?3kg，m5?62kg，构件1,2的质量忽略不计，质心位置都在杆的中心位置处，构件3，4绕质心的转动惯量JS3?0.12kgm2，JS4?0.025kgm2，行程速比系数K=1.4,该机构在工作行程时刨头5受与行程相反的阻力Fr?5880N 2.3.1 惯性力的计算

构件3的惯性力：FI3??m3?as3

11 as3??LDC?aB3??0.5?1.767?0.442ms2 (2-33） 22所以： FI3??m3?as3??20?0.442??8.84N (2-34) 构件4的惯性力：FI4??m4?as4

11 as4??LDE?aD??0.2?12.41?1.421ms2 （2-35） 22 FI4??m4?as4??3?1.42?1?构件5的惯性力： FI5??m5?as5

2 3 (2-36) 3.N7as5?aE?13.192ms2 FI5??m5?as5??62?13.192??817.904N (2-37) 2.3.2 惯性力偶矩

对于构件3： MI3??JS3??DC??0.12?7.899??0.948Nm （2-38） 对于构件4： MI4??JS4??DE??0.025?65.96??1.649Nm （2-39） 因为构件5，即刨头在工作台上做平移运动，所以MI5?0Nm 惯性力和惯性力矩值如表2-4所示:

15

西安石油大学本科毕业设计（论文）

表2-4 惯性力和惯性力矩

力、力矩 N、N?m 8.84 0 3.723 817.914 0.948 1.649 2.3.3 拆分杆组

将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分开来，由其余构件构成的构建组必然为自由度为零的构件组，而这个自由度为零的构件组有时还可以拆成更简单的自由度为零的构件组，把最后不能再拆的简单的自由度为零的构件组称为基本杆组或阿苏尔杆组，简称为杆组。即任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接与原动件和机架上构成的。最简单的基本杆组是由两个构件和三个低副构成的，这种基本杆组被称为Ⅱ级组。图2-1所示机构为二级机构，杆组拆分如图2-7所示：

2.3.4 机构受力分析

图2-7 杆组拆分

（1）4-5杆组示力体共受5个力，分别为Fr，G5，FI5，FR65，F34。其中FI5和F34分别为滑块5的惯性力和构件3对构件4的力，FI5的大小已知，方向由运动学分析可知水平向右，F34的方向为从E指向D；重力G5和支座反力FR65均垂直于质心。选取力比例尺μN=100N/mm，作力的多边形如图2-8所示：

16

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图2-8 4-5杆组力多边形

因为： 错误！未找到引用源。 （2-40） G5?62?9.?8 6 （2-41） 60N7.DP?24.40mm DE?71.2m9m

故： F34??N?DE?100?71.29?7129N （2-42） FR65??N?DP?100?24.40?2440N (2-43)

(2)对2-3杆组共受5个力，分别为G3、FI3、F12、F34、FR63，其中FI3是惯性力，F12，F43分别为构件1对构件2的作用力和构件4对构件3的作用力，F12的方向平行于AB,大小未知，F43与F34是作用力与反作用力，大小相等方向相反，FR63是机架对构件3的作用力。分析图如图2-9所示:

图2-9 2-3杆组受力分析

对C点取矩，得：

17

西安石油大学本科毕业设计（论文）

?M?M代入数据,得：

I3?FI3?X3?F12?X12?F43?X43?G3?X3?0

M??0.948?8.84?0.247?F12?0.1?7129?0.4949?196?0.247?0

解得： F12?35777.9N (2-44) 又

?F?F?Fxy ?3G?1F0?2?F43?IF3解得： F63?43094.1N (2-45)

(3)对机架与构件1受力分析，由于构件1的质量忽略不计，所以只受两个力的作用，即构件2对构件1的作用力F21，与机架铰链处的支反力F61。受力分析图如图2-10所示：

图2-10 机架与构件1受力分析

因为?F?0,所以:

F61?F21?35777.9N (2-46)

2.4 小结

本章通过应用机械原理和理论力学知识，对六连杆牛头刨床机构进行了运动学与动力学的相关特性分析。主要计算了六连杆机构在图2-2所示的②位置各点的速度、加速度、角速度，并对机构进行杆组拆分，分析计算了个杆组的受力情况。

18

西安石油大学本科毕业设计（论文）

3 基于ADAMS的六连杆机构的建模与仿真

3.1 工作环境设置

ADAMS/View中有三种坐标系，分别为笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系，这里选取笛卡尔坐标系[13]。

将栅格设置为矩形，工作环境的网格尺寸和网格间距设置为： Size: X=750mm,Y=750mm Spacing: X=10mm,Y=10mm

3.2 创建模型

通常使用的建模方法有两种，特殊位置法和辅助点法，这里采用特殊位置法。 3.2.1 求特殊位置时各点的坐标

图3-1 特殊位置时的结构图

由图可知tan?ABC?AC?2,则错误！未找到引用源。 AB所以?ACB?26.56?，同理得出点D到工作台的距离为52.79mm 创建各构件时关键点的位置如表3-1所示：

19

西安石油大学本科毕业设计（论文）

表3-1 关键点坐标值

位置 坐标mm A B C D E (0,0,0) (100,0,0) (0,-200,0) (223.57,247.23,0) (416.48,300.02,0) 3.2.2 用ADAMS创建各构件

在零件库中选择连杆图标，创建曲柄1，摇杆3，连杆4，并选择复选框，将尺寸分别创建为：

曲柄1： Length=100mm Width=20mm Depth=20mm

摇杆3: Length=500mm Width=20mm Depth=20mm 连杆4: Length=200mm Width=20mm Depth=20mm 所创建的构件模型如图3-2所示：

图3-2 构件模型图

在零件库中选择box图标，创建滑块2，滑块5，滑块的尺寸可随意选取，故将尺寸创建为：

滑块2：Length=50mm Width=80mm Depth=30mm

20

西安石油大学本科毕业设计（论文）

滑块5：Length=80mm Width=50mm Depth=30mm

各构件如图3-3所示:

图3-3 构件模型图

3.3 Body特性修改

3.3.1 曲柄1和滑块2的质量、转动惯量修改

构件1，2的质量忽略不计，且无转动惯量，故Mass＝1.0E-11＝0kg，错误！未找到引用源。

3.3.2 摇杆3、连杆4和滑块5的质量与转动惯量修改 摇杆3: Mass=20kg 错误！未找到引用源。

连杆4： Mass=3kg 错误！未找到引用源。滑块5： Mass=62kg 转动惯量为任意值

3.4 添加约束和驱动

一个系统通常是由多个构件组成，各个构件之间通常存在某些约束关系，即一个构件限制另一个构件运动，两个构件之间的这种约束关系，通常称为运动副或者铰链，约束通常分为基本约束和运动副。要模拟系统的真实运动情况，就需要根据实际情况抽象出相应的运动副，并在构件之间定义运动副。要使系统能够运动起来，还需要在运动副上添加驱动和载荷，以及在构件之间施加载荷。

21

西安石油大学本科毕业设计（论文）

3.4.1 添加约束

创建了构成模型的物体后，就需要使用约束副将它们连接起来，以定义物体之间的相对运动[14]。ADAMS/View提供的约束副有：理想约束（Idealized Joint）、虚约束（Joint Primitive）、高副约束（Contact）和运动驱动（Motions Generator）等类型。理想约束是通常的具有物理意义的约束副，如：旋转副（Revolute Joint）、移动副（Translational Joint）、齿轮副（Gear Joint）等[15]；虚约束用于限制物体之间的相对于运动。

一个系统常常是由多个构件组成，各个构件之间通常存在某些约束关系，即一个构件限制另一个构件的运动，两个构件之间的这种约束关系，通常重围运动副或者铰接。运动副关联两个构件，并限制两个构件之间相对运动。分析可知，曲柄1与大地，曲柄1与滑块2，摇杆3与大地，摇杆3与连杆4，连杆4与滑块5之间都是旋转副，旋转副约束两个构件在某一点处绕旋转轴只能相对转动，旋转副约束两个构件之间的三个平动自由度和两个旋转自由度，两个构件之间只有一个旋转自由度；滑块2与摇杆3、滑块与机架之间都是移动副，滑移副约束两个构件只能沿某滑移轴线滑移，滑移副约束两个构件之间的两个平动自由度和三个旋转自由度，两个构件之间只有一个平动自由度。

添加约束后的模型如图3-4所示：

图3-4 添加约束后的模型

3.4.2 添加驱动

在ADAMS/View中，在模型上定义的驱动是将运动副未约束的其他自由度做进一步约束。从某种意义上说，驱动也是一种约束，只是这种约束是时间的函数。

22

西安石油大学本科毕业设计（论文）

ADAMS/View提供了两种类型的驱动，铰驱动和点驱动，铰驱动定义旋转副、移动副和圆柱副中的移动和转动，每个连接运动约束了一个自由度，使系统自由度减少一个；点驱动定义两点之间的运动规律，点驱动可以用于任何典型的运动副，通过定义点驱动以在不增加额外约束或构件的情况下，构造复杂运动。添加驱动可以在运动副上添加驱动，也可以在两个构件的两个点上添加驱动，本例采用在运动副上添加驱动，且为旋转驱动，转速错误！未找到引用源。 添加驱动后的模型如图3-5所示：

图3-5 添加驱动后的模型

添加驱动后的模型的左视图旋转90°后如图3-6所示：

图3-6 添加驱动后的模型左视图

3.5 施加载荷

在ADAMS/View中，载荷主要分为外部载荷、内部载荷和特殊载荷，外部载荷

23

西安石油大学本科毕业设计（论文）

主要是力、力矩和重力，内部载荷主要是构件之间的一些柔性连接关系，如弹簧、缓冲器、柔性梁、接触以及约束上的摩擦等[16]。在一个系统中，构件与构件之间由于存在约束，所以在构件与构件之间就会产生作用力与反作用力，这种力是成对出现的，而且大小相等，方向相反，这种力可以称为系统的内力，此处只存在刨头与工作台之间的阻力，即滑块5与工作台的阻力错误！未找到引用源。

施加载荷后的模型如图3-7所示：

图3-7 施加载荷后的模型

3.6 模型仿真

3.6.1 模型验证

为了保证仿真分析的顺利进行，在仿真分析之前，应该对样机进行验证，排除建模中隐含的错误。一般样机模型容易出现的错误如下：

（1）不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量的构件、样机的自由度等。 （2）所有的约束被破坏或者错误定义。

六连杆机构型验证结果如图3-8所示：

24

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图3-8 六连杆机构样机验证结果

3.6.2 简单仿真与动画回放

仿真控制是决定仿真计算的类型、仿真时间、方程步数和仿真步长等信息，可以使用两种仿真控制，一种是交互式，另一种是脚本式。交互式是普通的方式，它可以完成多数的仿真，脚本式不仅可以完成交互式的所有功能，还能完成一些特殊的功能。交互式仿真控制和脚本式仿真控制控制界面如图3-9（a）、3-9（b）所示：

(a) （b）

图3-9 交互式控制与脚本式控制界面

这里选择交互式仿真控制。交互式仿真类型有Default、Dynamic(动力学计算)、Kinematic(运动学计算)和Static（静平衡计算），如果选择的是Default，系统就会根据模型的自由度而进行动力学计算还是运动学计算。

选择仿真工具按钮，设置仿真时长End time为5.0s,仿真步数为Steps为500步。仿真无错误，观察运动情况。仿真模型图如图3-10所示：

25

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图3-10 仿真模型图

3.6.3 模型测量

ADAMS/View模块具有测量功能，用户可以根据需求对模型进行位置、速度、加速度、动能和力等有关特性进行测量。本课题对原动件的旋转副JOINT_1进行力的测量分析，原动件处转动副力的设置如图3-11所示，测量分析结果如图3-12所示：

图3-11 原动件转动副力设

26

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图3-12 力测量曲线

图3-12中所示的曲线表示原动件转动副处的合力。

原动件（曲柄）处的转矩测量，设置界面如图3-13所示，转矩测量如图3-14所示：

图3-13 转矩设置界面

图3-14 转矩测量输出曲线

图3-14所示曲线，横坐标轴为时间轴，纵坐标作为转矩轴，表示了原动件处合转矩在5.0s的变化。 3.7 小结

27

西安石油大学本科毕业设计（论文）

本章主要介绍了应用ADAMS软件的ADAMS/View（界面模块）建立六连杆机构牛头刨床机构模型，并对机构添加约束、驱动、载荷，验证所建模型的正确性，加以适当的时间与步数，使模型运动顺畅，播放仿真动画。

28

西安石油大学本科毕业设计（论文）

4 仿真结果分析

4.1 ADAMS/PostProcessor模块

4.1.1 ADAMS/PostProcessor简介

ADAMS/PostProcessor是ADAMS软件的后处理模块,绘制曲线和仿真动画的功能十分强大，利用ADAMS后处理模块用户可以更清晰地观察仿真结果，也可将所得到的仿真结果转化为动画、表格或者其他形式，能够更确切地反应模型的特性，便于用户对仿真计算的结果进行观察和分析[17]。后处理模块在整个设计周期中都发挥着重要作用，其用途主要包括以下几个方面： （1）模型调试

在ADAMS后处理模块中，用户可选择最佳的观察视角来观察模型的运动，也可向前、向后播放动画，从而有助于对模型进行调试；也可以从模型中分离出单独的柔性部件，以确定模型的变形。 （2）试验验证

如果需要验证模型的有效性，可输入测试数据并以坐标曲线图的形式表达出来，然后将其与ADAMS仿真结果绘与统一坐标曲线图进行对比，并在曲线图上进行数学操作和统计分析。 (3）设计方案改进

可在图表上比较两种以上的仿真结果，从中选择合理的设计方案。另外，可以通过鼠标操作更新绘图结果。 (4）结果显示

后处理模块可显示运用仿真计算和分析研究的结果。为增加结果图形的可读性，可以改变坐标曲线图的表达方式，或者在图中增加标题和附注，或者以图表的形式来表达结果。

4.1.2 由仿真结果绘制曲线图的类型

ADAMS提供了由几种不同类型仿真结果绘制曲线图的功能[18]： （1）对象（Object）:模型中物体的特性，如某个构件的质心位置等。 （2）量度（Measure）:模型中计量对象的特性，如物体之间的相互作用。 （3）结果（Result）:ADAMS在仿真过程中计算出的一套基本状态变量。 （4）请求（Request）:要求ADAMS/Solver输出的数据。可以得到要考察的位移、速度、加速度或者力等信息。

29

西安石油大学本科毕业设计（论文）

4.2 仿真结果曲线图与分析比较

这里对原动件曲柄1和执行机构滑块5，在 Time=2.00s,Frame=201时，进行仿真分析与比较。 4.2.1 曲柄1(PART_2) （1）位置输出曲线

曲柄1(PART_2)在X-Y平面内做圆周运动，在仿真过程Time=2.00s,Frame=201时，曲柄1的位置输出曲线如图4-1所示：

图4-1 曲柄的位置输出曲线

分析：曲线图中，横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为位置轴，单位是mm。红色曲线是曲柄在X轴上的位置曲线，蓝色点划线曲线是曲柄在Y轴上的位置曲线，紫色曲线为曲柄在Z轴上的位置曲线。曲柄铰链处A点的坐标值为（0,0,0），所以圆周半径错误！未找到引用源。。

（2）速度和加速度输出曲线

曲柄的速度和加速度都是时间函数的曲线，仿真过程Time=2.00s,Frame=201时速度曲线如图4-2所示，加速度曲线如图4-3所示 。

30

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图4-2 曲柄速度输出曲线

分析：曲线图中横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为速度轴，单位是mm/s。其中红色曲线为X轴的速度，蓝色曲线为沿Y轴的速度，紫色曲线为沿Z轴的速度。在t=2.0s时，曲柄在X轴的速度最小为0，在Y轴的速度最大为314.1592mm/s,与曲柄质心处的速度314 mm/s之间的误差为0.05%。

图4-3 曲柄加速度输出曲线

分析：曲线图中横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为加速度轴，单位是mm/s2。其中红色、蓝色、紫色、黑色曲线分别代表t=2.0S时曲柄在X、Y、Z轴的加速度和合加速度。X轴加速度达到最大，为1973.9209 mm/s2与计算所得值1972 mm/s2得误差为0.051%。Y轴的加速度为0 mm/s2。

31

西安石油大学本科毕业设计（论文）

4.2.2 滑块5（(PART_6) （1）位置输出曲线

滑块5（(PART_6)即刨头，在X-Y平面内作往复运动，在仿真过程Time=2.00s,Frame=201时，其位置输出曲线如图4-4所示：

图4-4 滑块的位置输出曲线

分析：曲线图中，横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为位置轴，单位是mm。其中红色、蓝色、紫色曲线分别表示刨头在X、Y、Z轴上的位置。由于滑块作X-Y平面内的往复运动，只有X轴有位移变化，又E点的坐标为（416.48,300.02,0），在t=2.0S时，仿真获得结果为416.5098mm，所以误差为0.007%。整个运动周期内的X轴上的最大值和最小值表示刨头的行程。

（2）速度和加速度输出曲线

滑块5（(PART_6)只沿X轴运动，故其速度和加速度曲线分别如图4-5、图4-6所示：

32

西安石油大学本科毕业设计（论文）

图4-5 滑块速度输出曲线

分析：曲线图中横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为速度轴，单位是mm/s。其中红色曲线为X轴的速度，蓝色曲线为沿Y轴的速度，紫色曲线为沿Z轴的速度。刨头在工作行程受到阻力，所以曲线中速度慢的为工作行程，速度快的为空程。

图4-6 滑块的加速度输出曲线

分析：曲线图中横坐标轴为时间轴，单位是S，纵坐标轴为加速度轴，单位是mm/s2。其中红色、蓝色、紫色、黑色曲线分别代表t=2.0S时曲柄在X、Y、Z轴的加速度和合加速度。Y轴和Z轴上的加速度曲线重合，因为滑块作运动时，在这两条轴上没有加速度，即加速度为0。 4.3 小结

本章主要介绍了ADAMS/PostProcessor(后处理模块)，并对所建模型的原动件曲

33

西安石油大学本科毕业设计（论文）

柄1和执行件刨头5的位置、速度、加速度进行了仿真分析，和前面章节的计算结果比较分析，确定软件的可靠性与可行性。

34

西安石油大学本科毕业设计（论文）

5 总结

本文详细阐述了虚拟样机技术、ADAMS软件和六连杆机构的基本概念、特点以及应用，并对六连杆机构进行了运动学和动力学等相关特性的计算，用ADAMS软件建立了六连杆机构的模型。ADAMS是目前功能最强大的机构分析软件，应用它可以较全面的分析机构的运动学和动力学性能。六连杆机构虽然与四连杆相比较为复杂，但是它在各种工程机械中都得到广泛的应用。本文利用ADAMS软件在建模、图像显示等方面的优势，建立六连杆牛头刨床机构，使其顺畅的运转，再利用后处理模块，对连杆机构的位置、速度、加速度、角速度及支反力等特性进行模型仿真，输出相关曲线并进行分析。通过本课题的研究与学习，使我深入的了解到虚拟样机技术的强大之处，它不仅减少的生产周期，节约了生产成本，还给国民经济带来质的影响，在以后的工业制造业中应得到更广泛的应用。

35

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yl2g.html