任曉路

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東 新泰 221116）

引言

四連桿機(jī)構(gòu)是一種較為常見(jiàn)且尤為重要的機(jī)構(gòu)，不同的機(jī)構(gòu)桿件之間，需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由此平面四連桿機(jī)構(gòu)通常也被稱之為鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)[1]。四連桿機(jī)構(gòu)具備諸多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且工作應(yīng)用質(zhì)量比較可靠，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械等工作中。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新和研發(fā)，計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)更成為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)開(kāi)展中一種尤為重要的教學(xué)變革方式[2]。本次研究基于ADAMS展開(kāi)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展提供可行性思路及相應(yīng)做法[3-4]。

1 機(jī)械仿真軟件簡(jiǎn)述

機(jī)械方陣分析主要包括三類：幾何建模、結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

1.1 幾何建模

通過(guò)借助CAD等幾何建模軟件，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中借助軟件所存在的圖像轉(zhuǎn)換以及交互技術(shù)，達(dá)到曲面、實(shí)體等不同造型的技術(shù)類繪畫[5]。當(dāng)前被廣泛應(yīng)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(yīng)用Auto CAD仿真軟件的過(guò)程中，該軟件具備了較為強(qiáng)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(guò)在將實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ虉D的具體操作過(guò)程中，整體步驟相對(duì)比較繁瑣。通過(guò)借助SolidWorks、SolidEdge以及Pro/E軟件，能夠更加直觀且精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)SolidEdge在應(yīng)用中，還具備相應(yīng)的建模同步技術(shù)，而Pro/E軟件則可以更加細(xì)化參數(shù)概念。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)類軟件完成對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的應(yīng)力、變形、位移等多種計(jì)算問(wèn)題解決的過(guò)程中，通過(guò)有限元理論展開(kāi)對(duì)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(yè)度較高的軟件。其中在我國(guó)大專、本科類院校教學(xué)中，較為廣泛應(yīng)用的軟件主要為ANSYS。MARC軟件則具備較為精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，但是在使用中對(duì)使用者的技術(shù)專業(yè)水平要求較高。

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

基于多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論完成系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的構(gòu)建，通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)所展開(kāi)的多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，對(duì)具體的角速度、位移、反作用力以及有關(guān)速度等詳細(xì)反映。其中運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yīng)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(gè)基本模塊的基礎(chǔ)之上，還包括了Car以及Flex等。ADAMS軟件被廣泛應(yīng)用，具備了較全的學(xué)習(xí)資料。由此本次研究基于ADAMS軟件，展開(kāi)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

2 傳統(tǒng)四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法

在四連桿的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特性中，機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)尤為關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)四欄桿的結(jié)構(gòu)特性加以分析，在一定程度上為機(jī)械類創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)更行之有效地提升了機(jī)械類原理課程的設(shè)計(jì)水平。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展中，通過(guò)要求學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)，可以滿足桿長(zhǎng)條件的4個(gè)桿長(zhǎng)數(shù)據(jù)。之后在教學(xué)過(guò)程中，為了提升此種教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，確定每一根桿的長(zhǎng)度均在10 mm以上。筆者選用100 mm長(zhǎng)度的AB（原動(dòng)件）、240 mm的 BC（連架桿）以及 300 mm的CD（動(dòng)件），還有330 mm的AD（機(jī)架）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將所選擇的4根桿，在ZBS-C的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)（如下頁(yè)圖1所示），完成實(shí)際桿的搭接之后，將AB作為原動(dòng)件，通過(guò)以AD作為機(jī)架展開(kāi)具體測(cè)量。最后通過(guò)經(jīng)AB最短桿轉(zhuǎn)動(dòng)之后，確保能夠達(dá)到定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)該機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)動(dòng)情況加以觀察，分析其中的特性角：極位夾角θ、傳動(dòng)角γ、擺角φ。

圖1 機(jī)構(gòu)示意圖

在實(shí)驗(yàn)室中采用鋼板尺側(cè)量具體桿長(zhǎng)度，采用半圓儀測(cè)量角度量。轉(zhuǎn)動(dòng)原動(dòng)件1周，之后與連架桿之間完成2次共線，那么原動(dòng)件1兩次與機(jī)架4之間的夾角差，即θ。在此測(cè)量的過(guò)程中，原動(dòng)件3能夠與機(jī)架4之間形成的夾角差，即φ，而連動(dòng)桿3與動(dòng)件4之間所形成的夾角，即γ。最終所測(cè)量結(jié)果為θ=15°，φ=43°。

3 ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)法

基于ADAMD軟件完成幾何模型的構(gòu)建，首先要完成工作環(huán)境設(shè)置，均設(shè)置為10 mm的網(wǎng)格，以便后續(xù)建模定位精準(zhǔn)。然后通過(guò)選擇Link單元作為幾何建模工具集，選擇等同傳統(tǒng)模型桿長(zhǎng)的四連桿機(jī)構(gòu)，在創(chuàng)建成功之后所顯示的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2ADAMS模型建立

由于構(gòu)成平面機(jī)構(gòu)的所有構(gòu)建都是低副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，而平面四桿機(jī)構(gòu)只用其中的轉(zhuǎn)動(dòng)副，所以選擇約束工具集中的轉(zhuǎn)動(dòng)副，完成轉(zhuǎn)動(dòng)副與四連桿機(jī)構(gòu)不同機(jī)架的連接。在機(jī)構(gòu)AB以及大地之間的相接部位增加運(yùn)動(dòng)，并將其動(dòng)力設(shè)置為360 N·s/m2，也就實(shí)現(xiàn)了AB機(jī)架可以轉(zhuǎn)動(dòng)1周，在加運(yùn)動(dòng)副以及動(dòng)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(shè)置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的結(jié)束間隔時(shí)間，即2 s，具體的步長(zhǎng)設(shè)置為500 mm，展開(kāi)運(yùn)行后即可對(duì)機(jī)構(gòu)的具體運(yùn)行情況清楚反映，并且能夠?qū)Σ介L(zhǎng)及間隔時(shí)間加以改變，從而機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度隨之改變。

通過(guò)完成對(duì)θ、φ、γ三個(gè)角的分別測(cè)量（如圖4、圖5所示），經(jīng)ADAMS軟件處理后起到尤為顯著的測(cè)量效果，完成了對(duì)角度、速度、加速度、角加速度以及不同受力點(diǎn)的變化情況，具體如圖6所示。

圖3 平面機(jī)構(gòu)模型

圖4 傳動(dòng)角變化

圖5 桿L1角度測(cè)量

圖6 B點(diǎn)例與力矩圖

4 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在本部分測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提及的三個(gè)角分別為極位夾角θ、擺角φ和傳動(dòng)角γ。通過(guò)針對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)展開(kāi)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬嫌行у憻拰W(xué)生的具體動(dòng)手實(shí)踐操作能力。但同時(shí)會(huì)由于存在人為、設(shè)備以及環(huán)境的多方面因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度受到較大影響，從而存在較大不可控性及偶然性。通過(guò)借助ADAMS軟件完成仿真實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)由余弦定理公式理論，可以得出如下公式：

通過(guò)上述公式最終可以求得φ=40°，由此發(fā)現(xiàn)ADAMS軟件可以較為快速且精準(zhǔn)的求出φ值為40°，因此相較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，ADAMS軟件的仿真實(shí)驗(yàn)具備了更大的使用優(yōu)勢(shì)。其中還有直觀的一點(diǎn)，就是計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)，可以針對(duì)受力及受力矩的具體情況加以測(cè)量，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。除此之外，ADAMS軟件仿真實(shí)驗(yàn)還能夠?qū)υ瓌?dòng)件迅速改變，從而避免“死點(diǎn)”的出現(xiàn)，以期創(chuàng)造設(shè)計(jì)出更加合理化的平面機(jī)構(gòu)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本次四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析借助ADAMS仿真軟件對(duì)比分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，雖然能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作力，但是仍然存在諸多實(shí)驗(yàn)影響因素，且整體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程尤為復(fù)雜。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該軟件可以突破平面圖紙的分析局限，從而賦予整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)化、直觀化、方便化，從而有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室操作中所容易受到的環(huán)境、時(shí)間、設(shè)備、人員等諸多因素的影響。經(jīng)過(guò)本次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，ADAMS仿真軟件輔助教學(xué)能夠在四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的教學(xué)中起到有效的應(yīng)用價(jià)值。