基于ADAMS的牛头刨床机构的运动学仿真

基于ADAMS的牛头刨床机构的运动学仿真摘要：虚拟样机技术是一种较新的产品开发技术，而ADAMS软件是目前最普遍的虚拟样机分析软件之一。本文简单介绍了虚拟样机技术以及ADAMS软件的特点和应用，以牛头刨床中六连杆机构为研究对象，对其进行运动学分析。运用我们学过的理论力学对机构运动学的相关理论计算；使用ADAMS软件进行建模、运动学分析及动态模拟仿真工作。验证构件模型的准确性，并对机构的可行性进行计算分析，记录相应的信息并与理论结果进行比较，充分展现了虚拟样机技术的优越性，为以后研究虚拟样机技术的研究打下了基础。关键词：ADANMS牛头刨床六连杆机构运动学仿真IShaperMechanismKinematicsSimulationBasedonADAMSAbstract：Virtualprototypetechnologyisarelativelynewproductdevelopmenttechnology,andADAMSsoftwareiscurrentlyoneofthemostcommonformofvirtualprototypeanalysissoftware.ThisarticlesimplyintroducesthecharacteristicsandapplicationofvirtualprototypetechnologyandADAMSsoftware,withsixbarlinkageinshapingmachineastheresearchobject,carriesonthekinematicsanalysis.Welearnedfromusingthetheoryofmechanicsofkinematicsrelatedtheoreticalcalculation;UsingADAMSsoftwaremodeling,kinematicsanalysisanddynamicsimulationwork.Verifytheaccuracyofthecomponentmodelandthefeasibilityofinstitutionalanalysis,recordthecorrespondinginformationandcomparedwiththeoreticalresults,tofullydemonstratetheadvantagesofvirtualprototypetechnology,virtualprototypetechnologyforlaterresearchlaidthefoundationoftheresearch.Keywords:ADANMS，Shapersixbarlinkage，KinematicssimulationII目录1绪论.11.1虚拟样机技术现状.11.2ADAMS软件.11.2.1ADAMS软件简介.11.2.2ADAMS软件模块的介绍.11.2.3ADAMS软件的特点.21.2.4ADAMS软件的应用.22六连杆牛头刨床机构的相关特性分析.22.1六连杆牛头刨床工作原理和要求.32.2机构运动学分析.32.2.1机构的自由度与行程速度比.42.2.2用矢量方程图解法在右极限处作机构的速度分析.42.2.3用矢量方程图解法在右极限处作机构的加速度分析.73基于ADAMS的六连杆机构的建模与仿真.113.1工作环境设置.113.2创建模型.113.2.1求特殊位置时各点的坐标.113.2.2用ADAMS创建各构件.123.3Body特性修改.133.3.1曲柄1和滑块2的质量与转动惯量修改.133.3.2摇杆3、连杆4和滑块5的质量与转动惯量修改.133.4添加约束和驱动.14III3.4.1添加约束.143.4.2添加驱动.153.5施加载荷.163.6模型仿真.173.6.1模型验证.173.6.2仿真与动画回放.183.6.3模型测量.194仿真结果分析.214.1ADAMS/PostProcessor模块.214.2仿真结果曲线图与分析比较.214.2.1曲柄1(PART_2).214.2.2滑块5（(PART_6).245.总结.27参考文献.29致谢.3001绪论1.1虚拟样机技术现状虚拟样机技术是基于计算机仿真的数字化设计中的一种方法,该技术的核心是机械动力学、运动学和控制理论。它通过不断指导设计中的反馈信息使产品开发顺利进行。虚拟样机技术强调部件、技术、知识的作用，强调便于虚拟样机柔性协同的运行管理的组织重构，强调跨领域技术的沟通交流。因此，虚拟样机作为面向复杂多领域的研究方向，它需要先进的管理思路、方法及实现技术最好的理论，因此，体系结构必须具有足够的开放性、灵活性和适应性，重点在以下几个方面进行研究：(1)基于虚拟样机的优化设计(2)以虚拟样机为中心的并行设计(3)设计、分析、仿真工具的集成(4)虚拟样机系统的容错性1.2ADAMS软件1.2.1ADAMS软件简介ADAMS软件创建完全参数化的机械系统几何模型需要使用交互的图形环境和零件库、约束库、力库，采用多刚体动力学理论中的拉格郎日方程方法求解。1.2.2ADAMS软件模块的介绍ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析1。1.2.3ADAMS软件的特点1（1）建立机械系统三维参数化模型利用的是交互化的图形环境零件库、约束库及力库。（2）对刚体及柔体的类型包括运动学、静力学和准静力学进行线性及非线性分析。（3）求解快速、准确，因为拥有先进的数值分析技术和先进的求解器。（4）提供多种虚拟样机模型，可以组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化。（5）强大的函数库可以供用户自定义运动形式。（6）开放式结构可以允许用户集成自己的子程序。（7）仿真结果显示为动画和曲线图形，可以自动输出机构的位移、速度、加速度和反作用力曲线。（8）支持同大多数CAD和控制设计软件包之间的双向通讯。1.2.4ADAMS软件的应用由于界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件的发展逐渐成熟，ADAMS技术在工程上的应用也日益增加2。其中，包括汽车制造业、工程机械、航海航天、国防工业等诸多方面。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=60r/min，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=0.0124kg/m，JS4=0.024kg/m，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，各运动副的摩擦忽略不计。机构简图580rFN如图1所示：2图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,从而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低且平稳，以减小原动机的容量从而提高刨床的切削质量；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中，位置为某一任意位置，位置、为右、左极限位置3图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级杆组，自由度为：（2-1）13(2)35(270)1hFnP因为：K=（180+）/（180-）=1.4所以极位夹角：=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所示的位置分析：（1）B点处的速度由n=60r/min，得出w1=2n/60=2/s（2-3）即构件1的角速度为w1=2/s对构件1,2,3的重合点(B1,B2,B3)进行速度分析：4对于构件1：VB1=WB1LAB=20.1=0.628m/s（2-4）对于构件2：在点B处构成旋转副，因此B点处构件1和构件2速度相等且都垂直于AB即：VB2=VB1=0.628m/s（2-5）对于构件3：（2-6）323BBV式中,表示构件2和构件3的绝对速度，表示构件3和构件23B223BV的相对速度。选取速度比例尺为:，取极点P，作速度多边形如图3所20.1Vms示:图3B点速度多边形其中，为的速度方向，为的速度方向，为的速度方向。2BV3BV23BV=49.5mm=23.3mm=43.67mm所以：VB3=V=0.01323.3=0.303m/s（2-7）VB2VB3=V=0.01343.67=0.568m/s（2-8）5求CD的加速度：3因为在位置时，夹角为26.56，所以：LBC=223.61mmW3=VB3/LBC=0.303/0.22361=1.355rad/s（2-9）杆CD的速度:VD=W3LCD=1.3550.5=0.6775m/s（2-10）2）E点的速度（2-11）EDEV作速度多边形如图4所示:PD=72mmPE=74.65mmDE=19.70mm图4E点速度多边形VE=VPE=0.01374.65=0.97m/s(2-12)VED=VDE=0.01399.8=0.256m/s(2-13)DE的角速度为：w4=VE/LDE=0.97/0.0.2=4.85rad/s（2-14）各速度值如表2-1所示：表2-1速度6速度VB1VB2VB3VB2VB3VDVEVED单位m/s0.6280.6280.3030.5680.67750.970.256各角速度值如表2-2所示：表2-2角速度角速度w1W3W4单位：rad/s21.3554.852.2.3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的重合点作为研究对象，则：因为曲柄1做逆时针匀速转动，所以：曲柄（构件1）的加速度为：aB1=LABw1=0.4=3.944m/s（2-15）构件2和构件1在B点处构成转动副，所以构件1和构件2在B点的加速度相等所以：aB2=aB1=3.944m/s（2-16）=w3LBC=1.3550.22361=0.411m/s（2-17）nB又：（2-18）323232kBBaa7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:（2-19）3323232nkBBBaa式中,是的法向和切向加速度，是相对的相对加速度，332Ba因为构件2和构件3构成了移动副，所以,则,方向平行0n3232BBa于CD但大小未知；为科氏加速度，它的大小为:3232sikBBaV其中为相对速度和牵连角速度之间的夹角，对于平面运动，的方向垂直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。=2w3VB3B2sin=21.3550.568sin90=1.539m/s（2-20）选取加速度比例尺为：，作加速度多边形，如图5所示:图5B点加速度多边形其中是的矢量，方向由B指向C，是的矢量，方向为BA方向，3nBa2P2Ba是科氏加速度的矢量，方向垂直于BC,和的大小未知，方向分别垂直于BC和平行于BC。=/a=0.411/0.08=5.1375mm3nBa=/a=3.944/0.08=49.3mm2P2=/a=1.539/0.08=19.2375mmKT=19.8mmTB2=31.7mm8所以：=aKT=0.0819.8=1.584m/s（2-21）=aTB2=0.0831.7=2.544m/s(2-22)=1.767m/s（2-23）3B为与CD之间的夹角，所以：13tan=/=1.584/0.411=3.85413nBa（2-24）tan2.06.72）D点的加速度D构件3的角加速度为:C=/LCD=1.767/0.22361=7.899rad/s（2-25）D3Ba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：(2-26)22240.581.76nDCaLms(2-27)79345所以：2222().91.4nDas(2-28)构件3的加速度和DC之间的夹角为223.945tan0.617Dn12tan.38.5（2-29）（3）E点的加速度nnnEDEDaa（2-30）9式中是E的法向加速度，是E相对D的法向加速度，方向为从E指向nanaD,是E相对D的切向加速度，方向为垂直于ED，式中只有和是未知的。EaD用图解法进行求解，取一点P,作加速度多边形如图6所示：图6E点加速度多边形已知，,则它们的矢量长度分别为：21.79nDams23.945Dams，610.8a3.945.708Dam又:2220.56.3nEDVsL所以的矢量长度为：841.a26.9PBm(2-31）220.81.3EaPBs角加速度：(2-32)5.EDaradL各机构的加速度值如表2-3所示：表2-3各机构的加速度加速度10单位：m/s3.9443.9441.35512.4113.1923基于ADAMS的六连杆机构的建模与仿真3.1工作环境设置Size:X=750mm,Y=750mmSpacing:X=10mm,Y=10mm3.2创建模型建模常用的方法有辅助点法和特殊位置法，我采用特殊位置法了特殊位置法建模。3.2.1求特殊位置时各点的坐标11图7特殊位置时的结构图由图可知,则ABC=45tan2ACB所以ACB=45，同理得出点D到工作台的距离为218.2mm创建各构件时关键点的位置如表3-1所示：位置ABCDE坐标:mm(0,0,0)(100,0,0)(0,-200,0)(223.57,243.27,0)(416.48,300,0)3.2.2用ADAMS创建各构件在零件库中选择Lick图标，创建曲柄1，摇杆3和连杆4，将尺寸分别创建为：曲柄1：Length=100mmWidth=20mmDepth=20mm摇杆3:Length=500mmWidth=20mmDepth=20mm连杆4:Length=200mmWidth=20mmDepth=20mm所创建的机构模型如下图所示：12图8连杆机构模型在零件库中选择box图标，创建滑块2和滑块5，由于滑块的尺寸可随意选取，故将尺寸创建为：滑块2：Length=60mmWidth=90mmDepth=20mm滑块5：Length=90mmWidth=60mmDepth=20mm各构件如图9所示:图9构件模型图3.3Body特性修改3.3.1曲柄1和滑块2的质量与转动惯量修改构件1，2的质量忽略不计，且无转动惯量，故Mass0kg，0,0XYZII133.3.2摇杆3、连杆4和滑块5的质量与转动惯量修改摇杆3:Mass=20kgIYY=0.024kg/m0XI20zIkgm连杆4：Mass=3kgIYY=0.050kg/mz滑块5：Mass=62kg转动惯量为任意值3.4添加约束和驱动约束可分为基本约束和运动副。要模拟系统的真实运动情况并使运动能够动起来，需要在机构上添加相应的运动副，并在运动副和机构之间添加合适的载荷。3.4.1添加约束创建了连杆模型后，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（IdealizedJoint）、虚约束（JointPrimitive）、高副约束（Contact）和运动驱动（MotionsGenerator）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（RevoluteJoint）、移动副（TranslationalJoint）、齿轮副（GearJoint）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，各个构件之间常常存在约束关系，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，通常叫做运动副或者铰接。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10所示：14图10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。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60minr添加驱动后的模型如图11所示：15图11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12所示：图12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3。在一个系统中，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580XFN16施加载荷后的模型如图13所示：图13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。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14所示：17图14六连杆机构样机验证结果3.6.2仿真与动画回放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15所示：图15交互式控制与脚本式控制界面这里选择交互式仿真控制。选择仿真工具按钮，设置仿真时长Endtime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16所示：18图16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17所示：图17原动件转动副力的设置19图18力测量曲线图18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19所示，转矩测量如图所示：图19转矩设置界面转矩测量曲线图20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20合转矩在5.0s的变化。4仿真结果分析4.1ADAMS/PostProcessor模块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5。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）设计方案改进可以通过比较两种以上的仿真结果，从中选择合理的设计方案。(4）结果显示后处理模块可显示运用和仿真计算和分析研究的结果。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Time=2.00s,Frame=201时，进行仿真分析与比较。4.2.1曲柄1(PART_2)21（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21所示：图21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。10ABrLm（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22所示，加速度曲线如图4-3所示22图22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314mm/s之间的误差为0.05%。图23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1973.9209mm/s2与计算所得23值1972mm/s2得误差为0.051%。Y轴的加速度为0mm/s2。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24所示：图24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%。整个运动周期内刨头的行程是X轴上的最大值和最小值。（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25、图26所示：24图25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。曲线中速度慢的为工作行程，速度快的为空程。图26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、Z25轴的加速度和合加速度。滑块运动时在Y轴和Z轴上的加速度为零，所以此时两速度曲线重合。265总结本文简单介绍了虚拟样机技术中的ADAMS软件。在这次毕业设计中我完成了以下任务：（1）通过查阅、参考各种有关虚拟样机技术及有关ADAMS软件的书籍，我对虚拟样机技术有了简单的了解并且学会了ADAMS软件的简单运用;（2）通过应用理论力学和机械原理的知识，对牛头刨床六连杆机构进行了运动学分析，主要计算了六连杆机构在某些特殊点的速度以及加速度;（3）应用ADAMS软件中的ADAMS/View（界面模块）建立了牛头刨床的六连杆机构模型，并对机构添加了约束、驱动和载荷，并验证了所建模的正确性，加了适当的时间和步数，成功播放出了仿真动画;（4）利用ADAMS软件中的ADAMS/PostProcessor（后处理模块）对所建模型的曲柄1和刨头5的位置、速度、加速度进行了仿真分析，与前面的计算结果进行比较，确定了软件的可行性和可靠性。虽然我基本完成了课题要求的任务，但我觉得我还存在有以下问题：（1）我对ADAMS软件运用不是十分熟悉，只能够做简单的运动的模拟仿真;(2)我对虚拟样机技术的关注不够，以前一直没怎么关注过更没接触过ADAMS软件，这段时间的学习，让我发现了很多自己的不足。通过对本课题的研究，我深深体会到了虚拟样机技术的优秀，它不仅比物理样机轻便，大大缩减了实验成本，而且比物理样机计算更快速可精确，我相信在以后的工业制造中，虚拟样机必将更放光彩。27参考文献【1】.李增刚.ADAMS入门详解与