虚拟样机在机床机构分析中的应用

曲柄滑块机构是机床及其他机械中的一种常用主机构，因此分析其运动学和动力学特性就显得非常重要。本讲座第一讲，将介绍在ADAMS中建立曲柄滑块机构的虚拟样机模型，以及整个建模、施加约束和添加力的过程。并在此基础上，求解滑块的运动参数随时间变化的曲线，以及随曲柄和连杆间关节位置变化的曲线，最终得到曲柄与连杆接触铰点的受力情况分析。

　　在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，当曲柄连续回转时，通过连杆带动滑块作往复直线运动;反之，若滑块为主动件，当滑块做往复直线运动时，通过连杆带动曲柄作连续回转运动。一般是将曲柄的转动转化为滑块在直线上的往复运动，这种运动转换方式使曲柄滑块机构成为冲床、压气机和活塞式水泵等机械的主运动机构。其运动简图如图1所示。

　　由图1可以看出，当曲柄绕固定点O以角速度旋转时，由连杆AB带动滑块在水平槽内做往复直线运动。假设初始时刻曲柄的端点A位于水平线段OX上，曲柄从水平初始位置起转动的角度θ为曲柄转角，连杆AB与OB的锐夹角δ称为摆角。

　　在机械设计中要研究滑块的运动规律和摆角的变化规律，如果采用数学建模的方式进行求解将非常复杂，也非常费时，因此采用ADAMS软件分析其运动学和动力学特性。

　　一、曲柄滑块机构的虚拟样机建模

　　ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，作为一个强大的建模和仿真系统，ADAMS/View采用以用户为中心的交互式图形环境，将鼠标点击操作、图标操作、菜单操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、后处理图形显示、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

　　利用ADAMS/View可以建立一个与机械系统物理样机完全等效的虚拟样机。通过用约束连接各部件，添加运动部件，将其组成一个完整的系统，利用外力或运动驱动机构动作。另外，用户还可以在模型中使用弹簧、阻尼器和摩擦力等，以便提高仿真的精度。同时，ADAMS/View还支持参数化建模，因此工程师能很容易地修改模型并用于实验研究。

　　在ADAMS/View中建立曲柄滑块机构的虚拟样机模型，具体步骤如下。

　　(1)创建一个新的工程模型，设置重力加速度和单位等，一般采用国际单位制。

　　(2)进入Setting菜单，设置好网格尺寸和颜色等参数，方便虚拟样机的建模。

　　(3)采用Cylinder圆柱体建立曲柄模型，由于圆柱体默认的定位方向与设计师的目标定义不同，因此需要右键点击Modify，设置定位方向。另外，其位置不是关于XOY平面对称的，因此也需要右键点击Modify，设置其关于XOY平面对称。

　　(4)在合适位置采用Box长方体建立滑块模型，右键点击Modify，设置其关于XOY平面对称。

　　(5)采用Link建立连杆模型，分别选择曲柄和滑块的位置点放置连杆，右键点击Modify，设置其关于XOY平面对称。

　　(6)设置曲柄和连杆、连杆和滑块的联接方式均为铰接，具体操作如图2。

　　(7)在滑块上添加单向力(Force)，选择Run-Time Direction为“Space Fixed”，即方向固定。添加力约束之后，右键选择“Force: Sforce_1>Modify”，点击“Function Builder”，进入“Function Builder”对话框，施加一个“sin(t)+10t”的-X方向力，具体操作方式如图3和图4所示。

　　(8)修改各个模型的质量属性。选中需要修改质量属性的构件，选择“Modify”，“Define Mass By”中有三种选项：“User Input”、“Geometry and Density”和“Geometry and Material Type”，在这里选择“Geometry and Material Type”，在“Material Type”中选择“Material>Guesses>Steel”。

　　经过以上8个步骤的操作，即可完成对虚拟样机的建模。

　　二、曲柄滑块机构的动力学仿真

　　点击“Interactive Simulation Controls”按钮，选择合适的仿真时间和步数。将模型视图调节为iso显示方式，点击Start按钮，可以清晰地看到机构的运动情况，而且还可以直观地看到所施加的力随时间变化的情况，如图5所示。

　　三、曲柄滑块机构的后处理分析

　　后处理模块ADAMS/PostProcessor是主要显示ADAMS仿真结果的可视化图形界面，一般地，ADAMS/Postprocessor被用来处理仿真结果数据或显示仿真动画等。处理后的结果既可以显示为动画，也可以显示为数据曲线;既可以在同一页面内最多显示6个视图，也可以每个数据曲线在一个单独的页面显示。为了能够反复使用，页面设置以及数据曲线格式都能保存起来，这样既有利于节省时间也有利于整理标准化的报告格式。

　　ADAMS/PostProcessor既可以在ADAMS/View环境中运行，也可独立运行。独立运行时可以加快软件启动速度，节约系统资源。

　　ADAMS/PostProcessor的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，便于从可视化的角度深入理解设计方案的有效性，用户既可以向前或者向后播放动画，又能随时中断播放动画，而且还可以选择最佳观察视角，从而使用户更容易地完成模型排错任务。为了验证ADAMS仿真分析结果数据的有效性，工程师可以输入测试数据，根据测试数据与仿真结果数据进行绘图比较，还可对数据结果进行数学运算，对输出进行统计分析。同时，系统还支持灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储，可以将多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件。另外，还可以改变图表的形式，添加标题和注释等。工程师甚至能够载入实体动画，从而加强仿真分析结果数据的表达效果。系统还能在播放三维动画的同时，显示曲线的数据位置，从而观察运动与参数变化的对应关系。

　　在主菜单上点击Ploting按钮进入后处理界面，可以查看感兴趣参数的时域曲线，对曲柄滑块机构做定量分析。图6～图8分别显示了滑块的位移、速度、加速度和平动动能随时间的变化曲线，滑块的位移随曲柄和连杆间关节位置的变化曲线，曲柄与连杆接触点的受力情况。

　　四、结束语

　　本讲对曲柄滑块机构进行了虚拟样机的建模和仿真。虽然模型较为简单，但是由于考虑了尺寸等效、摩擦力影响、约束情况和受力情况等，可以反映出曲柄滑块机构实际的运动状态，大大简化了分析过程，节省了分析时间，为其他的机构分析提供了借鉴。