基于ADAMS的导杆串联滑块机构的仿真设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Simulating design of a slider and series-guide-barmechanism based on ADAM SDUN Wen.tao。，ZHAO Yu-cheng ，MA Bin.qiang。，GU Xiao.qing ，LU Lin ，YUAN Chao。， LU Kang(1.Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China；2.Henan Agricultural Mechanical Test AppraisalStation，Zhengzhou 450008，China；3.Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002，China)Abstract：The parameterized model of a slider and series-guide-bar mechanism is built with the help ofADAMS software in the paper.The graphs characterizing the motion feature of the main pans of themechanism are obtained by the kinematic simulation. Taking drive efficiency，operating range andwork efficiency as design objective，the multi-objective planning of the mechanism is carried on and theoptimum parameters of the mechanism under the condition of some typical values of the travel velocity-ratio coefficient and stroke are achieved.The optimization results show that the higher the travel veloci-ty-ratio coefficient，the greater the minimum driving angle is with the stroke being equa1。

Key words：slider and series-guide-bar mechanism；quick-return motion；ADAMS；kinematic simulation平面多杆机构是由若干个基本杆组通过各种连接方法组合而成，具有更大的设计空间和更多的运动学特征，其应用范围也更加广泛 .平面多杆机构能够实现多种运动形式的转换 ，从而有效地实现特定 的运动规律 和运 动轨迹 .在平 面多杆机构的设计中，要求机构的从动件满足某种运动规律 ，这就需要对机构进行必要 的运动分析 ，赵升吨等 采用几何分析的方法对双曲柄串联 6杆机构进行运动特性分析，王洪欣等 利用函数分析的方法对串联导杆 6杆机构的传动特征进行了深入研究，而对于6杆以上的串联组合平面连杆机构，采用解析方法进行运 动分析 ，工作量就变得非 常大.随着计算机技术的不断发展，借助 ADAMS软件可以对机构的运动进行仿真分析，在虚拟的环境收稿 日期 ：2012-08-12基金项目：河南侍育厅自然科学基金项目(2004923010)作者简介：顿文涛，1980年生，男，河南漯河人，工程师，从事计算机网络安全、传感器与检测技术方面的研究通讯作者：袁 超 ，1961年生，男，河南开封人，副教授。

302 河 南 农 业 大 学 学 报 第 47卷下确定构件的运 动情 况，检验构件是否干涉 以及执行件的运动是否符合期望的运动规律等，不仅得到的结果直观可靠，而且工作效率大大提高 .作者研究了-种导杆 串联滑块机构，该机构是由转动导杆与摆动导杆串接的滑块 8杆机构，可实现由转动到往复的直线运动过程，具有在某区段内近似匀速运动的急回特性.应用 ADAMS软件建立该机构的参数化仿真模型，对其运动特性进行仿真分析，并以机构的传动效率，工作范围和工作效率为设计目标 ，对其进行多 目标规划设计。

1 导杆 串联滑块机构的运动原理导杆串联滑块机构的简图如图 1所示.它是 1个 Ⅱ级 8杆机构，由机架.RRP杆组.RPR杆组。

RPR杆组 -原动件连接组成.主动件是曲柄 l，与滑块 5铰接，滑块 5与转动导杆 2相配合，可以在其导槽中滑动.转动导杆2的另-端铰接滑块 6，与摆动导杆 3相配合 ，摆动导杆 3的下端与机架铰接，上端与连杆4铰接，带动滑块7作往复直线运动。

此机构的转动导杆 ABD与摆动导杆滑块 6杆机构 BCEFG采 用 串联 方式 组合 ：转 动导 杆机 构ABD为前置子机构，曲柄 1为主动件，绕固定轴 A匀速转动，使输出杆 BE作非匀速运动；6杆机构BCEFG为后置子机构，主动件为转动导杆机构ABD的输出杆 BE，杆 BE的运动是非匀速的，中和了后续机构的转速变化，使从动件滑块 7具有在某区段 内近似匀速运动的急回特性。

图 1 导杆 串联 滑块 机构Fig.1 The diagram of the slider andseries-guide-bar mechanism2 导杆串联滑块机构的仿真分析2.1 导杆串联滑块机构的参数化模型导杆串联滑块机构各构件的原始参数如下：曲柄 1为 110 mm×20 mm×10 mm，导杆 2 BD段为320 mm×20 mm×10 mm，导杆2 BE段为 130 mm×20 mm×10 mm，导 杆 2夹角 0为 75。，导杆 3为560 mm x 20 mm x 10 mm，连杆 4为 140 mm x 20mm×10 mm，滑块 5为 20 mm×20 mm×10 mm，滑块 6为 20 mm×20 mm×10 mm，滑块 7为 80 mm×40 mitt×10 mm。

在 ADAMS/View中，根据导杆 串联 滑块机构简图中各构件的位置关系和各构件的原始尺寸，按照 1：1的比例进行建模 .图 2所示为导杆串联滑块机构简图中的滑块 7位于右端极限位置处，各构件的相对位置.其中，模型单位为 Newton，Kilo-grams，Milimeters和 Seconds；通过使用位置函数和方向函数分别将各构件的 I MARKER和 J MARK。

ER以及添加在各构件之间的运动副约束的 IMARKER和 J MARKER进行参数化 ，使各个 构件在运动仿真过程中保持相应的位置关系和运动约束关系。

..-- ～ ， 滑块7- 斗 - / Slider7连杆4- - - Connecting rod 4滑块6、Slider6、- - 滑块5/ Slider 5图 2 导杆 串联 滑块机构 的 ADAMS仿真模型Fig.2 ADAM S model of the slider andseries-guide-bar mechanism2.2 导杆串联滑块机构的运动仿真在 ADAMS/View中，将导杆串联滑块机构中的曲柄 1与机架之间的转动副上添加驱动力矩 ，以displacement定 义 其 运 动 方 程 ：300.0 degree %time，设置仿真时间为 1.2 S，经仿真计算分析得到导杆 串联滑块机构的运动特性曲线.导杆 2的 BE段的运动是非匀速的往复运动，其角速度随时间变化的情况如图 3所示.从图 3可 以看 出，作为后置子机构的主动件的导杆2的BE段，在滑块7的工作行程中，其角速度变化曲线比较缓慢，在某-区段内近似匀速，而在滑块 7返回过程中，其角速度变化曲线比较陡峭.滑块 7的位移随时间变化的情况如图4所示.由图4可知滑块的行程.图5和图6分别为滑块 7的速度和加速度随时间变化的情况。

从图 5、图 6可 以看出，滑块 7在工作行程某- 区第 3期 顿文涛等：基于 ADAMS的导杆串联滑块机构的仿真设计 303段 内近似匀速运动，并且具有加速返 回的运动特征。

；时间/s Time图 3 导杆 2的 BE段角速度线图Fig.3 Angular velocity-time graph of BEsection of the guide·bar 2时间/s Time图 4 滑块 7位移线 图Fig.4 Displacement-time graph of the slider 7； . .八： ： ∞1 1.2 l时间/s Time图 5 滑块 7速度线圈Velos/y·time graph of the slider 7l j . . 。

4 o5o-6 ol70舢 9时间/s Time图 6 滑块 7加速度线图Fig.6 Acceleration-time graph of the slider 73 导杆串联滑块机构的多目标规划设计3.1 设计变量在导杆串联滑块机构中，由于转动导杆和摆动导杆的串接使其从动件具有特定的运动规律，因此，转动导杆和摆动导杆的位置和结构尺寸是影响整个机构运动性能的重要参数.文中主要研究导杆串联滑块机构简图中曲柄 1和导杆 2的位置和结构尺寸对整个机构的运动性能的影响.曲柄 1的长度和铰接点 A，B之间的距离决定着机构 的行程速比系数，导杆2 BE段的长度和铰接点 A，B的位置对机构的行程有-定的影响，故选取曲柄 1的长度。 ，导杆 2的 BE段的长度 舳，铰接点 A，B的坐标 ， ， ，y 作为设计变量，如式(1)所示。

X 1， 2， 3， 4， 5 D， 口 ， ， ， ， (1)3.2 目标函数导杆串联滑块机构具有急回特性，对其进行优化要综合考虑机构的传动效率、工作范围和工作效率，故该机构的优化有 3个目标函数.机构的传动效率通常利用传动角来反映 ，最小传动角越大 ，机构的传动效率越高；机构的工作范围由机构的行程决定，行程等于滑块 7的最大位移D和最小位移D 的差值，行程越大，机构的工作范围就越大；机构的工作效率通过行程速比系数来反映，行程速比系数越大，工作效率越高.因此，选择机构的最小传动角 ，机构的行程 日，机构 的行程速 比系数 K，作为优化的目标函数，分别如式(2)～(4)所示。

传动效率目标函数：Fl(X)min-y i工作范围 目标函数 ：(2)F2(x)min-Hmin-(D -D i )(3)工作效率目标函数：(4)3.3 多目标规划多 目标优化方法有主要 目标法 、统- 目标法 、协调曲线法和分层序列法等 .其中，主要 目标法的思想是抓住多目标优化的主要目标，兼顾其它目标要求.求解时从多目标函数中选择-个最重要的。 0 o 1 oa B1； lI《- ∞.-。-- 。- 嘲0 o o lU IIIQu BI△∞-口昌甚 I/ 遇0 O 0 O O O O O O 2 0 8 6 4 2 O 2 4 1I。o >-.∞.gE- - 嘲-，l l J l l L nmlI-nm3 5 m m m m m m 喀 0 0 加I 口0IBJ 石 u 《- .gg- 。- 嘲器304 河 南 农 业 大 学 学 报 第 47卷目标函数作为多目标规划的目标函数，而其它目标函数只需要满足-定要求 即可.为此，可将其它 目标函数转化为-系列约束条件 ，用约束条件的方式保证其它目标不致太差即可 .在导杆串联滑块机构的多 目标规划问题 中，考虑到 ADAMS软件只能对具有单-目标函数和多个设计变量的模型进行优化设计，而实际应用中最关心的问题是机构的传动效率，因此，可以利用主要目标法将机构的传动效率目标函数作为多目标规划的主要 目标，行程目标 函数与工作效率 目标 函数转化 为- 系列非线性约束，把多目标规划问题转化成单-目标规划问题.采用主要 目标法得到如式 (5)所示的导杆 串联滑块机构的多 目标规划模型。

F(X)min-， l， 2， 3，戈4， 5LD， 口E， A，，， B， 60

依据约束条件确定各设计变量和设计约束的范围，利用 ADAMS/Insight拈对导杆 串联滑块机构进行试验设计分析.在试验设计过程 中，将行程速比系数约束范围等分离散为-组合适的行程速比系数向量，这样每个行程速比系数在相应的试验设计中就成为常量，设计变量 DV-XA的值就可利用行程速比系数和设计变量 DV-XB的函数表达式来替代，从而减少-个设计变量，再将结果中不符合行程约束的变量值剔除，进-步缩小设计变量的范围.经过几次试验设计分析 ，设计变量 的范 围变得相对较小，之后再进行优化设计.表 1所示为行程速比系数分别为 2.0，2.2，2.5，行程分别为310，280，250 mm时，各 设计 变量 和 目标 函数 的优化结果.从优化结果可以看出，当机构的行程速比系数相 同时，杆 BE的长度越 大，机构的行程越大 ，铰点 A，B的位置越低 ，机构的行程也越大 ，但是 随着机构行程的增大，其最小传动角却有所减小。

4 结论本研究采用 ADAMS软件对-种导杆串联滑块8杆机构进行仿真设计，建立了机构的参数化仿表 1 导杆串联滑块机构的试验设计优化结果Table 1 The optimization results of the DOE of the slider and series-guide-bar mechanism真模型，并对其进行运动学仿真分析，得到了机构主要构件的运动特性曲线.以机构的传动效率、工作范围和工作效率为目标对导杆串联滑块机构进行多目标规划设计，利用主要 目标法将该机构的多目标规划问题转化为单-目标规划问题，应用 AD-AMS/Insight拈对其进行优化设计，得到了不同行程速比系数和行程的机构参数的优化结果.优化结果表明，曲柄长度 L 。和铰点 A，B间的距离决定第 3期 顿文涛等：基于 ADAMS的导杆串联滑块机构的仿真设计 305(上接第 283页)[20]刘广全，赵士洞，王 浩，等.锐齿栎林个体光合器官生长与营养季节动态[J].生态学报，2001，21(6)：883-889。

[21]刘建军，王得祥 ，雷瑞德，等.秦岭林区天然油松、锐齿栎林细根周转 过程与 能态变化 [J].林业科学，2002，38(4)：1-6。

[22][23]张-平，白锦鳞.植物残体腐解过程中的能态变化特征[J].西北农业大学学报，1988(4)：106-109。

常 罡，邰发道.季节变化对锐齿栎种子扩散的影响[J].生态学杂志，2011，30(1)：189-192。