平面连杆机构的运动精度分析与仿真 doc - 图文

1 引言

1.1 平面连杆机构的现状

平面连杆机构是许多接卸上都广泛使用的机构。对连杆机构进行误差分析和综合以期实现较高的运动精度，一直是人们致力研究的课题。众所周知，由于连杆机构本身的固有机构原因，其输出只能在机构的少数位置是精确的，而在其他机构位置总是存在着误差的。为了使机构运动尽可能逼近设计所期望的运动，优化设计方法得到广泛的应用[1]。但是由于有限的构建制造精度、不可避免的装配误差、相对运动构件之间必不可少的运动副间隙、构件的长度差异等因素使得机构的真实运动不同甚至产生严重偏离其设计预定的理想运动，导致精度的误差。随着机械向高速、精密化发展，工业生产向大规模自动化发展，机构运动精密越来越称为衡量机构运动性能的重要指标，因此探索更能符合客观、更科学、更精确、更经济的机构分析越来越引起人们的重视。

1．2 平面连杆机构精度研究的现状与发展

平面及空间连杆机构在许多机械上应用非常广泛。连杆机构的输出误差是由理想机构本身固有的结构误差和由于制造误差、运动副间隙所产生的机械误差两部分组成。对连杆机构进行误差分析与综合以期实现较高的运动精度一直是令人感兴趣的研究课题。20世纪40年代，苏联学者勃鲁也维奇、卡拉希尼柯夫等相继对机构的误差传递规律进行了较系统的研究。目前，国际、国内仍有很多学者对机构输出误差的随机特征进行研究。归纳起来，连杆机构误差分析方法主要有以下五种。

1) 输出表达式的直接全微分法：该方法将输出运动参数表达成输入参数和机构各构件结构参数的显函数并直接进行全微分，从而将输出参数误差表述为各结构参数误差的线性函数，便于进行概率分析。但在计算各误差敏度系数时却遇到了非常复杂的数学问题，因为对于稍微复杂一些的平面机构和空间机构其输出位移表达式都非常复杂，将其对各结构参数进行微分并非易事，尤其对于多杆机构。

2) 微小位移合成法[2,3]：徐卫良提出的微小位移合成法，基于构件相对运动原理给出了机构误差分析的微小角位移合成方程和微小线位移合成方程。应用该方法只要合适选择参考坐标和计算点，并向合适的坐标轴投影就能避开一些中间运动误差变量，

[2]

建立较为简单的误差方程，从而成功地解决了空间机构和机器人的位置误差分析问题。

3) 转换机构法[4]：根据原始误差独立作用原理得到转换机构，求出每个原始误差引起的误差，然后叠加得到总误差，这种方法适用于简单平面机构的误差分析，很难推广应用于复杂平面机构和空间机构。

4) 矩阵法[5]：徐卫良通过对机构运动约束方程进行全微分建立了机构运动误差 的矩阵方程，关玉祥则直接采用矩阵微分法研究空间闭链机构的位置误差。但是， 这些方法没能考虑到结构参数误差和间隙误差的随机性而进一步给出机构输出运动误差的概率模型。

5) 环路增量法[6]：刘深厚、石则昌基于空间闭链机构位姿环路方程及微变换原理提出了位置误差的环路增量法，解决了复杂平面机构和简单空间机构的运动误差分析问题。这种方法避开了计算误差敏度系数的数学困难，无疑是进行确定性误差分析的有效方法，但由于其输出误差表达式中常包含有其它输出参数误差，因而在进一步进行误差概率分析时却遇到了非常棘手的相关性问题。在考虑间隙对输出误差的影响方面，现有的文献总是假设运动副中销轴在间隙空间内浮动，间隙矢量的顶点位于间隙空间内或边界上任一点的概率相等，即服从于均匀分布，并以此分析机构的输出运动特性。之所以这样假设，是由于间隙副的相对运动比较复杂，分析含间隙机构的运动规律比较困难所致。

1.3 ADAMS软件，虚拟样机技术概述

随着计算机技术的日臻成熟，进来在对机械系统进行分析中，出现了虚拟样机技术。虚拟样机技术（Virtua Prototyping Technology）是一项新生的工程技术。它采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把铲平的资料集成到一个可视化的环境中们实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术在设计的初级阶段——概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并誓言各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种环境中真实的模拟系统运动，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断该井，直至获得最优设计佛纳甘以后，再做出物理样机[7]。

ADAMS软件，是由美国机械动力公司开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用范围最广泛的机械系统动力学分析软件，在全球占有率最高。ADAMS软件广泛应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、工业机械、

工程机械等领域。国外的一些著名大学也已开设了介绍ADAMS软件的课程。ADAMS软件一方面是机械系统运动动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件方便对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。ADAMS与陷阱的CAD软件 UG/PRO/E以及CAE软件ANYS 可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持一致性。ADAMS软件支持进行工程环境，节省大量的时间和经费。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、实验设计和优化分析，为系统参数化提供一种高效开发工具[8] 。

2 理想平面连杆机构杆长误差精度分析

通过在ADAMS软件中导入理想连杆机构，进行仿真分析，通过VB程序编写出能够模拟连杆机构运动的程序，通过改变连杆的长度及开始的角度来获得不同的理想平面连杆机构运动来分析其运动规律。

2.1 曲柄连杆机构运动模拟及精度分析 2.1.1 VB编程建立数学模型

在铰链四杆机构中，若两个连架杆之一为曲柄而另一是摇杆，则此机构称为曲柄摇杆机构在这种机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连连续转动变成往复摆动，取曲柄与机架的铰接点A点为坐标的原点，机架1,在X轴上，因此需要输入4个形状参数变量，即l1、l2 、l3、l4即可确定铰链四杆机构的形状。由图2-1

图2-1 曲柄摇杆机构示意图

引入矢量法，之后在ADAMS程序中根据所得点的坐标建立曲柄连杆机构的模型，进行模拟，分析运动精度，VB生成EXE软件如图2-2：

图2-2 VISUAL BASIC 计算并模拟四杆机构

如图程序可以通过改变4根杆的长度来实现不同的连杆机构，同时得到4个铰接点的坐标方便在ADAMS中建立虚拟样机，按下计算按钮可以得到对应的坐标值，按下动画按钮可以进行连杆机构运动模拟。

2.1.2 利用ADAMS软件进行建模

由于平面连杆机构模型较为简单，利用ADAMS/VIEW提供的建模工具可以方便的简历连杆机构模型。连杆机构模型的建立是通过创建设计点、创建连杆、添加转动副和转动驱动这四步实现的。

第一步，在ADAMS/VIEW的主工具箱中点击B、C、D

第二步，在主工具箱内点击零件连杆。

第三步，在主工具箱内点击连接起来。

第四步，在主工具箱内点击

图标，在曲柄与机架交接点转动副上添加转动驱动，图标，在各个铰点添加转动副，将连杆用转动副图标，创建依附于第一步中创建的设计点上的新

图标 创建地面上4个工作点A、

这样一个理想曲柄连杆机构模型就建立完成了，如图2-3，