1、基于 Adams五点斜排机构的分析与设计 中文摘要 针对现有注塑机的设计上的合模机构存在移模运动不顺畅，不够理想的情况。首 先用Solidworks对注塑机的双肘五点斜排机构建立模型，进行理论分析，确定该机构 实现慢快慢的理想运动特性的工作区间。在一定的条件下进行优化，最后设计一 组更优的解。本课题将全部力量集中在这个关键问题的分析上，严格运用方案设计的 求解方法， 用三维CAD软件Solidworks建立注塑机合模机构各零件、 装配体的实体模型， 并利用采用现代虚拟样机技术的运动仿真软件对所选方案进行计算机辅助运动学仿真 研究，从本质上解决五点斜排合模机构的效率和可靠性。 关键词 注塑机 改
2、进 优化 运动仿真外文摘要 Title Computer Aided Design Abstract In a clamping unit of injection molding machine, it has the problem that clamping unit cannot move smoothly and its not satisfy ours mind.First of al,I applied the Solidworks software,set up a numerical model to analyze the moving of clamping unit a
3、nd its characteristic for searching the reasons.Based on the characteristic of jointdouble five point toggle clamping unit,we established its optimum odel, analyzed its characteristic.For testing and verify the results,we applied the Adams software to set up the three dimensional model of clamping u
4、nit and to simulate its moving。This leson an eficiency for will all powers concentrating with the ansysis of this key problem, the strict application function principle project designs of begging and solving method, combining modern conjecture in exploitation kind machine technique to choosing proje
5、ct proceeding calculator assistance kinetics imitating true research, from essentially increasing jointdouble fivepoint toggle clamping unit with dependable. Keywords injection molding machine improve optimization movement simulation目 次 引言5 1 合模机构设计意义 7 1.1 注塑机的工作原理及其基本组成 7 1.2 注塑技术的发展趋势 8 1.3 合模机构优
6、化设计概况 8 1.3.1目标函数9 1.3.2约束条件9 1.3.3优化方法 10 1.4合模机构优化设计的意义10 1.4.1以往优化设计的不足之处11 1.4.2本次合模机构优化设计的意义11 2 合模机构的运动学及力学模型的建立11 2.1 合模机构的工作原理12 2.2 机构运动特性要求 13 2.3 机构自锁及正常运动条件13 2.3.1 最大启程角max14 2.3.2 前肘杆转角o15 2.3.3 机构变形力和合模力 16 2.3.4临界角a。 19 2.3.5合模油缸推力Po19 2.3.6 合模油缸直径 Do 20 2.4 优化模型的建立 20 2.4.1 目标函数(指标参
7、数)的表达 20 2.4.2 约束条件的建立21 2.4.3 优化数模的建立22 2.5 优化数模的求解 23 3 三维建模和 dms 建模过程 23 3.1 Adams软件介绍 23 3.1.1 Adams软件简介 23 3.1.2 Adams软件基本模块 25 3.2 三维实体建模 28 3.2.1 主要零件图 28 3.2.2 主要零件的校核（轴） 30 3.2.3 五点斜排机构的润滑 303.3 Adams 建模过程 31 3.3.1 启动 Adams31 3.3.2 设置工作环境 31 3.3.3 创建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束32 3.4 仿真结果 33 结论 36 致谢
8、37 参考文献 38 图 1 注塑机开锁模装置总装图 39 图 2 五点斜排机构部装图40引言 五点斜排双曲肘合模机构（简称五点斜排机构）是注塑机上主要装置，是注塑 机机械运动的核心部分。合模机构是保证成型模具可靠夹紧和实现模具启闭及顶出 制品的机构。随着橡胶塑料工业的发展，为提高设备的加工能力，工作效率及产品 的质量，合模机构在向大合模力、高速、安全、低能耗、结构简单和质量小等方向 发展。 作为机械式合模机构，五点斜排双曲肘式合模机构是目前国内外 4000kN 以下 的中小型注塑机广泛采用的结构形式，其特点是承载能力高，结构紧凑，运动特性 良好，力的放大比大，有一定的行程比，刚性足，从而可靠
9、地保证在注塑过程中不 易产生涨模现象，保证产品质量和工作效率。 在双曲肘合模机构的设计中，包括肘杆增力机构的设计，系统刚度的设计，临 界角的设计以及合模油缸推力的设计。由于设计变量繁多，设计复杂，以往对曲肘 式合模机构的设计多沿用经验、类比、试算、近似公式以及做图法来进行设计，不 但工作量大，而且设计参数不可能是最佳组合，也不可能满足多目标的性能要求， 使得曲肘式合模机构的优越性得不到充分的发挥。 合模机构一直是注塑机设计人员努力加以改进的部件，对合模机构进行优化设 计更是专业人事多年来一直都在努力要达到的目标。随着计算技术的发展和计算机 的应用，我国对曲肘式合模机构的优化设计从20世纪80年
10、代末开始，在90年代才 得到不断的开发和应用，目前仍处于不断完善和推少应用当中。一方面是推导更为 合理的教学模型，另一方面是寻求更为有效的优化方法。 在以往机构的优化设计中存在着以下不足:合模机构的力学模型不够完整;合模 机构力的放大倍数表达式不够准确;用简支梁作为模板的力学模型，设计结果误差较 大。 合模机构优化设计的意义在于:系统准确地建立五点斜排双曲肘合模机构的运 动及力学模型;运用计算机软件对合模机构进行优化设计，替代以往的经验、类比、 试算、近似公式以及做图等设计方法;力求合模机构的结构尺寸更合理，从而提高合 模机构的运动及力学性能,为以后注塑机的性能改进提供可靠的依据。图 1 五点
11、斜排合模装置示意图 合开模装置是保证模具可靠闭紧和实现模具启闭动作及顶出制品的部件。一个好 的合模装置必须具备三方面特性：(1)足够的合紧模具的力和系统刚性，保证模具在熔 料的压力下，不产生开缝溢料现象：(2)足够的安装模具的空间及开启模具的行程：(3) 快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢一快一慢的运动特性。五点 斜排机构油压肘杆式具有速度快、变速平稳、节省电力、超载性能好等优点，但同时 也有不能成型深点制品、调模较复杂、合模力重复精度不高、对模具平行度要求较高 等局限。广泛应用于注塑机的合模机构.一套大行程比肘杆机构参数的取值原则；肘杆 合模机构的系统刚度设计方法，从肘杆机构
12、各部件、各零件受力变形相互之间的联系 上，揭示了其内部相互之间存在的规律，把设计理论与设计实际密切联系起来，把设 计理论上的定性变为设计实际中的定量，据此设计的中、大型注塑机双曲肘斜排合模 机构，移模行程与拉杆内间距之比达到(11.1)：1，设计的合模力与实测合模力误差 不到2，设计的移模行程与实测移模行程误差不到l。我国注塑机行业，将此种机 构应用于新开发的注塑机上，主要进行测绘仿制及类比设计，缺少理论性及实践性研 究应用，特别是理论与与实践相互联系的设计研究。因而，双曲肘五点斜排合模机构 的设计水平提高慢，具体反映在注塑机上是移模速度不均匀，冲击大，力的放大比和 行程比的匹配不合理，体积大
13、，近年来，计算机优化设计也有所研究. 由于我国的注塑机产品上的双曲肘五点斜排机构的研究层次较低,停留在吸收借 鉴别人的成果的基础上,而通过使用现代计算机辅助设计软件 dms 进行仿真分析研 究,对以后开发新的产品具有重要的指导作用.通过理论联系实践,又通过实践来反馈 到理论上去,可以相互促进和提高,缩短新产品上市时间,节省生产成本,具有重要的作 用.1. 合模机构设计的意义 1.1 注塑机的工作原理及其基本组成 注塑成型是塑料的主要成型方法，其生产效率高，能成型外形复杂，尺寸精确或 带嵌件的注塑制品，对各种塑料的加工适应性强。因此广泛地应用于国防工业，航空， 交通，电气，机械，建筑，农业，文教
14、，卫生，日用品等各个领域. 注塑成型是一种以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后， 得到和模具型腔一致的塑料制品的一种成型方法。为完成注塑成型，注塑机必须具塑 化，注塑和成型三个基本功能。 为实现基本功能，注塑机由以下几个部分构成: (1)注塑系统 其作用是塑化，计量，注塑，保压。_ (2)合模系统 其作用是固定模具，锁紧模具，开闭模具，顶出制品。 (3)加热冷却系统 对机筒及喷嘴加热，对模具及液压油冷却。 (4)液压系统 为注塑机提供动力来源。 (5)润滑系统 为动模板，调模装置，连杆铰链等运动部位提供润滑条件。 (6)电控系统 对工艺程序进行精确而稳定的控制。 (7)安全保
15、护系统 用来保护人机安全。 (8)监测系统 对油温，料温，系统超载，以及工艺和设备故障进行监测， 发现异常情况进行指示或报警。 图2 注塑机整机实物图1.2 注塑技术的发展趋势 注塑技术的发展与聚合物材料的发展息息相关。 在高速化方面，以尽量缩短成型周期为目标。主要体现为以下几个方面:提高启闭 模速度;提高注塑速度;提高冷却效率;提高塑化能力。适合于高速化注塑机结构的设计 与优化是采用合理的液压系统，优化合模装置的设计等。 在高效化方面，主要体现为高成品率而低能耗，成型过程热量的合理使用，作到 热损失小，效率高。主要体现为以下几个方面:实现低温塑化;动力源和冷却源的合理 使用，如液压系统使用蓄
16、能器等;使用先进的控制技术，提高控制精度，减少废品率。 在自动化方面，主要体现为以下几个方面:加速应用微电脑技术和高精度元件， 替代传统的继电器控制，以提高注塑机的控制水平和技术性能;从注塑机本身实现自动 化到实现注塑生产过程的自动化。 在专门化方面，就是研究制造供专门用途的注塑设备与方法。由于注塑用的塑料 品种十分广泛，在注塑过程中所表现出来的物理性质，热性能，化学性质，流变性质 有很大差异，再加上制品用途不同，因此对注塑设备及技术提出了一些特殊的要求， 以便满足专门用途的需要。以塑代钢制造工程塑件是未来的发展趋势，今后对精密注 塑机的需求量将会明显增力口。 从飞机制造业和汽车工业兴起的模块
17、化设计将广泛地应用于注塑机行业。为实现 多品种，中小批量混流生产，适应市场变化，缩短产品开发周期，提高产品质量，在 注塑机制造行业引入柔性制造系统(FMS)也是势在必行，以此可提高我国注塑机的制造 水平. 1.3 合模机构优化设计概况 在注塑机合模机构的三大类型中，五点斜排双曲肘式合模机构是应用最为广泛的 一种结构型式。目前国内外400吨以下的中小型注塑机均采用此种结构，甚至有的用在 合模力为2500吨力的大型注塑机上。此种结构的特点是承载能力高，结构紧凑，运动 性能良好，力的放大比大，省能，有一定的行程比，刚性足，从而可靠地保证在注塑 过程中不易产生涨模现象，保证产品质量和工作效率。 在曲肘
18、式合模机构的设计中，设计变量繁多，设计计算复杂。以往对曲肘式合模 机构的设计多沿用经验，类比，试算，近似公式以及作图法来设计，不但工作量大， 而且设计参数不可能是最佳组合，也不能满足多目标的性能要求，使得曲肘式合模机构的优越性能得不到充分的发挥。 随着计算技术的发展和计算机的应用，国外从20世纪60年代出现机械优化设计， 对注塑机曲肘式合模机构也采用了计算机辅助设计。我国从70年代末开始采用计算机 编程计算。而对曲肘式合模机构优化设计的研究则始于80年代末，在90年代才得到不 断开发和应用，现在仍处于不断完善和推广应用当中。一方面是推导更为合理的数学 模型，另一方面是寻求更为有效的优化方法。现
19、就五点斜排双曲肘式合模机构的优化 设计作如下综述. 1.3.1 目标函数 曲肘式合模机构设计的已知条件是合模力和模板行程。由曲肘式合模机构的力学 和运动学分析中可以看出:大的增力倍数有利于节能;高的移模速度有利于提高循环次 数而提高生产率;大的模板行程可提高对模具的适应性而扩大使用范围;小的结构尺寸 有利于降低制造成本，减小占地空间。因此，为获得良好的工作特性，优化设计追求 的目标有以下几点: (1)以追求最大的力的放大倍数为目标函数。追求力的放大倍数有利于提高合模 力，降低能耗，提高产品质量。此目标函数实际上是以满足预定合模力条件下以追求 所需最大油缸推力为最小。 (2)以追求最大行程比为目
20、标函数。其设计思想是在动模板行程一定的条件下使合 模油缸行程为最短。换言之，动模板的平均速度为最大。此目标函数有利于提高空循 环次数，缩短成型周期，提高启闭模效率。 (3)以追求最大模板行程为目标函数。其设计思想是尽可能使合模机构能适应不同 厚度的模具，提高注塑机的使用范围。此目标函数常为模板行程只要求在一定范围内 时使用。 (4)以追求最小结构尺寸为目标函数。其设计思想是追求机构总长度为最小或后模 板铰支座中心距为最小。由此使机台结构最小，以达到减小占地空间，减轻机台重量， 降低制造成本。 1.3.2 约束条件 曲肘式合模机构的优化设计，实际上是一个多目标有约束的优化问题。其约束条 件有工作
21、性能约束条件和几何约束条件。 性能约束条件： (1)为保证机构正常启闭运动，不发生自锁现象的约束条件;(2)为增加机台循环次数，行程比必须满足设计要求的约束条件; (3)获得合理增力倍数，保证合模力的约束条件; (4)为保证系统刚度，对合模机构临界角的约束条件; (5)为保证动模板在任何位置都能克服系统阻力，实现可靠闭模，而对油缸推力 要求的约束条件； (6)为结构紧凑，启闭模可靠，对初始角，斜排角，终锁角的必要的约束条件。 几何约束条件： (1)为避免对称曲肘相互干涉的约束条件; (2)为保证相同杆件铰支点便于制造，运动中不发生干涉的最小长度约束条件; 1.3.3 优化方法 (1) 目标函数
22、的选择和协调 合模机构优化设计的目地是追求机构具有良好的综合性能。然而，希望上述各个 目标函数都获得最优解实际上是不可能的。因为从机构的力学及运动学分析中可知， 它们之间存在着矛盾或相互制约的关系。因此，如何进行目标函数的选择和目标函数 间的协调，以构成一个统一的目标函数，是进行优化设计的首要问题。统一目标函数 主要有四种方法:加权组合法，目标规划法，乘除法和功效系数法。以往的优化设计中 多采用功效系数法。 (2) 优化方法的选择 优化方法的选择主要是根据具体情况从三方面考虑而定的。一是方法的可靠性， 这是评价优化方法好坏的重要原则;二是方法的有效性，与各种方法在同样条件下计算 函数值的次数有
23、关;三是计算前的准备工作量及占用计算机存储单元的数量。曲肘式合 模机构的优化设计问题属于有约束优化问题，根据对约束条件的处理方法不同，可分 为两大类:直接法和间接法。以往的优化设计多采用间接法中的惩罚函数法。 (3) 初始化参数设计 曲肘式合模机构的初始化参数设计包括合模机构各构件的强度刚度计算和基本 结构设计。其目地是在保证机构满足最大合模力要求的强度和刚度前提下，首先确定 模板尺寸及厚度，连杆断面尺寸，销轴直径，销轴衬套直径，以及铰支座处外缘直径， 然后再进行优化设计程序。并能进行必要的修正。为便于结构布置和不干涉，有关十 字头和模板的约束条件。 1.4 合模机构优化设计的意义1.4.1
24、以往优化设计的不足之处 (1) 合模机构的力学模型不够完整 以往优化设计中，绝大多数只对机构的行程比，力的放大倍数，最大模板行程或 机构总长进行优化设计，得出的结果只是机构自身的尺寸参数，而并未考虑机构的强 度及刚度问题。近期的优化设计，在初始化设计中，考虑了机构的强度及刚度问题， 但也未考虑合模油缸推力这一关键问题。 (2) 合模机构力的放大倍数表达式不够准确 以往的优化设计中，力的放大倍数表示为后肘杆角度变化量的关系式。但由于其 基准选择不当，导致力的放大倍数表达式不够准确。这将影响到最后的优化结果。 (3) 模板强度及刚度计算误差较大 合模机构设计中，系统刚度的确定即是重点也是难点，它包
25、括了合模机构中所有 受力构件的力学计算问题，而其中模板的强度刚度计算最为关键。以往设计中，系统 刚度力学模型是单曲肘结构型式的模型，并且将模板简化为简支梁进行力学计算，所 得结果偏干保守 ，误差较大。 1.4.2 本次合模机构优化设计的意义 (1) 系统准确地建立五点斜排双曲肘合模机构的力学及运动学模型，包括力的放 大倍数，系统刚度，临界角，合模油缸推力，行程比以及模板移动速度等。 (2) 应用仿真优化方法，在计算机上对合模机构进行设计，替代传统的经验，类 比，试算，近似公式以及作图等设计方法。 (3) 力求合模机构的结构尺寸更加合理，从而提高合模机构的力学及运动学性 能。 本文在系统准确地建
26、立五点斜排双曲肘合模机构的运动及力学模型的基础上，突 破了传统的设计方法，采用现有的设计软件，对一款注塑机合模机构进行全面的优化 设计计算。 2 五点斜排双曲肘合模机构的运动学及力学模型的建立 五点斜排双曲肘合模机构是目前在注塑机中应用最为广泛的一种结构型式。由于 斜排结构，使其设计计算公式与直排式有很大差别。因此，符合这种合模机构运动特 性和力学特性的计算公式的正确表达就显得相当重要。这关系到合模机构的合理设计 和优化设计中数学模型的建立。五点斜排双曲肘合模机构见图3.图3 双曲肘合模机构结构图 1一油缸;2一调模板;3一调模板铰耳;4一后肘杆;5一十字头; 6一连杆;7一前肘杆;8一动模板
27、铰耳;9一动模板;10一拉杆; 2.1 五点斜排双曲肘合模机构的工作原理 图4 五点斜排合模机构工作原理图 图4是此机构在两极限位置（开模最大位置点E2和合模最大位置点E1）的示意图， 其工作原理为合模油缸通过机构四驱动肘杆机构摆动, 使动模板沿导柱轴向移动, 实 现开闭模及锁模工艺要求。当锁模开始时，活塞推动机构从合模最大位置向开模最大 位置运动，但当机铰处于B2点时，理论上通过死点自锁无论使多大的力都不能向右运 动，所以在设计当中应该避免死点自锁，否则将产生很大的冲击振动或根本锁不住模。 当活塞运动到接近E1，即机铰C到达或接近锁模终止C1时，动模板就依靠机构的自锁不 会继续前进，这是该机
28、构所必需具备的自锁条件。因此合理设计活塞的两极限位置直 接反映注塑机的工作性能（如冲击振动、锁模力的大小、自锁性能等）。当机构运动 到终点前某一位置时(称为临界角) , 模具刚好碰上。机构继续运动, 迫使合模装置 机件发生弹性变形, 从而在模具间产生很大的力(称为锁模力) , 以保证注塑时模具不被胀模力顶开。运动终止时, 杆L 1、L 2 在一直线上, 处于自锁状态。这时, 即使油 缸卸荷, 锁模力也不会消失。 机构自由度F 如图3所示，双曲肘合模机构上下对称布置，这样可提高机构的系 统刚度，改善受力状况。合模机构中对运动不起作用的对称部分属于虚约束，应先去 掉再算自由度。机构中无局部自由度，
29、无高副。根据机械原理教材可知，n=5, Pl=7, Ph=0得到： F=3n-2Pl-Ph =15-14-0=1 2.2 机构运动特性要求 对该机构提出的设计要求为: 在满足规定开模行程S1条件下, 希望有大的行程比 和力放大比; 动模板运动符合“慢快慢”变化规律; 机构紧凑。但行程比与力放 大比是矛盾的, 为此用功效系数统一, 要求有高的功效系数。图3为该机构的原理图， 其中H、H0和h是以机构的对称中心为基准的高度方向尺寸，S1为锁模油缸的行程，S2 为动模板的移模行程。是当L1和L2杆共线时关于水平面的夹角，b为行程终止杆L2 与水平面的夹角。针对上述陈述，建立机构的特性分析数学模型如下
30、： 1sin( )( 0) arcsin 2 L HH L q+a- b= （20） 3sin() 4sin(2) hHL L =- q+g- y （21） 3sin( ) arcsin 4 HhL L - q+g y= （22） 13cos( ) 4cos(2)3cos( ) 4cos() SL L L L = q+g- Y- q+g+a+ y0 （23） 21cos( ) 2cos SL L = a+q+ b （24） 2 1 S W S = （25） 3sin( )cos 1sin()cos L M L q+g+a+Yb = q+a+b Y （26） 1/ Rv M = = 1sin()
31、cos 5sin( )cos L L q+a+b Y q+g+a+Yb （虚功原理） （27） E=L4sin+L5sin(+) (28) 其中W为行程放大比，M是力的放大比，Rv为速度变化系数。2.3 机构自锁及正常运行条件 2.3.1 最大启程角max.图5 双曲肘合模机构自锁条件 2.3.2 前肘杆转角o.综合上述分析，机构的自锁条件是：max+=160,机构的正常运行条 件是：max+160.2.4 优化数模的建立 对注塑机来讲, 动模板行程S2、导柱间距2H0为已知设计参数。这样图4中涉及L 1,L 2,L 4,L 3，,及七个设计变量。为了便于揭示设计变量与指标参数间的关系, 本
32、文将、处理为给定变量, L2 和用等式约束条件消除, 这样本优化设计具有三个 独立变量X = L1,L4,L3 T = x1, x2, x3 T 。 2.4.1 目标函数(指标参数) 的表达 有关该机构的评价指标已见诸于许多文献中18 ,本文在研究时, 以功效系数Y 最大为追求目标, 同时要求行程比W 和力放大比M 不低于某数值, 兼顾动模板速度增益比CV 及机构紧凑等指标。 (1) 功效系数Y 用行程比W 和力放大比M 乘积表示Y = WM (1) (2) 行程比W 用动模板可能达到的行程S2 和油缸机构四所需行程S1之比表示。用下式计算 W= (x 1 + L 2) co s() x 1c
33、o s (+ ) L 2 x3*cos(+)x2*cos(+)x3*cos(+)+x2*c c os() o s * q * qa * b qg qga qga Y0 (2) 式中b为行程终止杆L2与水平面的夹角，在水平下取正值。其值为 1 sin1s L 2 in 12 x xL - b= a+q-+ q/ （ ）（ ）sin (3) (3) 当=0时，=0；+=90度时，=mx。mx大，有助于缩矩L 2,但 动 模板对导柱垂直分力大。文献8推荐mx=45。由此求得L2 为 L 2 = x i (1 sin)/(sinmx + sin) (4) (4) 式(2) 中,0为机构最大摆角。令动模
34、板行程S2 =So,由此可导出0(见图3) : 0 = C1AC2 (5) 为L 4 杆位置角。按式(6) 计算: 1 sin( 3sin /2 Hhx x - y= - q+g+a ）（） (6) 当=0 时, 令=2。本文取2=90。 当=0时，令=0。 式中H , h 按下式计算: H = H0+(x1 + L2)sin h= Hx3sin(+ ) x2sin2 (5) 力放大比M 力放大比为动模板轴向推力与合模油缸推力之比。按下式求解6: 3cossin Mx = b a+b+g+Y Yq+g+b （ ）/x1cossin（ ） (8) 显然,M 随而变化。 (4) 辅助评价指标 速度
35、增益比CV 速度增益比用CV= 1/M 7表达, 用以检验动模板速度变化规律。 机构紧凑 用机构轴向尺寸来衡量该指标, 这不仅有助于缩短整机轴向尺寸, 且在保证所需锁模力下有利于减小杆件截面尺寸。机构轴向尺寸按式(9) 计算: 12cos3co x2cos s LxL x =+ q- q+ y0 g+a （ ） （ ）+ 至此, 在规定S2、H0及给定一组、值后, 全部指标参数均可计算求得。 2.4.2 约束条件的建立 (1) x1(L1)约束条件 x 1应大于S 2（动模板行程）之半且上下对称肘杆在摆动时不干涉,由此得 到： (1) G = D （x1-(S2/2)0 G(2)=(H-x1-
36、(C/2)-0 (2) x2(L4) 约束条件 x 2 最短应满足结构尺寸要求。最长给予一定限制, (3)(1(1 (4)(0.752)0 G x B G Hx =-j+jE1)/2-D)0 = - (3) x3(L3) 约束条件 G (5) = (x 3 (A + B )/2 ) 0 G (6) = (H x 3 B /2 ) 0 jj D j D (4) L3杆约束条件 G (7) = (L3 (B + C)/2 )0 jj D (5) 十字头h 的约束条件 G (8) = (h (O + E )/2 )0 jj D 上述各式中ji为i处销轴的直径，D为余量。 (6) a 约束条件 为了有
37、助于机构紧凑, 本文对a提出: G(9) =(a-95)0 (7) 防止自锁的约束条件 为防止机构合模初始位置出现自锁, 对角度参数提出如下约束8 (当y0负时) G (10) = (1500 )0 G (11) = (45+ 0)0 -Y-a-g-q Y 2.4.3 优化数模的建立 上述各式归纳为本机构优化数模为：给定S2、H0及q, g求X =x1,x 2,x 3 T 。 使 min F(X)= Y=WM s.t G(i)0 (i=1,2,3,11) 2.5 优化数学模型的求解 以最小功效系数为目标，结合上述分析的约束条件，属于典型的线性规划问题， 运用数学 线性规划 软件 Matlab
38、求解 ， 以 =3 , =20 , =102 ， H=310mm;H0=283.5mm作为机构设计的前提进行优化，最后可以得到：h=130 mm,L1=220 mm,L2=313 mm,L4=106 mm,L3=200 mm,S1=355mm,S2=362mm,=41. (以上结果考虑到设计和制造时的需要，均已经圆整)。 3. 三维建模和Adms建模过程 3.1 Adams 软件介绍 3.1.1 Adams软件简介 ADAMS软件，即机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美国 MDI 公司(M
39、echanical Dynamics Inc.)开发的虚拟 样机分析软件。目前，ADAMS 己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料， ADAMS软件销售总额近8 千万美元、占据了51%的份额。 ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械 系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系 统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰 撞检测、峰值载荷以及计算
40、有限元的输入载荷等。 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件， 用户可以运用该软件非常方便地对虚拟 机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具， 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虚拟样机分析 的二次开发工具平台。 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，如表 3-1 所示。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。表 3-1 ADAMS 软件模块 基本模块 用户界面模块 ADAMSView 求解器模块 A
41、DAMSSolver 后处理模块 ADAMSPostProcessor 扩展模块 液压系统模块 ADAMS/Hydraulics 振动分析模块 ADAMS/Vibration 线性化分析模块 ADAMS/Linear 高速动画模块 ADAMS/Animation 试验设计与分析模块 ADAMS/Insight 耐久性分析模块 ADAMS/Durability 数字化装配回放模块 ADAMS/DMU Replay 接口模块 柔性分析模块 ADAMS/Flex 控制模块 ADAMS/Controls 图形接口模块 ADAMS/Exchange CATIA专业接口模块 CAT/ADAMS Pro/E
42、接口模块 Mechanical/Pro 专业领域模 块 轿车模块 ADAMS/Car 悬架设计软件包 Suspension Design 概念化悬架模块 CSM 驾驶员模块 ADAMS/Driver 动力传动系统模块 ADAMS/Driveline 轮胎模块 ADAMS/Tire 柔性环轮胎模块 FTire Module 柔性体生成器模块 ADAMS/FBG 经验动力学模型 EDM 发动机设计模块 ADAMS/Engine 配气机构模块 ADAMS/Engine Valvetrain 正时链模块 ADAMS/Engine Chain 铁路车辆模块 ADAMS/Rail3.1.2 ADAMS软件
43、基本模块 （1）用户界面模块（ADAMS/View） ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一， 采用以用户为中心的交互式图形 环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显 示、优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ADAMS/View 采用简单的分层方式完成建模工作。采用 Parasolid 内核进行实体建 模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持 FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。 除此之外， 还提供了丰富的位移函数、 速度函数、 加速度函数、接触函数、样条函数、力
44、/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若 干用户子程序函数以及常量和变量等。ADAMS/View模块界面如图 31所示。 图 3-1 ADAMS/View模块 ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口， 能够在同一窗口内可以同步显示模型 的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲线、圆 曲线、平面曲线、以及曲线曲线、实体实体等碰撞副自动定义接触力；具有 实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把 单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个 Parasolid 文件 中；具有新型数据库图形
45、显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选 择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能， 绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一 个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及 其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、 精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持 lntel Windows NT 平台的快速图形加速卡，确保 ADAMS/View 的用户可以利用高性 能OpenGL图形卡提高软件的性能； 命令行可以自动记录
46、各种操作命令， 进行自动检查。 （2）求解器模块 (ADAMS/Solver) ADAMS/Solver 是 ADAMS 系列产品的核心模块之一，是 ADAMS 产品系列中处于心脏 地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和 动力学的解算结果。ADAMS/Solver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种 工程应用问题。 ADAMS/Solver 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系 统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自 己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添 加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 ADAMS/Solver 新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程 度自动调整参数， 仿真计算速度提高了30%； 采用新的S12型积分器 （Stabilized Index 2 intergrator），能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增
