曲柄滑塊機構是機床及其他機械中的一種常用主機構，因此分析其運動學和動力學特性就顯得非常重要。本講座第一講，將介紹在ADAMS中建立曲柄滑塊機構的虛擬樣機模型，以及整個建模、施加約束和添加力的過程。并在此基礎上，求解滑塊的運動參數(shù)隨時間變化的曲線，以及隨曲柄和連桿間關節(jié)位置變化的曲線，最終得到曲柄與連桿接觸鉸點的受力情況分析。

　　在曲柄滑塊機構中，若曲柄為主動件，當曲柄連續(xù)回轉時，通過連桿帶動滑塊作往復直線運動;反之，若滑塊為主動件，當滑塊做往復直線運動時，通過連桿帶動曲柄作連續(xù)回轉運動。一般是將曲柄的轉動轉化為滑塊在直線上的往復運動，這種運動轉換方式使曲柄滑塊機構成為沖床、壓氣機和活塞式水泵等機械的主運動機構。其運動簡圖如圖1所示。

　　由圖1可以看出，當曲柄繞固定點O以角速度旋轉時，由連桿AB帶動滑塊在水平槽內做往復直線運動。假設初始時刻曲柄的端點A位于水平線段OX上，曲柄從水平初始位置起轉動的角度θ為曲柄轉角，連桿AB與OB的銳夾角δ稱為擺角。

　　在機械設計中要研究滑塊的運動規(guī)律和擺角的變化規(guī)律，如果采用數(shù)學建模的方式進行求解將非常復雜，也非常費時，因此采用ADAMS軟件分析其運動學和動力學特性。

　　一、曲柄滑塊機構的虛擬樣機建模

　　ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一，作為一個強大的建模和仿真系統(tǒng)，ADAMS/View采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將鼠標點擊操作、圖標操作、菜單操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優(yōu)化設計、后處理圖形顯示、結果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。

　　利用ADAMS/View可以建立一個與機械系統(tǒng)物理樣機完全等效的虛擬樣機。通過用約束連接各部件，添加運動部件，將其組成一個完整的系統(tǒng)，利用外力或運動驅動機構動作。另外，用戶還可以在模型中使用彈簧、阻尼器和摩擦力等，以便提高仿真的精度。同時，ADAMS/View還支持參數(shù)化建模，因此工程師能很容易地修改模型并用于實驗研究。

　　在ADAMS/View中建立曲柄滑塊機構的虛擬樣機模型，具體步驟如下。

　　(1)創(chuàng)建一個新的工程模型，設置重力加速度和單位等，一般采用國際單位制。

　　(2)進入Setting菜單，設置好網格尺寸和顏色等參數(shù)，方便虛擬樣機的建模。

　　(3)采用Cylinder圓柱體建立曲柄模型，由于圓柱體默認的定位方向與設計師的目標定義不同，因此需要右鍵點擊Modify，設置定位方向。另外，其位置不是關于XOY平面對稱的，因此也需要右鍵點擊Modify，設置其關于XOY平面對稱。

　　(4)在合適位置采用Box長方體建立滑塊模型，右鍵點擊Modify，設置其關于XOY平面對稱。

　　(5)采用Link建立連桿模型，分別選擇曲柄和滑塊的位置點放置連桿，右鍵點擊Modify，設置其關于XOY平面對稱。

　　(6)設置曲柄和連桿、連桿和滑塊的聯(lián)接方式均為鉸接，具體操作如圖2。

　　(7)在滑塊上添加單向力(Force)，選擇Run-Time Direction為“Space Fixed”，即方向固定。添加力約束之后，右鍵選擇“Force: Sforce_1>Modify”，點擊“Function Builder”，進入“Function Builder”對話框，施加一個“sin(t)+10t”的-X方向力，具體操作方式如圖3和圖4所示。

　　(8)修改各個模型的質量屬性。選中需要修改質量屬性的構件，選擇“Modify”，“Define Mass By”中有三種選項：“User Input”、“Geometry and Density”和“Geometry and Material Type”，在這里選擇“Geometry and Material Type”，在“Material Type”中選擇“Material>Guesses>Steel”。

　　經過以上8個步驟的操作，即可完成對虛擬樣機的建模。

　　二、曲柄滑塊機構的動力學仿真

　　點擊“Interactive Simulation Controls”按鈕，選擇合適的仿真時間和步數(shù)。將模型視圖調節(jié)為iso顯示方式，點擊Start按鈕，可以清晰地看到機構的運動情況，而且還可以直觀地看到所施加的力隨時間變化的情況，如圖5所示。

　　三、曲柄滑塊機構的后處理分析

　　后處理模塊ADAMS/PostProcessor是主要顯示ADAMS仿真結果的可視化圖形界面，一般地，ADAMS/Postprocessor被用來處理仿真結果數(shù)據(jù)或顯示仿真動畫等。處理后的結果既可以顯示為動畫，也可以顯示為數(shù)據(jù)曲線;既可以在同一頁面內最多顯示6個視圖，也可以每個數(shù)據(jù)曲線在一個單獨的頁面顯示。為了能夠反復使用，頁面設置以及數(shù)據(jù)曲線格式都能保存起來，這樣既有利于節(jié)省時間也有利于整理標準化的報告格式。

　　ADAMS/PostProcessor既可以在ADAMS/View環(huán)境中運行，也可獨立運行。獨立運行時可以加快軟件啟動速度，節(jié)約系統(tǒng)資源。

　　ADAMS/PostProcessor的主要特點是：采用快速高質量的動畫顯示，便于從可視化的角度深入理解設計方案的有效性，用戶既可以向前或者向后播放動畫，又能隨時中斷播放動畫，而且還可以選擇最佳觀察視角，從而使用戶更容易地完成模型排錯任務。為了驗證ADAMS仿真分析結果數(shù)據(jù)的有效性，工程師可以輸入測試數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)與仿真結果數(shù)據(jù)進行繪圖比較，還可對數(shù)據(jù)結果進行數(shù)學運算，對輸出進行統(tǒng)計分析。同時，系統(tǒng)還支持靈活多變的窗口風格，支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲，可以將多視窗動畫與曲線結果同步顯示，并可錄制成電影文件。另外，還可以改變圖表的形式，添加標題和注釋等。工程師甚至能夠載入實體動畫，從而加強仿真分析結果數(shù)據(jù)的表達效果。系統(tǒng)還能在播放三維動畫的同時，顯示曲線的數(shù)據(jù)位置，從而觀察運動與參數(shù)變化的對應關系。

　　在主菜單上點擊Ploting按鈕進入后處理界面，可以查看感興趣參數(shù)的時域曲線，對曲柄滑塊機構做定量分析。圖6～圖8分別顯示了滑塊的位移、速度、加速度和平動動能隨時間的變化曲線，滑塊的位移隨曲柄和連桿間關節(jié)位置的變化曲線，曲柄與連桿接觸點的受力情況。

　　四、結束語

　　本講對曲柄滑塊機構進行了虛擬樣機的建模和仿真。雖然模型較為簡單，但是由于考慮了尺寸等效、摩擦力影響、約束情況和受力情況等，可以反映出曲柄滑塊機構實際的運動狀態(tài)，大大簡化了分析過程，節(jié)省了分析時間，為其他的機構分析提供了借鑒。