基于ADAMS的柔性體并聯(lián)機構的變形及振動仿真分析

劉紅軍，張慶飛

（沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110168）

0 引言

并聯(lián)機床是近二十多年來發(fā)展起來的一種機構種類。它具有剛度大、結構穩(wěn)定、承載能力大、精度高、速度和加速度高、位置反解容易等諸多特點，應用領域前景廣闊。對于此類機床，雖然相對傳統(tǒng)的機床結構有較大的改進，但機床主要連接部件的剛度情況依然是影響機床精度的最主要因素，所以對機床的剛度分析是設計過程中非常重要的環(huán)節(jié)。

ADAMS做為專業(yè)的仿真軟件，利用其各種專用模塊可以建立起復雜機械系統(tǒng)的運動學和動力學模型，其模型可以是剛性體，也可以是柔性體，以及剛柔混合模型。其自身帶的AUTOFLEX模塊為剛性體與柔性體的轉變提供了便利的條件，強大的后處理功能更是讓這個軟件有了其不可比擬的優(yōu)勢，如果在產(chǎn)品的概念設計階段就采用ADAMS進行輔助分析，就可以在建造真實的物理樣機之前，對產(chǎn)品進行各種性能測試，達到縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的目的。

本文針對一種四自由度并聯(lián)機構，采用ADAMS軟件進行機構剛度特性及振動特性分析。首先利用ADAMS進行了簡化模型的創(chuàng)建，進而對構件進行了柔性體中性文件的轉化，對模型在受到各方向外力作用時柔性構件的變形情況和機構執(zhí)行端的位移變化進行對比，分析其各方向剛度特性，從而為設計提供一定的理論基礎，為以后物理樣機的創(chuàng)建提供強大的理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 三維模型的建立

本文研究的并聯(lián)機構采用4自由度并聯(lián)機構，利用ADAMS/VIEW模塊建立機構的簡化剛性模型，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)機構剛性模型

通過對模型的建立和對相關聯(lián)的部位進行合理的約束，使得模型能夠在驅動的作用下按預想的軌跡運動，并且模型的自由度為零，沒有過約束產(chǎn)生，利用ADAMS的驗證功能對模型進行了驗證，如圖2所示。驗證結果表明所建立的模型在添加4個驅動后模型自由度為零，并且沒有過約束，模型正確。

圖2 剛性模型的驗證

2 柔性模型的建立

純剛體模型無法完整表達機構的動力學特性，因此需對模型進行柔性體模型設計。其中重要一步是采用柔性體替換剛性體，在建立柔性體的時候，讀入的柔性體的位置并不一定是所要的位置，在柔性體上定義運動副和載荷也不方便，這里采用直接將柔性體替換剛性體的方法進行處理，替換后的剛性體或柔性體上的運動副或載荷等會自動轉移到柔性體上，剛性體或柔性體上的MARKER點會轉移到柔性體上與MARKER點最近的節(jié)點上，新的柔性體還會繼承原來的剛性件或柔性體的一些特征，如顏色、圖標、尺寸、初始速度、模態(tài)位移等，這樣就方便了操作，需要注意的是柔性體的幾何模型與被替代件的幾何模型最好一致。

利用ADAMS柔性體替換剛性體來將所需的構件轉化成模態(tài)中性文件，本模型中主要的變形構件為四個連接立柱與動平臺的連桿和支撐平臺的六桿機構，在運動過程中，連桿和六桿機構的剛度直接決定了動平臺上刀具的精度，所以本模型將連桿和六桿柔性化，柔性化以后的模型如圖3所示。

圖3 并聯(lián)機構柔性體模型

在仿真的過程中，由于驅動與模型自重和阻力的作用，模型運動軌跡與理想軌跡有所差別。其中柔性構件通過力的作用有所變形，變形的大小與作用力的大小和方向有著直接的關系，如圖4所示，在圖形中不同的顏色代表不同的受力大小。通過該仿真，可明確模型在運轉過程中柔性體的主要受力與變形情況，為物理樣機設計提供參考。

圖4 仿真過程中的變形情況

3 模型的優(yōu)化與振動仿真

為了應用該機構進行機械加工，需要對其振動特性進行分析和優(yōu)化。本文對模型的優(yōu)化主要是采用了附加柔索的形式，由于在受力后機構中的桿件會發(fā)生變形，且考慮到加入了柔索的特殊性，這里將機構的動平臺與機架頂部用柔索連接，依據(jù)其各桿件材料特性，應用ADAMS軟件中提供的彈簧原件，將合適剛度的彈簧替換柔索，這樣整個機構就構成了（M-K）彈簧和柔性體振動系統(tǒng)。其參數(shù)設定為：彈簧的剛度系數(shù)K=3000，阻尼系數(shù)C=200。優(yōu)化后的系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的模型

為了進行對比分析，同時對原模型與優(yōu)化后的模型進行輸入、輸出通道的設定：

Input channel（輸入通道）：在動平臺中心處的模擬刀具的端點markerdaoju上施加一個沿Z方向的正弦作用力，大小為1000N。

Output channel（輸出通道）：由于對本機構而言，最主要的振動方向為總體坐標系的Z方向，所以在動平臺質心處pingtai.com處以動平臺質心沿Z方向建立一個輸出通道： Output channel_z。

圖6 優(yōu)化后模型Z方向的振動曲線

圖7 原模型Z方向的振動曲線

表1 優(yōu)化前后振幅對比

由上述對比分析可以看出，對改進前后兩種機構給以相同的激振力，用同樣的方式對其進行受迫振動分析時，他們的相應振幅有所不同，改進后加入柔索的機構的振幅明顯小于未改進的機構。且隨時間的變化，機構在兩個測試方向上的振幅均有明顯的減小趨勢，而未加入柔索的機構在運動中始終有沿Z方向上的較大振幅的振動。綜上可以得出結論，在并聯(lián)機構中加入了柔索對其有明顯的抑制振動作用，同時機構在抵抗外力的性能上有明顯的提升。

4 結論

通過對以上并聯(lián)機構的仿真分析，根據(jù)剛性體與柔性體的運動位移軌跡對比，可見在運動的過程中，在機構運動到不同的位姿時，其柔性體的變形量也隨著有所變化，而且當在受力點施加不同方向的力時，其對機構在各方向的變形情況的貢獻量也不同，所以可以通過對剛柔結合的結構體模型進行更加真實的仿真運動來模擬出物理模型所應該具有的運動特性。這也結束了傳統(tǒng)意義上的仿真模式——只是對剛性體進行運動學理論上的模擬，通過以上對剛柔結合模型的介紹和模擬，實現(xiàn)了柔性體的仿真。

通過振動模塊對模型的分析，優(yōu)化結構對機構的振動有明顯的抑制作用，為以后的研究提供了方向。

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