液压支架四连杆建模及优化设计.doc

本科毕业设计说明书四连杆机构的建模及优化设计FOUR-BAR LINKAGE DESIGN OF THEMODELING AND OPTIMIZATION学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2010年 5 月 31 日四连杆机构的建模及优化设计摘要四连杆是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一，其作用概括起来主要有两。一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹近似双纽线。从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；二是使支架承受较大的水平力。这篇文章就是讨论液压支架四连杆机构的。在文章里，我们研究了液压支架四连杆机构所面临的问题，及可以从几个方面考虑解决的方法。文章研究的是液压支架四连杆机构，液压支架四连杆机构是矿上机械液压支架的关键部件。文章对四连杆机构和液压支架整体进行了研究。文章还对四连杆机构的动态特性进行分析，在此过程中运用了SolidWorks中的COSMOSMotion进行建模和运动仿真。关键词：四连杆，SolidWorks，COSMOSMotion，运动仿真FOUR-BAR LINKAGE DESIGN OF THEMODELING AND OPTIMIZATIONABSTRACTFour-link is the shield support bracket and support shield one of the most important components, its role can be summarized as two. First, when the support changes from high to low, with four-bar linkage so that the front support beam trajectory point approximation lemniscates. So that the front support beam points away from the wall of the changes with the coal greatly reduced, improving the management performance of the roof; Second, the level of support to withstand greater force. This article is to discuss four hydraulic linkage mechanisms. In the article, we study the four-bar linkage hydraulic problems, and can be considered from several aspects of the solution. This paper studies the four hydraulic linkage, hydraulic four-bar linkage is mine machinery - the key hydraulic components. Article on the four-bar linkage and hydraulic support the overall studied. Paper also the dynamic characteristics of four-bar linkage analysis, in the process of the Application of the SolidWorks COSMOSMotion in modeling and motion simulation. KEYWARDS：Four-link, SolidWorks, COSMOSMotion, motion simulation.目录摘要IABSTRACTII1.1引言11.2 SolidWorks软件简介11.2.1 SolidWorks功能描述11.2.2 CAD技术概述31.2.3 CAD系统41.2.4 CAD技术的应用41.2.5 COSMOSmotion简介62四连杆机构建模72.1四连杆机构的作用72.2四连杆机构的几何作图法82.3 四连杆机构优选方法122.3.1 目标函索的确定122.3.2 四连杆机构的几何特征122.4运用SolidWorks建立四连杆机构模型122.5 本章小结153 对四连杆机构进行COSMOSMotion运动分析163.1COSMOSMotion软件的应用163.2四连杆机构的运动仿真过程173.2.1选择马达和设置马达参数183.2.2仿真机构的运动设置193.2.3 仿真机构的参数设置193.3 仿真数据处理20结论33参考文献34致谢351绪论1.1引言液压传动时一项新兴技术，他被引用到工业领域只有很短的时间，液压支架已广泛应用于我国煤矿井下支护，它具有初撑力大、恒阻、安全和高效等特性，是适合我国国情的一种有效的工作面支护设备。四连杆机构使液压支架的重要组成部分，它的性能好坏直接影响液压支架的工作性能。1.2 SolidWorks软件简介SolidWorks软件是在总结和继承了大型机械 CAD 软件的基础上, 在 Windows 环境下实现的全参数化三维实体造型软件， 它具有强大的零件设计、 钣金设计、 管理设计、 绘制二维工程图、 支持异地协同工作等功能， 能使零件设计、 装配设计和工程图保持时刻的全相关和同步。SolidWorks是美国SolidWorks公司基于Windows平台开发的著名的全参数化三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能，它可以实现由三维实体造型向二维工程图的转化，能够使零件设计、装配设计和工程图保持时刻的全相关和同步。同时SolidWorks具有良好的开放性和兼容性。它不仅可以向下兼容二维AUTOCAD，使得以前采用AUTOCAD软件进行的设计得以继续使用和转化，同时还可以与许多其它专业软件（如有限元分析软件Ansys、数据加工软件Camworks、数据管理系统SmarTeams、三维实体设计软件UG、PRO/E等）无缝集成为功能十分强大的CAD/CAE/PDM系统，完全能胜任大型工程与产品的设计、分析、制造和数据管理。目前，各类用户不仅在SolidWorks的强大功能进行各类专业设计，同时也在不断探索SolidWorks的二次开发技术，从而力求扩展SolidWorks的功能并使其用户化、专业化。1.2.1 SolidWorks功能描述1）草图：SolidWorks草图可以插入参考图片，图线可以自由拖动，自动解算，自动标注，自我修复。2）配置：SolidWorks独特的配置功能迅速展示不同设计方案，以及零件不同状态，比如：能够迅速获得零件毛坯形态和尺寸，不仅仅为设计，更延伸到对工艺过程的支持。 3）阵列：除了常见的规则阵列，更含有草图驱动、特征驱动、曲线驱动、数据文件驱动等多种阵列能力，比如：仅仅用一个曲线驱动阵列，就能模拟电缆拖链的动态占位效果。 4）多实体建模：多实体建模为复杂模型建造带来更多的实用手段，甚至能像装配那样移动、重组实体，完美地实现零件插入零件的复合造型。 特型造型：SolidWorks独特的特型造型功能极大提高了艺术造型的能力与效率，比如：仅仅使用平直线条的简单造型，迅速就能转化为曲面模型。 5）钣金：强大的钣金功能含有多种造型模式，能完成复杂钣金件的快速建模，比如：放样钣金造型能够展平含有复杂曲面的钣金件，为相关工艺准备提供迅捷支持。 6）曲面造型：全面而富于特色的曲面工具，丰富的选项，甚至能完成动物、运动鞋那样的复杂模型，仅仅一个填补曲面的功能，令许多费力费时的曲面修补变得如此轻松。 7）焊件功能：仅仅选择路径即可快速完成型材组构焊件，自动生成下料清单，并统计材料类型与长度等等。 8）材质纹理：快速获得重量、重心等数据，甚至不用渲染，仅仅使用表面纹理即可获得满意的真实视觉效果。 9）尺寸关联：通过建模过程中设定的关键数据关联。比如：当改变轴承的型号时，相关的轴径、轴承座等零件自动变化，无须单独修改。 10）自定义资源：含有多种项目的自定义资源极大地提高设计效率，比如：在轴上开一个圆头建槽，或是在管端生成一个法兰，仅仅通过拖放、选参数、确定等三到五次鼠标点击即可完成。 11）装配：仅仅是拖放即可自动建立合适的配合关系，智能零部件与扣件还能自动调整参数以适应装配需要，天生就具备动态模拟的能力，甚至能模仿真实碰撞致动的效果。多达四十万件的大型装配也通过了测试。使用图块，在装配中更方便地进行自顶而下的设计工作，使得总体布局草图兼备简洁灵活而详细的能力。 12）工程图：零件与装配体的工程图都是自动投影生成，自动填写标题栏，可控地自动投影尺寸，还能根据不同的配置，给出零件不同状态的工程图，为工艺准备带来极大便利。并且完全支持图层、线型等二维CAD能力，并能生成二维CAD可读的文件。 13）数据转换：SolidWorks配有丰富的数据接口，含有自动修复模型能力，它所能够打开以及转出的数据格式也许是最多的，比如：它能直接打开PRO/E文件，并读取特征使之成为可编辑的SolidWorks模型。14）另外除了这些基础的功能，专业版或者高级版还有许多的辅助高级功能，比如:专业版中包含PDMWorks（工作组级数据管理工具）、SolidWorks Toolbox（支持自定义的零件库）、eDrawings Professional（完全版设计交流工具）、Photoworks（具有专业水准的渲染工具）、Featureworks（独特的，把别的CAD模型转化为自有参数模型的工具）、SolidWorks Animator（动画制作工具）、3D Instant Website（在网页上发布三维模型）等等；高级版中包含COSMOSWorks Designer（专业级有限元分析工具）、COSMOSMotion（运动分析工具）、SolidWorks Routing（管路线缆辅助设计工具）等功能。1.2.2 CAD技术概述CAD（计算机辅助设计）技术是由信息技术（包括计算机、网络通讯、数据管理等技术）和设计技术（包括工业设计、产品设计等）密切结合而发展形成的一门高新技术，是现代设计理论与方法中的一个重要方面，也是我国一直大力推广的一项新技术。在制造业中，CAD技术已经成为先进制造技术中一项主体非常关键技术。CAD技术就是利用计算机的软硬件服装设计者对产品进行规划、分计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件的设计活动，其特点是将设计人员的思维、综合分析和创造能力与计算机的高速运算=巨大数据存储和快速图形生成等能力很好的结合起来。这样在工程设计和机械产品设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出，综合分析比较与可对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效的完成设计工作。因而CAD技术能极大的提高工程机械和机械产品的设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造有利的条件。CAD技术是一门多学科综合应用技术。它涉及以下一些技术基础。1） 图形处理技术。如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。2） 工程分析技术。如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。3） 数据管理与数据交换技术。如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。4） 文档处理技术。如文档制作、编辑及文字处理等。5） 软件设计技术。如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范。CAD技术诞生于20世纪50年代后期。进入20世纪60年代，随着计算机软硬件的技术发展，在计算机屏幕上绘图变可行，CAD开始迅速发展。人们希望借助于此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。在CAD软件的发展初期，CAD的含义仅仅是computer aided drawing而非我们经常讨论的CAD全部内容。从广义上说，CAD技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术的（CAD/CAE/CAM）集成技术等。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到20世纪70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对独立、平稳的发展。进入到20世纪80年代，工业界认识到CAD /CAM新技术对生产的巨大促进作用，于是在设计与制造方面对CAD /CAM销售商提出各种各样的要求，导致新理论、新方法的大量涌现。在软件方面做到了将设计与制造的各种单个软件的集成起来，使之不仅能绘制工程图形，而且能进行三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析与仿真、注塑模设计等各种工程应用。与此同时计算机硬件输入输出设备也有了很大发展，32位字长的工程工作站及微机达到了过去小型机性能，计算机网络业获得了广泛应用。50多年的发展。现代CAD设计软件已经不会是再仅仅替代于手工绘图的一种工具，而是传统设计与手段的变革。随着计算机软硬件的技术日益完善，CAD技术得到迅猛的发展。CAD技术由传统的简单二维绘图发展到今天基于特征的三维参数化造型和变量化造型设计技术，它深刻影响社会各个领域的设计技术。1.2.3 CAD系统一个完整的CAD系统由计算机硬件和软件俩大部分所组成的。CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果，硬件是实现CAD系统功能的物质基础，然而如果没有软件的支持，硬件也无法发挥作用的，二者缺一不可。1） CAD系统的硬件CAD系统的硬件是指计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，包括各规模和结构的计算机、存储设备以及输入输出设备几个部分。2） CAD系统的软件软件业称软设备，是指管理及运用计算机的全部技术，一般用程序或指令来表示。从软件配置的角度来说，CAD系统的软件由系统软件和应用软件俩大部分组成。系统软件一般是由系统软件开发公司的软件专业人员负责研制开发，对于一般用户，主要关心应用软件的选用和开发。系统软件，着扩大计算机功能和合理调度计算机资源的作用，具有俩个重要特点：一是公用性，无论哪个应用领域，无论哪个计算机用户，都要使用；二是基础性，应用软件要用系统软件来编写、实现，并在系统软件的支持下运行，因此，系统软件是应用软件赖以工作的基础。系统软件的目标在于扩大系统的功能、方便用户的使用，为应用软件的开发和运行创造良好的环境，合理调度计算机的各种资源，以提高计算机的使用效率。应用软件，在系统软件支持下，为实现某个领域内的特定任务而编写的软件。CAD应用软件的范围非常广泛，为了清楚起见，将应用软件又细分为支撑软件和用户自己开发的应用软件俩种，支撑软件是支持CAD应用软件的通用程序和软件开发工具，近二、三十年来，由于计算机应用领域的迅速扩大，支撑软件的研究也随之有了很大的发展。1.2.4 CAD技术的应用CAD技术作为20世纪杰出的工程技术成就之一，现已受到世界各个工业发达国家的普遍高度重视，已被广泛应用于航空、航天、汽车、航海、机械、电子、建筑、纺织以及艺术等各个工程和产品设计领域，并产生了巨大的社会效益和经济效益。目前，CAD技术的应用水平已经成为衡量一个国家工业生产技术的现代化水平的重要标志，也是衡量一个企业的技术水平的重要标志。当前CAD技术在机械工业中主要应用有以下几个方面：1） 二维绘图。这是最普遍的一种应用，用来替代传统手工绘图。2） 图形及符号库。将复杂的图形分解成许多简单的图形及符号，先存入库中，需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。3） 参数化设计。标准化或者系列化的零部件具有相似结构，但尺寸要经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋予一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。4） 三维造型。采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状，还可作装配及仿真运动。以便于观察有无干涉。5） 工程分析。常见的有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等，此外真的某个具体设计对象还有他们自己的工程分析问题，如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分析、变形分析等。6） 文档或生成报表。许多设计属性需要制成文档说明或输出报表，有些设计参数需要用直方图、饼图或者曲线来表达。上述这些工作常有一些专门的软件来完成，如文档制作软件及数据库软件等。总之，采用CAD技术可以显著提高产品的设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，从而加快了产品的更新换代的速度，可使企业保持良好的竞争能力。CAD技术的发展趋势如下： CAD技术还在发展中，该技术在软件方面进一步发展趋势可以总结为：1） 集成化，为适应设计与制造自动化的要求，特别是近些年来出现的计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturng System 简称CIMS）的要求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。2） 智能化，目前，现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理型工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。3） 标准化，随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今已制定了不少标准，例如面向图形设备的标准CGI，面向用户图形标准GKS,PHIGS、面向不同CAD系统的数据交换标准IGES和STEP，此外还有窗口标准等。随着技术的进步，新标准还会出现。基于这些标准推出的相关软件是一批宝贵资源，用户的应用开发常常离不开他们。4） 可视化。可视化是指运用计算机图形和图像处理技术，将设计过程中产生的数据及结果转化成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理，使冗繁、枯燥的数据便成生动、直观的图形或图像，激发设计人员的创造力。5） 网络化。计算机网络技术的运用，将各自独立的、分布于各处的多台计算机互接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享资源并协同工作。在CAD应用中，网络技术的发展，大大的增强了CAD系统的能力。1.2.5 COSMOSmotion简介COSMOSMotion是一个虚拟原型机仿真工具。ADAMS支持COSMOSMotion，ADAMS是世界上使用最广泛的机械仿真软件。COSMOSMotion能帮助用户在设计前期判断设计是否能达到预期目标。通过学习如何有效地使用用户界面的各个选项将能够使用户解决最复杂的机构问题。机构使实现运动传递和实现力的转换的机械装置。运动仿真是利用计算机模拟机构的运动学状态和动力学状态。任何系统的运动由下列要素决定：1 ）连接构件的机构约束。2 ）部件质量和惯性属性。3 ）对系统添加力。4 ）驱动运动（驱动器或马达）。5 ）时间。在COSMOSMotion中，系统或机构由通过机械约束连接的刚性构件组成。系统的运动由系统中的机构约束、部件的质量属性、外加载荷、驱动运动和时间决定。在COSMOSMotion中可以分析两种类型的机构：1）运动学系统 在运动学系统中，构件的运动在强迫运动或受限运动条件下出现。系统的运动只有一种可能，质量或应用力改变不会改变系统的运动状况。这样的机构自由度为零，或者说系统只有一个解决方案。2）动力学系统 在动力学系统中，构件的运动取决于构件质量及应用力。如果质量或应用力改变，运动状况将随之改变。这样的机构自由度大于零，或者说系统有一个以上的解决方案。2四连杆机构建模2.1四连杆机构的作用四连杆是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一，其作用概括起来主要有两。一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹近似双纽线。从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；二是使支架承受较大的水平力。 为了掌握四连杆机构的设计方法，必需正确理解四连杆机构的作用。下面通过四连杆机构动作过程的几何特性进一步阐述其作用。这些几何特性是四连杆机构动作过程的必然结果。1支架高度在最大和最小范围内变化时，如图2-1所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm好为30mm。2支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图一所示，应满足如下要求。支架在最高位置时，P5262，Q7585，支架在最低位置时为有利于石头下滑，防止石头停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求TGPW，如果钢和石头的摩擦系数W=0.3，则P=16.7。为了安全可靠，最低工作位置应使P25为宜。而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取Q2530在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。图2-1 四连杆机构几何特征3从图一可知，掩护梁和顶梁铰点e和瞬时中心O之间的连线与水平夹角为时，要使满足tg0.35的范围，其原因是角直接影响支架承受附力。4应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图2-1所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向采空区。同时底板阻止底座向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落。并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相应减少，所以减轻了掩护梁的外负荷。5从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双纽线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以。图2-2 掩护梁和后连杆构成曲柄滑块机构图2-3 掩护梁和后连杆计算图2.2四连杆机构的几何作图法 四连杆机构设计的作图法按如下步骤进行。 1.确定掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距。 一般按同类型支架用类比法来确定，关于这两个尺寸的大小对支架受力的影响，后面进行专门研究。 2.掩护梁和后连杆长度的确定。 用解析法来确定掩护梁和后连杆的长度。如图23所示。 设：G掩护梁长度， A后连杆长度， L2e点引垂线到后连杆下铰点之距， H1支架最高位置时的计算高度， H2支架最低位置时的计算高度，从几何关系可以列出如下2式GcosP1AcosQ1=L2 (36)GcosP2AcosQ2=L2 (37)将(36)和(37)式联立可得：A/G=(cosP2cosPI)/（cosQ2cosQ1） (38)说明：支架计算高度为支架高度减去掩护梁上铰点至顶梁顶面之距和后连杆下铰点至底座底面之距。按四连杆机构的几何特征要求，选定P1、P2、Q1、Q1、代入(38)式，可以求得A/G的比值。由于支架型式不同，一般A/G的比值按以下范围来取。 掩护式支架：A/G=0.450.61 支撑式掩护式支架：A/G=0.610.82 支架最高位置时的计算高度为： H1=GsinP1+AsinQ1 (39)根据A/G的比值和(39)可以求得掩护梁的长度G和后连杆长度A,经过取整后，再重新计算出P1、P2、Q1、Q2的角度，这几个参数就确定了。3.几何作图法的作图过程用几何作图法确定四连杆机构的各部尺寸，具体作法如图24所示。作图步骤如下图2-4 液压支架四连杆机构的几何作图法（1）确定后连杆下铰点O点的位置，使他大体比底座底面高200mm250mm（或类比同类型支架确定）。（2）过O点作与底面平行的水平线HH线。（3）过O点作与HH线的夹角为Q1的斜线。（4）在此斜线上截取线段，长度等于A, 点为后连杆与掩护梁的铰点。（5）过A点作与HH线有交角1的斜线，以A点为圆心，以G为半径作弧交此斜线一点，此点为掩护梁与顶梁的交点。（6）过点作HH线的平行线FF线，则HH线与FF线的距离为H1，为液压支架最高位置时的计算高度。（7）以点为圆心，以（0.20.3）G长度为半径作弧，在掩护梁上交一点b，为前连杆上铰点的位置。（8）过点作FF线的垂线（认为液压支架由高到低变化时，点在此直线上滑动）。（9）在垂线上作液压支架在最低位置时，顶梁与掩护梁的交点。（10）取线中间某点，为液压支架降到此高度时掩护梁与顶梁的铰点（液压支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹为近似双纽线，中间这一点的位置直接影响顶梁前端运动轨迹的形状、变化宽度等）。（11）以o点为圆心，为半径作圆弧。（12）以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交前圆弧上一点，此点为液压支架降到中间某一位置时，掩护梁与后连杆的铰点。（13）以点为圆心，掩护梁长为半径作弧，交最前圆弧上一点，此点为支架降到最低点位置时，掩护梁与后连杆的铰点。（14）连接、，并以点为圆心。长为半径作弧，交上一点点；以点为圆心，长为半径作弧，交上一点点。则b、 三点为液压支架在三个位置时，前连杆的上铰点。（15）连接、为液压支架降到中间某一位置和最低位置时后连杆的位置。（16）分别作。和合的垂直平分线，其交点c即为前连杆下铰点，为前连杆长度。（17）过c点向HH线作垂线，交点d，则线段、和为液压支架四连杆机构。（18）按以上初步求出的四连杆机构的几何尺寸，再用几何作图法画出液压支架掩护梁与顶梁铰点的运动曲线，只要逐步变化四连杆机构的几何尺寸，便可以画出不同的曲线来，再按液压支架四连杆机构的几何特征进行校核，最后选出最优的四连杆机构尺寸来。在设计实践中，可以按图25所示的方法进行。把硬纸板按1:10或15的剪成掩护梁和前、后连杆三个板块，再根据前连杆下铰点c点的位置，前、后连杆长度，曲线最大宽度，曲线的形状及角的要求，不断调整3个板块的位置，一直找到合适的几何尺寸为止。图2-5 四连杆机构作图方法1 掩护梁 2 前连杆 3 后连杆2.3 四连杆机构优选方法 掩护式与支撑掩护式液压支架四连杆机构尺寸，直接影响着液压支架工作性能和受力状况。为此，如何优选四连杆机构尺寸，意义重大。下面简单介绍四连杆机构各部尺寸的计算优选方法。2.3.1 目标函索的确定根据附加力对液压支架受力影响的分析，为减少附加力，必需使tg有较小值。同时，为有效的支控顶板，要求支架由高到低变化时，顶梁前端点与煤壁距离的变化要小。而支架在某一高度时的角，恰好是顶梁前端点的双纽线轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。所以，只要支架由高到低变化时，顶梁前端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。2.3.2 四连杆机构的几何特征四连杆机构的几何特征如图六所示（1）支架在最高位置时：=5262，即：0.911.08弧度；=7585，即；1.311.48弧度。（2）后连杆与掩护梁的比值，掩护梁支架I=0.480.61；支撑掩护式支架I=0.610.82 。（3）前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为=0.220.3。（4）点的运动轨迹呈近似双纽线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽度e70mm最好在30mm以下。（5）支架在最高位置时的tg值应小于0.35在优化设计中，对掩护式支架最好应小于0.16，对支撑式掩护支架最好应小于0.2。2.4运用SolidWorks建立四连杆机构模型三维建模工具有着二维绘图软件所无法比拟的优点,正越来越多地应用于工程设计中。就综采液压支架而言,目前采用三维建模软件进行设计仍处于起步阶段, 一般是在二维设计完成后, 用三维软件作为辅助设计工具, 对液压支架进行建模,然后进行动态运动分析与受力分析。这种情况下, 三维软件的真正功能并未实现。由于液压支架设计的特殊性, 如果采用自上而下参数化建模方式, 不需要每次重新建模, 只需要参数化驱动就可以得到想要的结果。作为一个有益的尝试, 本文在SoildWorks软件平台上真正实现液压支架参数化建模, 并就如何实现支架运动仿真问题。在运用已知的液压支架四连杆机构的二维零件图，按照上面的尺寸标注和几何关系，分别将前连杆、后连杆、底板、掩护梁等零件运用SolidWorks进行三维建模，最后将各部分零件进行装配，得到液压支架四连杆机构的三维模型。图2-6 前连杆图2-7 后连杆图2-8 底板图2-9 掩护梁在绘制过程中中叶遇见了几个问题值得学习：首先，由于液压支架四连杆机构零部件特别的多，因此将四连杆机构的二维图根据上面标注的尺寸大小和关系将各零部件分开来运用SolidWorks建立各个零部件模型，最后在装配上去；其次，在运用SolidWorks建立零件模型时，特别注意其中的倒角和圆角，不能遗漏，尺寸不能出错，否则装配时容易出问题；另外由于有的结构不明白的，因此应先查找液压支架四连杆机构的资料，了解其基本的立体图后，最进行绘制就方便多了。由于运动分析需要完整的液压支架机构，我向同组同学要了别的液压支架部件。建立了整体液压支架的模型。图2-10 液压支架建模过程中应注意的问题。创建三维模型, 不仅仅是为了造型, 更多的是为了今后使用方便如设计的修改和调整、虚拟装配、动力学分析、运动学分析等。一般对于开发性设计来说, 造型的近期目标就是为了修改, 所以在建模过程中很多内部结构可以省略, 模型建得越简单越容易实现模型的参数化驱动。具体到液压支架设计, 由于每次设计所要求的支护强度各不相同, 所设计的支架模型在完成机构运动学目标后, 还要通过结构件强度验算同时要确保支架总重量不超标, 因此支架模型只有在通过强度验算合格和总重量不超标的情况下才能正式确定下来。也可以说, 在设计时修改零件模型是必不可少的, 这就要求所创建的零件造型结构完整, 尺寸和几何约束齐全、正确，以便在今后的零件设计过程中随时可以方便地对不合理的结构做出修改。要明确零件造型的目的, 在不影响零件的基本特征和受力的情况下, 某些细小特征(如较小的圆角和倒角)可以省略, 还可以将有关部件直接绘成一个零件模型, 减少模型存储量以及缩短模型生成时间, 从而提高工作效率。2.5 本章小结本章介绍了四连杆的作用和传统的几何作图法，对液压支架四连杆机构进行了SolidWorks建模。3 对四连杆机构进行COSMOSMotion运动分析四连杆机构由于能有效地实现给定的运动规律和运动轨迹，很好地完成预定的动作，因而在机械和仪表等多个领域中得到了广泛的应用。传统的基于图解法或分析法的连杆机构设计无论设计精度还是设计效率都相对低下，不能满足现代机械高精度的设要求。随着计算机技术的不断发展，为机构运用运动仿真实现优化设计提供了有效的手段。3.1COSMOSMotion软件的应用SolidWorks是基于Windows环境的参数化三维实体造型软件，其中与之实现无缝集成的COSMOSMotion插件更是一个全功能的运动仿真软件，它可以对复杂机构进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各个零部件的运动情况，包括能量、动量、位移、速度、加速度、作用力与反作用力等结果，并能以动画、图表及曲线等形式输出;还可将零部件在复杂运动情况下的载荷情况直接输出到主流有限元软件中，从而进行正确的强度和结构分析。COSMOSMotion是完全内嵌SoildWorks中去的虚拟样机软件包，它能确保不制造样机而对所设计产品的功能有全面的了解，由于得到ADAMS公司在技术上的强力支持，COSMOSMotion允许用户定义马达/动力装置的大小、确定功率消耗、安排机构布局、定义接触件接触特性、产生用于其它COSMOS分析程序用的载荷等等。同时，COSMOSMotion既能处理三维实体的接触也能处理基于二维曲线的接触，另外，用COSMOSMotion，可以在生产实际样机之前消除干涉，还可以检查当机构在实际运动过程中零件之间的干涉，对于详细的运动、动力学分析，可以将运动模拟连同工程数据的XY图示可视化显示。可以用这些图示和机构的模拟一起来鉴定可能的系统误差、零件破坏和安全问题。运动模拟是机构真实运动的完整体现。平面四连杆机构广泛应用于各种机械中，本文所讨论的四连杆机构是液压支架的重压组成部分，支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹近似双纽线。顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm最好为30mm.所以有必要通过模拟四连杆机构的运动仿真，从而找出各杆长的最优比例。本文对机构的运动仿真是通过使用COSMOSMotion来完成的。通过COSMOSMotion工程师和设计师们可以在设计产品没有成型之前，模拟他们的运动行为，准确的了解他们所设计的模型的运动性能。由于ADAMS机械模拟软件的支持，COSMOSMotion能够计算发动机功率消耗、规划连接、推算接触零件运动行为等。运用这项解决方案可以大大降低所需真实模型的数量和产品开发时间还能够让设计人员在设计的初级阶段就获得充分的信息，考虑更多的设计方案、避免和降低设计风险。COSMOSMotion虚拟样机应用软件支持子装配件的运动分析。他赋予用户把一个子装配件看作是一组刚性的零件，或者移动子装配件中的特定零件来测试其运动的能力。测定特定的子装配件生成更准确的结果，帮助用户消除设计中的冗余。COSMOSMotion是实现数字化功能样机的工具，是一个全功能运动仿真软件，与当今主流的三维CAD软件SolidWorks无缝集成，可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各零部件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力以及反作用力。并以动画、图形、表格等多种形式输出结果，还可以将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中以作出真确的强度和结构分析。四连杆的COSMOSMotion运动仿真是通过使用COSMOSMotion软件来对四连杆机构进行运动仿真可以方便快捷地得到各运动构件之间的运动关系。3.2四连杆机构的运动仿真过程仿真就是用模型代替实际系统进行实验和研究。仿真所遵循的基本原则是相似原理，即几何相似和物理相似。依据这个原理，仿真可以分为物理仿真和素、数学仿真。所谓物理仿真就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型进行实验研究。所谓数学仿真，就是应用数学仿真原理，构成数学模型在计算机上进行实验研究。COSMOSMotion的运动分析就是把相互运动的组件分别建成连杆。对液压支架而言，可以将底座、前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、前梁分别作为独立的连杆, 然后定义各个组件之间的运动关系( 即定义各个连杆之间的运动关系) 。对支架各连杆之间进行运动副的设定。以立柱为例进行驱动参数的设定, 选用时间函数对立柱的行程和伸缩时间进行定义。STEP( 0.0.30.1200) 表示立柱的行程是1200mm, 伸缩所需时间是30s。其他油缸的运动副及运动函数同立柱运动参数的设定基本相同干涉及运动特性的测定运动分析的最终结果是检查各个组件之间的干涉情况, 以及各个点的运动轨迹、速度、加速度、受力等各种情况。在支架设计中, 点轨迹最重要的一点是掩护梁与顶梁相铰接的中心点的轨迹, 以此点在液压支架运动中的轨迹为例来进行液压支架运动分析。在实验过程中，打开SolidWorks2008将工具中的插件COSMOSMotion2008勾选然后将后连杆、底板、和掩护梁的尺寸调节固定，通过调节前连杆的长度来测量e值的大小，前连杆每次调节的伸出和缩短量为10mm建模后点击图3-1的装配体运动，选择COSMOSMotion选项。图3-1 液压支架运动模型3.2.1选择马达和设置马达参数一般液压支架有两个液压缸，所以选择两个马达。第一个马达设置为直线型马达以每秒50mm的速度沿图3-2所示的方向匀速运动。图3-2 液压支架马达一参数第二个马达也是直线型马达，以50mm/s的速度按图3-3所示的方向匀速运动。图3-3 液压支架马达二参数3.2.2仿真机构的运动设置让第一个马达先运动6秒，然后第二个马达开始运动。设置如图3-4所示。图3-4 马达的运动时间参数3.2.3 仿真机构的参数设置点击结果和图解图标就会出现图3-5左边的参数设置框，选择位移/速度/加速度，然后选择线形位移，选择X分量。在顶量上选择一点a,在底板上选择一个不动点b，则a、b间的X方向的相对位移就是要求的e值。图3-5 相对位移点3.3 仿真数据处理图3-6 相对位移随时间的变化图 3-7 前连杆图3-8 前连杆为1050mm时的图解图3-9 前连杆为1040mm时的图解图3-10 前连杆为1030mm时图解图3-11 前连杆为1020mm时图解图3-12前连杆为1010mm时图解图3-13