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四连杆机构的建模及优化设计关键词：四连杆，SolidWorks，COSMOSMotion，运动仿真FOUR-BARLINKAGEDESIGNOFTHEMODELINGANDOPTIMIZATIONABSTRACTFour-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。
摘要本文讨论了对四杆机构的优化分析问题，优化问题的关键通常集中在非线性规划问题上。
本方法的目标是：在铰接力保持在规定范围之内的条件下，决定机构连接长度的最优值，缩小机构耦合连接处的任意点C的运动轨迹T与既定的轨迹P之间的偏差。
全局优化的方法使用目的在于找到全局最优解。
该过程使用了自适应网格加密算法。
该算法是基于对每一次迭代的可行节点的识别，每一次迭代定义了一个解集。
把远离当前最佳解决方案的节点从解集中删除。
该算法确定的是满足预定条件的最优解的区域，而不单纯是一个最佳点。
关键词液压支架，四杆机构，全局优化，铰链力，自适应网格细化1 介绍在一些设备中，四连杆机构是一种被广泛应用于各种设备中的驱动机构，它可以提供设备所需的复杂运动并提供可靠地支撑力、加速度以及拉力。
例如控制车辆转弯的装置或用来保证矿井工作环境安全的液压支架。
由于四杆机构是一种简单的机构，三维运动分析成为一项要求严格的工作。
我们必须确定需要完成指定的运动和受力转换的各链路长度之间的比例。
图一液压支架图一所示的液压支架（Grm 1992）是采矿业中一种用于保护作业环境的设备。
本研究的目的是对先导四杆机构进行优化设计，以确保液压支架以最少的横向位移误差完成所需动作。
横向位移必须是最小是为了防止支架与其他机器设备发生碰撞。
对液压支架的运动学分析建模可以参照同步运动的驱动机构FGDE和先导机构ABDE，其中先导机构ABDE决定了液压支架的动作。
同时，此机构上铰链所承受的载荷的大小很关键。
运用全局优化法对液压支架中的四杆机构的分析Prebil, S. Kragna and I. CiglariE到目前为止，对运动学的优化分析通常是与设计敏感性分析结合在一起的（Bla 1998 2000）。
由于转化性较差和数值的无效性，传统的梯度法应用起来很不方便。
更重要的是，我们可以推断机构铰接处的铰接力的影响比先导机构的公差影响更大。
为了克服上述方法的种种缺点，我们引入全局优化法。
基于液压支架四连杆机构参数特点分析与研究摘要：本文主要针对液压支架四连杆机构的功能及影响四连杆性能的设计因素进行探索。
其中重点介绍了液压支架四连杆机构的构成及特点，并从影响四连杆参数设计的九个方面进行了详细论述。
关键词：液压支架；四连杆机构；梁端距；掩护梁背角；双扭线中图分类号：TD355 文献标识码：A1 液压支架四连杆机构的构成与功能1.1 液压支架四连杆机构的构成液压支架四连杆机构的构成从表面上看只有前连杆和后连杆，实际上掩护梁和底座是组成四连杆机构的另外一个连杆，掩护梁和底座除了构成四连杆机构以外，还承担着掩护功能、推移功能、抬底功能等其它的功能。
前后连杆也具有挡矸、管环、阀架等功能。
因此，四连杆设计首先是运动机构设计，还包括各部件的其它功能设计。
液压支架四连杆机构有正负之分，正四连杆机构被广泛采用，反四连杆多用于放顶煤过渡支架。
在反四连杆机构中由于处于掩护梁位置的部件已不再承担掩护功能，通常被改称为斜梁。
1.2 液压支架四连杆机构的功能液压支架四连杆机构有三个功能：一是纵向与横向的稳定功能，即承接外部施加到支架上的横向、纵向的水平力，使支架顶梁不会出现大幅度的水平扭转和横向纵向翻转，使支架立柱免受水平力。
要实现这一功能，设计中应确保组成四连杆机构的各个零部件具有足够的强度，要进行机构受力分析和零部件强度校核计算。
二是将顶梁所受到来自顶板的外载通过四连杆机构传递到底座上。
这一功能我认为是四连杆机构负面效应。
三是让支架顶梁在升降过程中，顶掩铰接点的运动轨迹近似为一条垂线。
实质是让支架在升降过程中，顶梁或前梁的前端至采煤工作面煤壁的距离基本保持不变，使得因空顶距变化量带来的支架顶梁前端的支护效果变化量最小。
液压支架四连杆机构中顶掩铰接点的运动轨迹一般呈“双扭线”状，水平运动范围被称为“摆幅”。
MT/T556-1996《液压支架设计规范》有具体的规定：“具有四连杆机构的支架梁端水平位移量在支架使用高度范围内应不大于80mm。
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 THE MODELING 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.。
录一:中文文献一、联动可能被定义为固体的，或链接，其中每一个环节，是连接通过引脚连接（铰链）或滑动关节至少有两个人组合。
为了满足这一定义，必须形成一个联动层出不穷，或关闭，或一个封闭的链条链系列。
很明显，有许多链接链的行为从为数不多的不同。
这就提出了一个非常重要的问题，关于为运动中的一台机器传输给联动的适用性。
这是否适当取决于链接的数量和接头数量。
二、自由度。
一个三杆机构（含连在一起的三间酒吧）显然是一个僵化的框架，没有相对运动之间的联系是可能的。
来描述一个四连杆机构，有必要才知道之间的任何连接两个角度的联系的相对位置。
（包括固定链接OQ的，在图5c机制四个环节，因此是一个四连杆机构。
）这种联系是说，有一个自由度。
两个角度都必须在指定的五杆机构的联系的相对位置，它有两个自由度三、单自由度运动的联系，制约，也就是说，对所有的链接上所有的点都认为是固定的，确定的其他链接路径。
路径是最容易掌握的或假设上的路径是必要的联系是固定的，然后移动的方式与约束兼容其他环节的可视化。
四、四杆机构。
当一个约束联系的成员之一，是固定的，联动机制，执行变成了机器中的一个有用的机械功能的能力。
在针脚连接联系的输入（驱动器）和输出（跟随者）链接通常枢连接到固定的联系;连接链路（耦合器）通常不投入，也没有输出。
由于任何一个链接可以是固定的，如果链接的不同长度，四个机制，用不同的输入输出关系，每一个都可以得到以四杆机构。
这四个机制是说是基本的联动反转。
五、当最短的链接图11（上）是固定的，链接B和D可以完成革命。
这就是所谓的拖链接机制。
如果曲柄在一个恒定速度b旋转，曲轴D将在同一方向旋转的速度也不同。
通过自身或与其他机制系列，拉杆可以提供有用的运动效果。
在图中，曲柄B是司机，在一个统一的旋转速度逆时针;曲柄D扫过的角度φ，这是只有50度扫描。
这意味着，曲柄d将曲柄移动速度比b当移动从B到B'和比扫过的角度φ，这是只有50度扫描。
附录1：外文翻译连杆机构连杆存在于车库门装置，汽车擦装置，齿轮移动装置中。
它是一种被给予很少关注的机械工程学的组成部分。
连杆是具有两个或更多运动副元件的刚性机构，用它的连接是为了传递力或运动。
在每个机器的运动期间，连杆占据一相对于地面的固定位置或者作为一个整体来承载机床。
这些连杆是机器的主体，被称为固定连杆。
基于通过旋转或滑动界面连接的部件的布置被称作连接。
这类通过面接触或线接触的连接机构被称作低副，而高副是基于接触点或弯曲分界面的。
低副的例子包括铰链连接、轴承与轴的配合、滑道以及万向接头。
高副的例子包括凸轮和齿轮。
运动分析基于机械几何加上识别运动的因素（如输入角速度，角加速度等）来研究特定的给定机制。
运动合成是设计一个机器以完成所需任务的过程。
在这里，选择类型以及新机构的尺寸都可以是运动合成的一部分平面的、空间性的和球面运动机构平面机构是其中所有粒子描述平面曲线的平面机构叫做空间，并且所有平面都是共面的。
大多数连杆和机构被设计为刨床系统。
其主要原因是平面系统工程更方便。
空间机制要求计算机合成的工程要复杂得多。
平面低副机构被称作二维的连接装置。
平面的连接仅涉及旋转和棱柱对的使用。
空间机构没有对相对运动的点的限制。
平面的和球面运动机构都是空间机构的子集，这个页面上没有考虑空间机制/联系。
球形机构在每个连杆上有一点是静止的，所有连杆的固定点在同一位置。
机构中所有颗粒的运动是同心的，并且可以通过它们的阴影重新定位在以公共位置为中心的球形表面上。
在该页上不考虑球形机构/连杆可动性连杆在运动中所表现的自由度数是一个很重要的问题。
为了使装置被送到指定位置应控制独立的活动自由度。
它可能是由杆的数量和连接方式决定的。
一自由连杆通常有3个自由度(x , y, θ )。
由于自由度数的限制在n连杆装置中，通常把一个杆固定。
自由度数=3(n-1).连接二连杆的机构有两个自由度约束的增加。
有两个约束的二连杆连接，其中一个自由度是来约束这个系统的。
四杆机构英文作文英文：Four-bar linkage is a mechanical linkage that consists of four rigid bodies (called bars or links) connected in a loop by four joints. It is a common type of mechanism used in many applications, such as in engines, machines, and robots.The four bars can be arranged in different configurations, each with its own unique motion characteristics. For example, the crank-rocker mechanism has one fixed link (the ground) and three moving links, while the double-crank mechanism has two fixed links and two moving links.One of the most important applications of four-bar linkage is in the suspension system of vehicles. The suspension system connects the wheels to the chassis and provides a smooth ride by absorbing shocks and vibrations.Four-bar linkage suspension systems are commonly used in vehicles because they are simple, reliable, and efficient.Another application of four-bar linkage is in robotics. Robots use four-bar linkages to achieve different types of motion, such as linear motion, rotational motion, and oscillatory motion. For example, a robotic arm may use afour-bar linkage to lift and move objects.Overall, four-bar linkage is a versatile and widelyused mechanism in engineering and technology. Its simple design and reliable operation make it a popular choice for many applications.中文：四杆机构是由四个刚体（称为杆或连杆）通过四个连接点组成的机械连杆。
四连杆机构的建模及优化设计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-BARLINKAGEDESIGNOFTHEMODELINGANDOPTIMIZATIONABSTRACTFour-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。
外文原文：
中文译文：
大倾角液压支架四连杆机构的设计
摘要：四连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。
在大倾角液压支架的设计中，ADAMS 被第一次用在了参数化模型、仿真和最优化的求解过程中，然后根据三维尺寸模型，通过COSMOS/Works 对顶梁的前向扭转载荷进行有限元分析。
用这种方法得到的结果验证了四连杆机构设计的可行性，而且非常好得满足了要求。
这种方法提高了液压支架的设计效率，缩短了设计周期。
关键词：液压支架；四连杆机构；优化设计；ADAMS ；有限元分析
1简介
四连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。
它主要有两方面的功能：第一，为了在立柱伸缩过程中，能保持顶梁垂直的移动，因此需要在顶梁和煤壁之间保持稳定的距离。
四连杆机构被视为最能满足这种要求的。
第二，它保证了支架能够承受一定的水平载荷。
在设计大倾角液压支架的过程中，四连杆机构的优化设计是一项十分重要的任务。
它的结构尺寸将直接影响到支架的性能状况。
在传统的设计过程中，经常使用的是BASIC 编程，但是结果经常不能满足设计的要求，也不能获得最优解。
现在，ADAMS 被越来越广泛得应用到机械动态设计过程中。
因此，本文就是运用ADAMS 对四连杆机构进行建模和仿真，进而获得最优解。
为了验证四连杆机构设计的可行性，用COSMOS/WORKS 进行了有限元分析。
2四连杆机构尺寸计算
图1是支架在最大支撑高度的状态下，对四连杆机构尺寸作出的假设：
2211111;;;;;;;;;
;;tan .o a A ab B cb C cd D o d E ae G A B S e b F Jo S Je L I I U G G L θ=============
图1：四连杆机构的参数
2.1 后连杆和掩护梁尺寸的计算
如图2，如果H1确定了，可得到掩护梁的尺寸：
1
11sin()sin()
H G P I Q =+⋅ (1)
后连杆尺寸为：
A I G =⋅(2)
前后连杆绞点之间的距离为：
1B I G =⋅ (3)
前连杆最高点和掩护梁最高点之间的距离为：
F G B =-(4)
后连杆底部和坐标原点之间的距离是E1，如图二所示。
图2：四连杆机构的几何关系
2.2 前连杆长度和尺寸的计算
1）b1点坐标
当支架处于最高位置H1时，b1点坐标为：
11cos()x F P =⋅ (5) 111sin()y H F P =-⋅(6)
2）b2点坐标
当支架处于最低位置H2时，b2点坐标为：
22cos()x F P =⋅(7)
222sin()sin()y B P A Q =⋅-⋅(8)
根据几何学要求，当支架处在最低位置时，必须保证Q2≥25°~ 30°，这里假设Q2为25°，
212arctan cos()
P =+⋅(9)
3）b3点坐标
当后连杆和掩护梁处于垂直位置时，b3点坐标为：
33cos()x F P =⋅(10)
333sin()sin()y B P A Q =⋅-⋅
(11)
3(arctan arctan 2E A
P G π
=-+(12)
332
Q P π
=
- (13)
4）c 点坐标
因为前连杆长度不会发生变化，所以==123cb cb cb ，故而通过圆的方程可求出c 点坐标：
2222222231312323233131233123()()()()2[()()()()]
c x x y y y y x x y y y y x x x y y y y x x -+-⋅---+-⋅-=-⋅---⋅-(14)
2222222223233131312331233123()()()()
2[()()()()]
c
x x y y x x x x y y x x y x x y y y y x x -+-⋅---+-⋅-=
-⋅---⋅-(15)
前连杆的长度和角度便可以通过c 点坐标来获得。
2.3 D （cd ）、E （o2d ）长度的计算
当得到c 点坐标后，D 、E 长度为：
c D y = (16)
1c E E x =- (17)
把顶梁端点的运动轨迹为斜线作为目标函数，通过程序的到的结果如下所示：
θ=tan 0.338= 175.10Q = 229.98Q = 159.96P = 215.09P
988.78A mm =295.56B mm =995.82C mm =367.30D mm =
421.91E mm =1343.45G mm =
3四连杆机构尺寸参数的优化
通过图1对尺寸的定义和程序计算得到的结果，便可以通过ADAMS/VIEW 对四连杆机构进行建模。
通过分析仿真结果可知，计算机程序得到的尺寸参数并不是最佳结果，所以应当通过参数化建模的方法来获得最佳结果，更好的满足设计要求。
在参数化建模的过程中，每一个绞点都被认为是变量，通过对变量结果的分析来来得到设计结果，如表1所示：
表1. 每个变量的设计结果
从表1中可以获得设计变量的变化范围和灵敏度。
MSC.ADAMS/VIEW 可以为调查报告提供各种变化的情况，这其中就包括了灵敏度的变化。
如表1，DV-1、DV-2、DV-4、DV-6的灵敏度最大，说明这四个量对优化结果的影响最大。
四个敏感点确定以后，通过对设计变量变化曲线的比较，来取得最佳的设计结果。
通过运行最优化程序，四个设计变量得到了最优化。
最后，通过分析和计算得到四连杆机构的最佳模型尺寸。
157.59Q = 224.90Q = 146.40P = 990A mm =
260B mm =1125C mm =265D mm =478E mm =1155G mm =
借助ADAMS 软件，根据计算得到的尺寸对四连杆机构进行建模，然后通过仿真轨迹对绞点进行分析，如图3所示。
图3.优化后的轨迹曲线
分析可知，优化后的结果充分的满足了液压支架的设计要求。
4液压支架的有限元分析
根据计算得到的四连杆结构尺寸，装配上液压支架的其他部件，便可得到液压支架的三维模型，如图4所示。
利用COSMOS/WORKS 软件，可得到液压支架在正向扭转载荷下的
有限元分析模型。
图4. 液压支架的三维模型
4.1 有限元分析结果
通过运行有限元程序，COSMOS/WORKS将结果以图形的形式显示出来。
结果的图示可以根据需要进行修改。
例如，应力、应变和应力的动态变化，，总体的局部图也可以获得，如图5所示。
(a) 前扭转荷载位移
(b) 前扭转荷载应力
(c) 前扭转荷载应变
(d) 前扭负载局部应力
根据计算结果，液压之架的最大变形量是11.63mm，等效前梁的压力为562.7Mpa，等效应变为3.503E-03。
所有绞点的情况可从表2中看到。
4.2 数据分析
最大的应力应变大概围绕着顶梁，特别是焊接接缝处。
立柱受到的载荷也是不一样的。
前后立柱靠近载荷的一侧受到的应力大于另外一侧。
在载荷的作用下，顶梁前面受到的影响十分明显。
顶梁后面受到了一致的影响。
如果载荷太大的话，整个支架会有一种扭转的趋势。
从表二中可以看出，掩护梁和顶梁的左右铰接点受到的阻力是不一样的。
前连杆和掩护梁、后连杆和掩护梁、后连杆和底座、前连杆和底座受到的阻力是比较大的。
从强度分析可以看出，最大应力的分布是部分区域的。
因此，高强度的钢铁经常用到大应力的区域来提高机械强度。
这种液压支架完全满足实际的使用标准，也符合大倾角的使用条件。
5结语
应用ADAMS软件不仅能进行参数建模、运动轨迹仿真和大倾角液压支架的优化设计，还可以进行动态有限元分析。
通过整个支架的有限元分析，验证了四连杆机构优化设计的可行性，同时得出支架的应力分布状况。
这样设计出来的液压支架完全达到了煤矿的使用
标准，满足了大倾角的使用要求。
这种方法提高了液压支架的设计效率，缩短了设计周期。
