0024-基于ADAMS的四自由度機械手運動學仿真,基于,adams,自由度,機械手,運動學,仿真 目 錄 1 引言 1 1.1 工業(yè)機械手研究現狀 1 1.2 工業(yè)機械手的功能及應用 1 1.3 本文研究內容及研究意義 3 2 工程機械仿真簡介 3 2.1 概述 3 2.2 工程機械仿真的思想、內容和特點 3 2.3 參數化設計概念 4 2.4 工程機械零部件參數化仿真設計 4 3 PRO/E 功能介紹 5 3.1 引言 5 3.2 PRO/E 對三維模型的處理 .5 3.2.1 Pro/E 的三維模型創(chuàng)建功能 .5 3.2.2 Pro/E 建模的一般過程 .6 3.2.3 利用族表實現零件系列化設計 6 3.3 PRO/E 的特點及產品外觀造型設計 .6 4 ADAMS 功能介紹 9 4.1 ADAMS 概述 .9 4.2 ADAMS 基本功能 9 4.3 ADAMS 和 PRO/E 之間的數據轉換 11 5 仿真分析 .12 5.1 仿真流程圖 .12 5.2 模型建立 .13 5.2.1 利用 Pro/E 建立機構模型 13 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉換 14 5.3 ADAMS 仿真 15 5.3.1 仿真設置 15 5.3.2 仿真結果 15 6 運動學分析 .17 6.1 建立坐標系 .17 6.2 運動學分析 .17 7 結束語 .19 參考文獻 .20 致謝 .21 1 1 引言 1.1 工業(yè)機械手研究現狀 隨著機器人研究的不斷深入和機器人領域的不斷發(fā)展，機器人仿真系統(tǒng)在 機器人設計和研究方面，發(fā)揮著重要的作用，它可應用于機器人的許多方面， 已成為機器人學的一個重要分支。例如：可幫助研究人員了解機器人工作空間 的形態(tài)及極限；還能幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)與合理性；可用 于分析檢驗軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)劃的正確性與合理性；可為離線編程技術的研究 提供一種極為有效的驗證手段；可以用于實時檢測機器人與作業(yè)環(huán)境之間的碰 撞與干涉以保證整個生產單元的安全等。此外，仿真技術還可以幫助用戶選擇 適合特定作業(yè)環(huán)境的機器人類型。 機械手是近年來發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計 算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機 電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領域之一。 工業(yè)機械手的性能，要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度，增加機構的自由 度，提高通用性和靈活性，同時還要求降低成本，控制簡單，安全可靠。因此， 工業(yè)機械手的研究處于機械手研究的前沿。 多自由度機械手已經得到了廣泛的研究，但自由度較少的工業(yè)機械手，以 其造價低廉、結構緊湊、剛度高、定位精度高、響應速度快、實用性強等優(yōu)勢， 有極高的性價比，在實際工業(yè)市場得到了廣泛的應用。水平多關節(jié)工業(yè)機械手 由于精度高、運動速度快，串聯四自由度導致其靠后的驅動電機和傳動系統(tǒng)都 位于運動著的臂上，導致系統(tǒng)慣性增加，系統(tǒng)動力性能惡化；又由于串聯機構 求正解較容易，而求逆解則較困難，因此運動學與動力學計算困難，導致在設 計中必須放寬各種設計參數；還因為機器較重，并進一步導致驅動部分變大， 系統(tǒng)響應速度降低，大型驅動部分難以取得較高的精度。 1.2 工業(yè)機械手的功能及應用 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成 許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動 化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工 人難以完成的或者危險的工作?？墒窃跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程 2 度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生 產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時 間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切 性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常 用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個 生產工序，機械手加工行業(yè)中用于取料、送料，澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液 等等。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 (1) 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永 泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類） ，大連電機廠的 4 號和 5 號電動機加工 自動線（軸類） ，上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組 合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力 機廠的氣蓋加工自動線轉位機械手。 （2）在實現單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需 人工上下料；裝上機械手，可實現全自動化生產，一人看管多臺機床。目前， 機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機 械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的 Y38 滾齒機械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使 用已有成功的經驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠時就附上機械手，或為 用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手 （生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等 自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現全自動化生產。目前機械 手在沖床上應用有兩個方面：一是 160t 以上的沖床用機械手的較多，如沈陽低 壓開關廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠 400t 沖床的 下料機械手等；二是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所 制作的 120t 和 40t 多工位沖床機械手等。 （3）鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的 3t、5t、10t 模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩 只機械手成一定角度布置在爐前，實現進出料自動化，上海柴油機廠、北京內 燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經驗。 3 1.3 本文研究內容及研究意義 本文所介紹的方法是使用Pro/Engineer 進行3D 建模，并使用ADAMS 進 行運動學和動力學仿真。在機械手的設計過程中，使用計算機模擬計算實際機 械手的運動與受力特征，指導3D 設計過程的方法，可以降低機械手的開發(fā)周 期，降低了機械手的開發(fā)成本；機械手的運動學仿真，還具有進行樣機試驗無 法比擬的其他優(yōu)勢，包含可以準確預測機械手的下一步的運動過程，通過更改 機械手的控制算法，可以降低機械手的能耗、反應時間，而且還具有及時改進 設計參數、再次進行仿真、避免重復的實物建造等一系列降低費用、縮短開發(fā) 周期的優(yōu)點。 2 工程機械仿真簡介 2.1 概述 建國以來，工程機械行業(yè)從無到有，從弱到強，走過了波瀾壯闊的 60 年風 雨歷程，為我國的現代化建設做出了重要貢獻。工程機械行業(yè)已經成為我國工 業(yè)領域在自主創(chuàng)新、品牌建設、出口創(chuàng)匯等方面的典范，涌現了一批在國內外 有影響力的人物、企業(yè)、品牌。 2.2 工程機械仿真的思想、內容和特點 工程機械是否具有優(yōu)良品質、使用性能和可靠性水平，取決于采用先進的 設計理論和方法手段產生的優(yōu)化的零部件及機器整體的結構形狀。工程機械仿 真設 計的基本思想、 內容是： 建立以機器的技術經濟效益綜合評價指標為優(yōu)化準 則， 在相似的使用條件下，從結構尺寸相似的現有機器產品系列中篩選出技術 經濟指標和效益指標最優(yōu)的機器作為樣機，然后根據描述機器技術形態(tài)和工作 過程的數學方程，運用相似理論推導出設計機器與樣機參數間的相似公式，利 用計算機進行計算和處理，迅速將優(yōu)化樣機參數換算到要設計的機器上，并根 據所得新機器的主要參數和樣機的結構與圖形，繪制出設計機器的圖紙。仿真 設計的特點主要是理論性強、速度快、費用低，是工程機械研制新機器的良好 途徑，它不僅對提高機器的開發(fā)速度，保證設計質量有良好的實用價值，而且 對引進機器設備的仿制及系列化具有重要作用。 4 2.3 參數化設計概念 參數化設計是一種使用重要幾何參數快速構造和修改幾何模型的造型方法。 采用參數化模型，通過調整參數來修改和控制幾何形狀，從而自動實現產品的 精確造型。這些重要的幾何參數包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢 量等。 參數化技術以約束為核心，是一種比約束自由造型技術更新穎、更好的造 型技術。該技術具有以下 3 個方面的優(yōu)點： ( 1 ) 設計人員的初始設計要求低。無需精通繪圖，只需勾繪草圖即可，提 高了設計的柔性。 ( 2 ) 便于系列化設計。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設計成型后 通過修改尺寸得到。 ( 3 ) 便于隨時編輯、修改，能滿足反復設計要求。 2.4 工程機械零部件參數化仿真設計 工程機械各個機構由很多的零部件構成，其中存在大量的相似件，同一系 列的機型之間也有大量的相似件。在傳統(tǒng)的二維、 三維設計方法上，需要對每 一個零部件進行分別建模，這就必然要求占用較多的時間和空間，浪費更多的 精力，而且在對零部件進行修改時，需要改動的參數也比較多，花費大量的時 間和精力，對設計者來說節(jié)省設計時間、提高設計效率成為主題。 5 3 Pro/E 功能介紹 3.1 引言 Pro/E 是全方位的 3D 產品開發(fā)軟件包，和相關軟件 Pro/DESINGER（造型 設計）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設計、產品裝配、模具 開發(fā)、加工制造、鈑金件設計、鑄造件設計、工業(yè)設計、逆向工程、自動測量、 機構分析、有限元分析、產品數據庫管理等功能，從而使用戶縮短了產品開發(fā) 的時間并簡化了開發(fā)的流程，國際上有 27000 多企業(yè)采用了 PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標準軟件進行產品設計。 3.2 Pro/E 對三維模型的處理 3.2.1 Pro/E 的三維模型創(chuàng)建功能 特 征 造 型 是 幾 何 造 型 技 術 的 發(fā) 展 ， 它 對 諸 如 零 件 形 狀 、 尺 寸 、 工 藝 、 功 能 等 相 關 信 息 的 綜 合 描 述 更 直 觀 和 更 具 工 程 含 義 。 基 于 特 征 的 造 型 系 統(tǒng) 一 般 先 將 大 量 的 標 準 特 征 或 用 戶 自 定 義 特 征 存 入 數 據 庫 ， 在 設 計 階 段 調 用 特 征 庫 中 的 特 征 作 為 基 本 造 型 單 元 進 行 建 模 ， 再 逐 步 輸 入 幾 何 信 息 、 工 藝 信 息 ， 建 立 零 件 的 特 征 數 據 模 型 ， 并 將 其 存 入 數 據 庫 。 基 于 特 征 的 造 型 方 法 大 大 地 提 高 了 設 計 效 率 和 質 量 ， 同 時 在 設 計 過 程 中 設 計 人 員 可 方 便 地 進 行 特 征 的 合 法 性 、 相 關 性 檢 查 ， 便 于 組 織 復 雜 的 特 征 。 特 征 建 模 過 程 實 際 上 是 一 系 列 特 征 的 累 加 過 程 。 在 三 維 建 模 中 主 要 有 以 下 3 種 特 征 : (1)實 體 特 征 它 是 構 建 三 維 模 型 的 基 本 單 元 和 主 要 設 計 對 象 。 實 體 特 征 可 以 是 正 空 間 特 征 (如 實 體 的 突 出 部 分 )， 也 可 以 是 負 空 間 特 征 (如 實 體 上 的 孔 、 槽 等 )。 在 Pro/E 中 ， 根 據 建 模 方 式 和 原 理 的 差 異 ， 把 實 體 特 征 進 一 步 分 為 基 礎 特 征 和 工 程 特 征 。 基 礎 特 征 是 三 維 模 型 設 計 的 起 點 ， 包 括 拉 伸 特 征 、 旋 轉 特 征 、 掃 描 特 征 和 混 合 特 征 等 ； 工 程 特 征 是 在 基 礎 特 征 上 的 附 加 特 征 , 它 的 創(chuàng) 建 依 賴 于 已 存 在 的 基 礎 特 征 ， 是 有 一 定 工 程 應 用 價 值 的 特 征 ， 包 括 孔 特 征 、 肋 特 征 、 倒 角 特 征 和 拔 模 特 征 等 。 (2)曲 面 特 征 它 是 一 種 沒 有 質 量 和 體 積 的 幾 何 特 征 ， 對 曲 面 的 精 確 描 述 比 較 復 雜 ， 在 目 前 三 維 造 型 中 通 常 采 用 “B 樣 條 曲 線 ”為 基 礎 ， 通 過 曲 率 分 布 圖 對 曲 線 進 行 編 輯 ， 進 而 得 到 高 質 量 的 曲 面 造 型 。 曲 面 特 征 主 要 用 于 產 6 品 的 概 念 設 計 、 外 形 設 計 和 逆 向 工 程 等 設 計 領 域 。 (3)基 準 特 征 指 參 數 化 設 計 的 基 準 點 、 基 準 軸 、 基 準 曲 線 、 基 準 平 面 和 坐 標 系 等 。 一 般 來 說 ， 基 準 特 征 主 要 用 于 輔 助 三 維 模 型 的 創(chuàng) 建 。 3.2.2 Pro/E 建模的一般過程 建模的各個過程有機地結合起來，形成一個整體，整個建模過程就是基于 特征為基本單位的參數化設計過程。其中參數包括幾何參數和尺寸參數。幾何 參數確定了實體特征基本位置的固定關系，尺寸參數決定了產品外觀尺寸和相 對距離。利用參數可以準確控制和修改所建立的三維模型。 Pro/E 建模的一般過程如下： (1) 建立或選取基準特征作為模型空間定位的基準：如基準面、基準軸和 基準坐標系等。建立每個實體特征時,都要利用基準特征作為參照； (2) 建立基礎實體特征：拉伸、旋轉、掃描、混合等。利用 Pro/E 建模首先 從整體研究將要建模的零件,分析其特征組成，明確不同特征之間的關系和內在 聯系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎上進行建模、添加工程特征等設計。 通過二維平面草繪圖的旋轉、拉伸、掃描和混合等工具來實現三維實體模型的 構建。Pro/E 三維模型將線框、曲面和實體三者結合起來； (3) 建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等； (4) 特征的修改：特征陣列、特征復制等編輯操作； (5) 添加材質和渲染處理。 3.2.3 利用族表實現零件系列化設計 系列化設計是指對于某些基本形狀相似的零件，通過修改參數即可自動生 成新的系列化零件的設計方法，系列化設計可大大節(jié)省設計時間，提高設計效 率。Pro/ E 提供的族表實質上是一電子表格，該表格由行和列組成。族表中由 用戶建立的零件為基礎零件(父零件)，以基礎零件為基礎，通過控制參數驅動 生成的零件為族成員(子零件)，所有基礎零件和族成員的集合即為族表。 3.3 Pro/E 的特點及產品外觀造型設計 Pro/E 獨樹一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的設計、制造方法。與其 他同類三維軟件（MDT、UG、CATIA 等）相比，Pro/ENGINEER 的不同之處 在于以下幾點： （1） 基于特征的（Feature-Based） 7 Pro/E 是一個基于特征的（Feature-Based）實體模型建模工具，利用每次個 別建構區(qū)塊的方式構建模型。設計者根據每個加工過程，在模型上構建一個單 獨特征。特征是最小的建構區(qū)塊，若以簡單的特征建構模型，在修改模型時， 更有彈性。 （2） 關聯的（Associative） 通過創(chuàng)建零件、裝配、繪圖等方式，可利用 Pro/ENGINEER 驗證模型。由 于各功能模塊之間是相互關聯的，如果改變裝配中的某一零件，系統(tǒng)將會自動 地在該裝配中的其他零件與繪圖上反映該變化。 （3） 參數化（Parametric ） Pro/ENGINEER 為一參數化系統(tǒng)，即特征之間存在相互關系，使得某一特 征的修改會同時牽動其他特征的變更，以滿足設計者的要求。如果某一特征參 考到其他特征時，特征之間即產生父/子（parent/child ）關系。 （4） 構造曲面（surface ） 復雜曲面的生成主要有三種方法：1）由外部的點集，生成三維曲線，再利 用 Pro/E 下 surface 的功能生成曲面；2）直接輸入由 Pro/designer（造型設計） 產生的曲面；3）利用 import（輸入）功能，以 IGES、 SET、VDA、Neutral 等 格式，輸入由其他軟件或三維測量儀產生的曲面。 （5） 在裝配圖中構建實體 根據已建好的實體模型，在裝配（component）中，利用其特征（平面，曲 面或軸線）為基準，直接構建（Create）新的實體模型。這樣建立的模型便于 裝配，在系統(tǒng)默認（default ）狀態(tài)下，完成裝配。 在產品進行設計之前，首先要搞清楚利用軟件進行設計的步驟或流程。使 用 PRO/E 一般要遵循一定的流程： （1）確定產品的基本結構 分析產品的基本結構，確定將產品分為幾部分，根據產品的特征，建立特 征曲線，使用 PRO/E 可接受的造型方法，構建產品的主體輪廓。例如，可將電 飯煲分為三部分：鍋蓋總成、按鍵總成、鍋體總成。在設計時，可先將鍋蓋、 鍋體、按鍵作為一體來考慮，設計完成后，用分模的方法分為三部分，按鍵的 形狀及裝配位置要同鍋體的曲面配合，因此，該產品應按照鍋蓋部分、鍋體部 分、按鍵部分的順序進行設計。 （2）建模 按照 PRO/E 建模的規(guī)則，使用各種適當的建模方法，建立主體模型。其設 計思路是由簡到繁，由基本到復雜，復雜的幾何體都是由一個簡單的幾何特征 組合構成的。 8 （3）修剪曲面 使用 SURFACE 菜單下的各種選項，如 MERGE（融合曲面），包括： JOIN（連接）、INTERSECT（相交）、TRIM（修剪曲面）、EXTEND（延伸 曲面）等，對曲面進行修剪、編輯，完成模型的初步設計。 （4）曲面檢測 檢查曲面光滑度、曲率變化的連續(xù)性等項目，來確認曲面是否符合設計要 求。一般情況下，對曲面進行渲染 RENDER 或 SHADING 處理，通過 VISIBILITY（可見度）、 TRANSPARENCY（透明度）、LIGHT（燈光設置） 等手段，產生高清晰度的曲面，判斷曲面的光滑性。此外，還可以用 ANALYSIS-SURFACE ANALYSIS 工具，對曲面的最小曲率半徑、最大曲率半 徑、高斯曲率（GAUSS CURVATURE）等項目進行檢測，從曲率圖表、彩色 圖象的顏色變化，可以直觀地了解曲面的光滑性。如果曲面的外觀質量不符合 設計要求，可以修改曲面的參數，以得到效果符合要求的曲面。由于 PRO/E 軟 件的基本特征之一就是參數化，通過改變參數實現曲面的變化是很容易的。 （6） 圓順邊角 在建立 CAD 模型時，特征與特征之間存在父/子關系，如果增加特征或修 改特征，則會引起邊、面的改變，從而導致圓角特征失敗，因此，邊、面的圓 角或光滑過度一般在模型設計的后期進行。Pro/E 提供強大的圓角功能，可以完 成單一邊界、多邊界，單一半徑、變半徑的圓角。此外利用軟件提供的 Advanced Round（高級圓角功能），通過指定圓角的形式、圓角相交時截面的 形狀，可達到圓順部分不同的外觀效果，是區(qū)別于其他三維軟件的特色之一。 在實際使用過程中，筆者發(fā)現倒圓角有一定的先后順序，遵循由大到小、先凹 后凸的原則，一般可獲得成功。如果產生失敗，采用改變圓角順序、 Boundary（邊界曲面）和特征結合使用的方法，往往能得到滿意的效果。 最后，Pro/Engineer Wildfire 版本更加完善了軟件的用戶界面和功能，其中 包含了目前國際上先進的工程設計理念和設計思想，如 To-down 設計、并行設 計、柔性設計、系統(tǒng)靈敏度設計技術，在進一步推廣和使用 Pro/E 軟件的同時, 這些先進的設計技術也將引入到工業(yè)產品造型設計中，與其他三維造型設計軟 件相比，Pro/E 在結構設計上具有特殊的優(yōu)勢，將 Pro/E 運用到產品造型設計和 結構設計的各個環(huán)節(jié)必將全面推動產品設計的發(fā)展和進步，與世界先進計算機 輔助設計技術接軌。 9 4 ADAMS 功能介紹 4.1 ADAMS 概述 ADAMS， 即 機 械 系 統(tǒng) 動 力 學 自 動 分 析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)， 該 軟 件 是 美 國 MDI 公 司 (Mechanical Dynamics Inc.)開 發(fā) 的 虛 擬 樣 機 分 析 軟 件 。 目 前 ， ADAMS 已 經 被 全 世 界 各 行 各 業(yè) 的 數 百 家 主 要 制 造 商 采 用 。 根 據 1999 年 機 械 系 統(tǒng) 動 態(tài) 仿 真 分 析 軟 件 國 際 市 場 份 額 的 統(tǒng) 計 資 料 ， ADAMS 軟 件 銷 售 總 額 近 八 千 萬 美 元 、 占 據 了 51%的 份 額 ,現 已 經 并 入 美 國 MSC 公 司 。 ADAMS 軟 件 使 用 交 互 式 圖 形 環(huán) 境 和 零 件 庫 、 約 束 庫 、 力 庫 ， 創(chuàng) 建 完 全 參 數 化 的 機 械 系 統(tǒng) 幾 何 模 型 ， 其 求 解 器 采 用 多 剛 體 系 統(tǒng) 動 力 學 理 論 中 的 拉 格 郎 日 方 程 方 法 ， 建 立 系 統(tǒng) 動 力 學 方 程 ， 對 虛 擬 機 械 系 統(tǒng) 進 行 靜 力 學 、 運 動 學 和 動 力 學 分 析 ， 輸 出 位 移 、 速 度 、 加 速 度 和 反 作 用 力 曲 線 。 ADAMS 軟 件 的 仿 真 可 用 于 預 測 機 械 系 統(tǒng) 的 性 能 、 運 動 范 圍 、 碰 撞 檢 測 、 峰 值 載 荷 以 及 計 算 有 限 元 的 輸 入 載 荷 等 。 ADAMS 一 方 面 是 虛 擬 樣 機 分 析 的 應 用 軟 件 ， 用 戶 可 以 運 用 該 軟 件 非 常 方 便 地 對 虛 擬 機 械 系 統(tǒng) 進 行 靜 力 學 、 運 動 學 和 動 力 學 分 析 ； 另 一 方 面 ， 又 是 虛 擬 樣 機 分 析 開 發(fā) 工 具 ， 其 開 放 性 的 程 序 結 構 和 多 種 接 口 ， 可 以 成 為 特 殊 行 業(yè) 用 戶 進 行 特 殊 類 型 虛 擬 樣 機 分 析 的 二 次 開 發(fā) 工 具 平 臺 。 ADAMS 軟 件 由 基 本 模 塊 、 擴 展 模 塊 、 接 口 模 塊 、 專 業(yè) 領 域 模 塊 及 工 具 箱 5 類 模 塊 組 成 ， 用 戶 不 僅 可 以 采 用 通 用 模 塊 對 一 般 的 機 械 系 統(tǒng) 進 行 仿 真 ， 而 且 可 以 采 用 專 用 模 塊 針 對 特 定 工 業(yè) 應 用 領 域 的 問 題 ， 進 行 快 速 有 效 的 建 模 與 仿 真 分 析 。 4.2 ADAMS 基本功能 ADAMS 軟件提供的分析類型如下： (1)結構靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應力和力，靜力分析很適合求解慣性和阻尼 對結構的影響并不顯著的問題。ADAMS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性 分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及 接觸分析。 (2)結構動力學分析 10 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響，與靜力 分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 可進行 ADAMS 的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧 波響應分析及隨機振動響應分析。 (3)結構非線性分析 結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ADAMS 程序 可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三 種。 (4)動力學分析 ADAMS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用 時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產 生的應力、應變和變形。 (5)熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類 型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析，熱分析還具有可以模擬材料固化 和熔解過程的相變分析能力以及摹擬熱與結構應力之間的熱結構耦合分析能力。 (6)電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分 布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等，還可用于螺線管、調節(jié) 器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析 領域。 (7)流體動力學分析 ADAMS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)， 分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率，并且可以利用后處理 功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應 單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 (8)聲場分析 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流 體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究 音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 (9)壓電分析 用于分析二維或三維結構對 AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化 的電流或機械載荷的響應，這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥 11 克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析。可進行四種類型的分析：靜 態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析。 4.3 ADAMS 和 Pro/E 之間的數據轉換 要對一種復雜的機械系統(tǒng)進行比較精確的動力學仿真研究，一種比較流行 的解決方案就是用專業(yè)的 CAD 軟件和專業(yè)的動力學仿真軟件進行聯合建模， 即先用專業(yè)的 CAD 軟件精確建立復雜機械系統(tǒng)各零部件的三維實體圖和機構 裝配圖，而后轉化到專業(yè)的動力學仿真軟件下添加復雜的力和約束，最終形成 系統(tǒng)的虛擬樣機，并在樣機上對系統(tǒng)進行動力學仿真研究。但由于當前沒有一 款軟件同時具有專業(yè) CAD 建模和專業(yè)動力學仿真的功能，通常選用的 CAD 軟 件和動力學仿真軟件是兩個不同公司的產品，這就存在兩個軟件傳遞過程中 “有縫聯接”的處理問題。 目前國內這方面研究的一種常見組合是美國 PTC 公司的 Pro/E 和美國 MDI 公司的 ADAMS，故對于從事復雜機械動力學仿真研究的 ADAMS 工程師 而言，正確處理 Pro/E 和 ADAMS 的傳遞是確保仿真效果的一項關鍵技術。對 于 Pro/E 和 ADAMS 的傳遞，用 MDI 公司提供的專用接口模塊 Mechanism/Pro 比較方便，定義好零部件的單位和密度是最基本的要求。 如今，MDI 公司已經發(fā)布了 ADAMS10.0 版本，10.0 新版本是在 9.0 軟件 的基礎上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，它延續(xù)了 ANSYS 一貫強大的耦合場 技術，10.0 版本為復雜的流固耦合（FSI）問題提供了更完善的解決方案。該版 本整合了世界一流的應力分析和流體分析技術，形成了一套完整的 FSI 解決方 案，通過適合于特定場要求的網格劃分，一個單一的幾何體可以應用于兩種場。 該版本提供了有效地解決 FSI 動力學分析的信息交換功能，目前市場上沒有任 何其他的 FSI 軟件可以提供如此強大的穩(wěn)健性和高度的精確性的分析。另外， 該版本可以在多個機群進行并行處理解決超大模型。 12 5 仿真分析 5.1 仿真流程圖 基于 ADAMS 的建模功能并不強大，只能建一些簡單的模型。所以本文先 采用專業(yè)的 CAD 軟件 Pro／E 建立機械手的機構模型， 然后通過 Mechanism／Pro 口模塊導入 ADAMS 中進行運動學仿真。整個仿真流程如圖 1 所示： 三 P r o / E 三 三 三 三 三 三 三 三 三 A D A M S 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 Y N 圖 1 仿真計算流程 13 5.2 模型建立 5.2.1 利用 Pro/E 建立機構模型 圖2即為在CAD軟件Pro／E中所建立的機械手機構模型。假設各桿件質量分 布勻，且為剛體，圖中可以清楚地看到該機械手由機座、腰部、大臂、小臂、 手腕以及夾持器幾部分構成，其中腰部與機座之間、大臂與腰部之間、小臂與 大臂之間分別通過旋轉關節(jié)連接。此三個關節(jié)的作用是使與其連接的桿件構成 相對轉動，即機械手的三個自由度，它們決定了機械手末端在空間中的位置， 機械手的腕部有兩個旋轉關節(jié)連接，包含滾轉和俯仰共兩個自由度，他們決定 了機械手在空間中的姿態(tài)。機械手的技術參數如表1所示。 圖 2 機械手模型 表 1 機械手的技術參數 關節(jié)數 關節(jié)類型 關節(jié)變量范圍 1 R（腰部回轉） －130°～130° 2 R（大臂俯仰） －45°～135° 3 R（小臂俯仰） －180°～0° 4 R（腕部回轉） －180°～180° 5 R（腕部俯仰） －225°～45° 該機械手可看作一個開式運動鏈，由連桿通過轉動關節(jié)串聯而成。開鏈的 一端固定在地面基座上，另一端是自由的，安裝著工具(或稱為末端執(zhí)行器)， 用來完成各種作業(yè)。整個機械手的運動是由分別安裝在每個旋轉關節(jié)上的步進 14 電機驅動，經諧波減速器減速后帶動連桿轉動，只要給定各個關節(jié)的角度值， 機械手就可以以一定姿態(tài)運動到指定位置。如果給定機械手初態(tài)和末態(tài)位置坐 標，也可以測出機械手各關節(jié)角度值及其隨時間的變化規(guī)律曲線。在創(chuàng)建3D模 型之前，最好定義各種材料的零件的模板。在建模過程中，嚴格按照零件材料 選用模板，可以減少輸入密度的工作。對于各種電機，傳感器等多種材料的不 見，需要計算出密度并輸入相應的模型中。下面給出機械手的裝配圖。如圖3所 示： 圖3 機械手裝配圖 在裝配過程中，對有運動關系的零件之間，在Pro/Engineer中使用關節(jié)裝配 方式，可以省去部分在ADAMS中工作。 在添加約束的過程中，需要詳細的定義各種運動副，本文中主要是轉動副 和旋轉副。 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉換 我們利用Pro／E 與ADAMS 軟件的接口Mechanism／Pro ，將機構模型轉 入ADAMS中。由于Pro/E 和ADAMS 來自兩個不同的公司，兩者間屬“有縫連接” ，兩者間不同的圖形格式在轉換時一些圖形元素可能會丟失，此時需要返回并 做相應的修改，進一步完善模型，確保無誤后添加約束及驅動。對于本論文中 的機械手主要包括固定副，關節(jié)的旋轉副及驅動，各部件的約束關系盡可能與 實際系統(tǒng)相一致，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機。此時的樣機包含兩部分，一部分 為大地(固定件)模型，另一部分為運動件模，各關節(jié)的連接關系可以在 ADAMS的信息窗口中看到。接下來就可以進行仿真分析了。 15 5.3 ADAMS 仿真 5.3.1 仿真設置 本次仿真主要觀察在給定機械手五個關節(jié)角的值后，讓機械手的末端達到一 定位姿，要求機械手的前三個關節(jié)先動，之后腕部關節(jié)再旋轉調整姿態(tài)。首先 ADAMS定義的運動可以是與時間有關的位移、速度和加速度，默認狀態(tài)下運 動的速度定義為常數。我們可以通過三種方法自定義運動值： (1)輸入移動或旋轉的速度。在默認情況下，輸入的轉速單位為度／單位時 間，輸入的移動單位為長度/單位時間。 (2)使用函數表達式。 (3)輸入自編函數子程序的傳遞參數。還可以編一個子程序定義非常復雜的 運動，此時，在參數欄輸入的是傳遞給子程序的參數，本次仿真使用的是第二 種方法，輸入函數。ADAMS提供了很多函數，這里使用五個STEP函數來定義五個 旋轉副的運動。具體如下： Motion1_jizuo_yao:step(time，0，0，1，90d) Motion2_dabi_yao:step(time，0，0，1，45d) Motion3_xiaobi_dabi:step(time，0，0，1，-90d) Motion4_wanl_xiaobi:(time，1，0，2，-90d) Motion5_wan2_wan1:(time，2，0，3，-135d) 設定仿真時間為3 S ，仿真步數為 200。 5.3.2 仿真結果 在仿真結束后，進行測量輸出。ADAMS提供了兩種類型的測量，一種是預先 定義好的自動輸出結果的測量，如：構件、點、柔性件、力、運動副等對象的 位移、速度和加速度、動能和勢能、力等有關信息；另一種是用戶自定義的測 量。ADAMS的測量功能非常廣泛，不僅可以在仿真分析過程中跟蹤繪制感興趣的 變量，以便跟蹤了解仿真分析過程，同時還可以在仿真分析結束后繪制有關變 量的變化線。在這里我們測量手部末端WAN3隨時間的位移變化，得圖 4所示曲線 圖。圖4中可以清楚地看到機械手臂全部位移大部分集中在第一秒內，也就是說， 要腰關節(jié)，肩關節(jié)，肘關節(jié)的旋轉已經基本達到所需位置，而腕部的滾轉、俯 仰兩關節(jié)的作用是對手部姿態(tài)做調整，位移的變化并不大。 16 圖4 手部末端位移曲線圖 圖5為機械手末端速度變化曲線圖，可以看到與實際情況是非常吻合的。 圖5 機械手末端速度變化曲線圖 運動學仿真后，還可測出各個關節(jié)上的驅動力，這里只給出腕關節(jié)的驅動力曲 線圖，如圖6。 圖6 腕部驅動力曲線圖 17 6 運動學分析 6.1 建立坐標系 如圖 7 所示，建立坐標系： 圖 7 三轉動一平移機械構型圖 6.2 運動學分析 建立的坐標系，O點為機座定位點，以O點為原點建立坐標系XOYOZO ，此坐 標系即為世界坐標系OXOYOZO；在A點建立機械手坐標系AXAYAZA，XA指向AB桿， Z軸方向與ZO一致，按右手笛卡爾坐標系確定Y軸方向；在B點建立坐標系 BXBYBZB ;在C點建立坐標系CXCYCZC，其中XC指向DP方向；在D點建立坐標系 DXDYDZD，其中XD指向DP方向，P點工作點在 DXDYDZD中的坐標為（l3， 0， 0） 。 從工件坐標系向世界坐標系的變換如下式（1）： 18 （1） 其中l(wèi)1為AB長度，l2為BC段長度，l3為DP長度，l為CD間的距離，變量以X表示 [XOP YOP ZOP]，以θ表示變量[θ1 θ2 θ3 l ]，則可以用如下式（2）表達式 （1）： Ｘ=f(θ) (2) 由此可以解出末端坐標系相對于世界坐標系的位姿運動，反解主要是求解位姿 運動方程（1）的反問題，是由機械手的笛卡爾空間到關節(jié)空間的逆變換，即求 解θ 1，θ 2，θ3，l的過程。 此時，由于只有三個方程，但卻有4個變量，即由于三轉動一平移，共四個 自由度導致可以出現無窮解 因此一般機械手在運動反解的過程中，都需要限定 其他的條件，以在無窮解中選取有窮解，這種限定條件一般為：行程最短，功 率最省，受力最好，回避障礙或機械手在工作位置DP臂相對世界坐標系成一固 定夾角等，有時候數種限定條件一起添加，以獲得最優(yōu)解。假設此處使用DP臂 與世界坐標系成一固定夾角和θ1最小為原則，即： θ1+θ2+θ3=? (3) 且θ 1取最小值。 由式（1） （2） （3）綜合，即可以求出運動方程的反解： θ=?ˉ(X) (4) 對式（2）求一階、二階導數，即可以得到在已知 θ1，θ 2，θ3，1的情況下的P 點的各個坐標位置，各坐標方向的速度，各坐標方向的加速度。 同理，對式(4)求一階，二階導數，即可以得到在已知P點位置的情況下， 綜合限定條件就得到機械手各轉動臂的角度、角速度、角加速度，以及平移的 距離、 速度、加速度。 在創(chuàng)建3D模型之前，最好定義各種材料的零件的模板。在建模過程中，嚴 格按照零件材料選用模板，可以減少輸入密度的工作，對于各種電機，傳感器 等多種材料的部件，需要計算出密度并輸入相應的模型中。在裝配過程中，對 有運動關系的零件之間，在 Pro/Engineer 中使用關節(jié)裝配方式，可以省去部分 在ADAMS中工作，在添加約束的過程中，需要詳細的定義各種運動副，本文 中主要是旋轉副和移動副。 19 7 結束語 本文介紹的方法，通過對四自由度機械手的運動學仿真分析，使機械手的 整個運動過程直觀明了，同時測量了手部末端的位移、速度隨時間的變化曲線， 及腕關節(jié)的驅動力。對機械手的軌跡規(guī)劃及其控制奠定了基礎，此技術可以進 一步指導機械手的其他控制方面，如軌跡規(guī)劃，最優(yōu)路徑選擇，誤差補償控制 等各個方面，簡化了設計過程，縮短了設計周期，減少開發(fā)費用，提高了產品 的品質。 研制工業(yè)機械手越來越受到人們的關注，對機械手的研究也是日新月異。 可以想象，未來的工業(yè)機械手勢必會有下面幾種發(fā)展趨勢： 1．工業(yè)機械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維 修)，而單機價格不斷下降。 2．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速 機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機， 國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 3．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準 化、網絡化，器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構大大提高 了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機械手應用普及，機器人化機械開始興起。 20 參考文獻 [1] 林清安.Pro/ENGINEER 野火 3.0 中文版動態(tài)機構設計與仿真.電子工業(yè)出版 社,2005 [2] 孫江宏,黃小龍,羅琨等.Pro/ENGINEER 野火版入門與提高.清華大學出版社. 2006 [3] 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機技術入門與提高 [M].北京機械工業(yè)出版社.2005 [4] 蘇厚合,黃勝杰,林佩玲.PRO/ENGINEER2006 入門與提高.清華大學出版社. 2001 [5] 李軍,邢俊文等.ADAMS 實例教程[M].北京理工大學出版社.2002 [6] 柳洪義,宋偉剛.器人技術基礎[M].冶金工業(yè)出版社.2002 [7] 王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機器人控制自動化技術與應用[J].1986,5(3):1-8 [8] 王剛,孫學儉.機械手運動學仿真問題[J].北京石油化工學院學報.1994,02(2):1-5 [9] 鄒培海.基于 ADAMS 的水下機械手研究[J].機械工程師.2007,(3):52-53 [10]陳幼平,馬志艷,袁楚明,周祖德.六自由度機械手三維運動仿真研究[J].計算機 應用研究.2006,(6):205-207 [11]鄭湘軍,唐焱.基于 ADAMS 和 PRO/E 的懸架與轉向系統(tǒng)的仿真分析[J].北京 汽車.2008,(1):36-38 [12]譚志飛,黃輝先.基于 ADAMS 和 PRO/E 的機械手運動學仿真[J]. 機械工程師. 2007,(4):129-130 [13]梁正文,張云娟.ADAMS 和 PRO/E 的結合在汽車四輪轉向模式仿真中的應用 [J].汽車與船舶 .2007,(1):160-162 [14]魏躍遠,王文瑞.Pro/Engineer Wildfire20 實體建模范例全程表現[M].科學出版 社.2005 [15]楊晉生.鏟土運輸機械設計[M].北京;機械工業(yè)出版社.1981 [16]邱銘軍,趙航,姚培.AMEsim 軟件及其應用[J].筑路機械與施工機械化 . 2005,22(8):60-61 21 致謝