0024-基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,基于,adams,自由度,機(jī)械手,運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真 開題報(bào)告 題目名稱 基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 學(xué)生姓名 所學(xué)專業(yè) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 所學(xué)專業(yè) 職稱 完成期限 1、 選題的目的和意義 機(jī)械手是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。 工業(yè)機(jī)械手的性能，要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度，提高通用性和靈活性，同時(shí)還要求降低成本，控制簡(jiǎn)單，安全可靠。因此，工業(yè)機(jī)械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。 二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)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誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)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。 三、主要研究?jī)?nèi)容 1．為了適應(yīng)工業(yè)化程度的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2. 為了方便地表達(dá)三維設(shè)計(jì)思想，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查以及提高利用律用。學(xué)習(xí)利用Pro/E進(jìn)行零組件設(shè)計(jì)、仿真和工程圖生成的內(nèi)容。 3. 用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)。 四、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的研究方法或技術(shù)路線 1. 查閱有關(guān)書籍，借助于網(wǎng)上數(shù)字圖書館收集資料，對(duì)課題進(jìn)行研究分析，形成系統(tǒng)的外部資料，把握國(guó)內(nèi)及國(guó)外此方面的研究動(dòng)向和研究理論。 2. 總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，提出對(duì)相關(guān)課題的新意見解，兵役時(shí)間的并用實(shí)踐的方式加以證明。 3. 在指導(dǎo)老師的安排幫助下解決困難和問題。 4. 認(rèn)真學(xué)習(xí)掌握Pro/E以及Adams軟件，進(jìn)行并完成課題設(shè)計(jì)。 5. 歸納系統(tǒng)的研究過程，撰寫論文。 五、主要參考文獻(xiàn)與資料 [1] 林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)出版社,2006，18-25 [3] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)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.北京:清華大學(xué)出版社.2001 [5] 李軍,邢俊文等.ADAMS實(shí)例教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社.2002 [6] 柳洪義,宋偉剛.器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社.2002 [7] 王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機(jī)器人控制自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用[J].1986,5(3):1-8 [8] 王剛,孫學(xué)儉.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真問題[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào).1994,02(2):1-5 [9] 鄒培海.基于ADAMS的水下機(jī)械手研究[J].機(jī)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(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2006,(6):205-207 [11]鄭湘軍,唐焱.基于ADAMS和PRO/E的懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析[J].北京汽車.2008,(1):36-38 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建立機(jī)構(gòu)模型 13 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉(zhuǎn)換 14 5.3 ADAMS 仿真 15 5.3.1 仿真設(shè)置 15 5.3.2 仿真結(jié)果 15 6 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .17 6.1 建立坐標(biāo)系 .17 6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .17 7 結(jié)束語 .19 參考文獻(xiàn) .20 致謝 .21 1 1 引言 1.1 工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀 隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，機(jī)器人仿真系統(tǒng)在 機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究方面，發(fā)揮著重要的作用，它可應(yīng)用于機(jī)器人的許多方面， 已成為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支。例如：可幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間 的形態(tài)及極限；還能幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)與合理性；可用 于分析檢驗(yàn)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(shù)的研究 提供一種極為有效的驗(yàn)證手段；可以用于實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境之間的碰 撞與干涉以保證整個(gè)生產(chǎn)單元的安全等。此外，仿真技術(shù)還可以幫助用戶選擇 適合特定作業(yè)環(huán)境的機(jī)器人類型。 機(jī)械手是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì) 算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī) 電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。 工業(yè)機(jī)械手的性能，要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度，增加機(jī)構(gòu)的自由 度，提高通用性和靈活性，同時(shí)還要求降低成本，控制簡(jiǎn)單，安全可靠。因此， 工業(yè)機(jī)械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。 多自由度機(jī)械手已經(jīng)得到了廣泛的研究，但自由度較少的工業(yè)機(jī)械手，以 其造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、定位精度高、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)， 有極高的性價(jià)比，在實(shí)際工業(yè)市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手 由于精度高、運(yùn)動(dòng)速度快，串聯(lián)四自由度導(dǎo)致其靠后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)都 位于運(yùn)動(dòng)著的臂上，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加，系統(tǒng)動(dòng)力性能惡化；又由于串聯(lián)機(jī)構(gòu) 求正解較容易，而求逆解則較困難，因此運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算困難，導(dǎo)致在設(shè) 計(jì)中必須放寬各種設(shè)計(jì)參數(shù)；還因?yàn)闄C(jī)器較重，并進(jìn)一步導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)部分變大， 系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，大型驅(qū)動(dòng)部分難以取得較高的精度。 1.2 工業(yè)機(jī)械手的功能及應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成 許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng) 化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工 人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？墒窃跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程 2 度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生 產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí) 間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切 性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)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(gè) 生產(chǎn)工序，機(jī)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(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。 (1) 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永 泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類） ，大連電機(jī)廠的 4 號(hào)和 5 號(hào)電動(dòng)機(jī)加工 自動(dòng)線（軸類） ，上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤類）等。加工箱體類零件的組 合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力 機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 （2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需 人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前， 機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī) 械手，大連第二車床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使 用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)?用戶安裝機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手 （生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等 自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械 手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是 160t 以上的沖床用機(jī)械手的較多，如沈陽低 壓開關(guān)廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的 下料機(jī)械手等；二是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所 制作的 120t 和 40t 多工位沖床機(jī)械手等。 （3）鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、5t、10t 模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩 只機(jī)械手成一定角度布置在爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化，上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi) 燃機(jī)廠、洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。 3 1.3 本文研究?jī)?nèi)容及研究意義 本文所介紹的方法是使用Pro/Engineer 進(jìn)行3D 建模，并使用ADAMS 進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，使用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算實(shí)際機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)與受力特征，指導(dǎo)3D 設(shè)計(jì)過程的方法，可以降低機(jī)械手的開發(fā)周 期，降低了機(jī)械手的開發(fā)成本；機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，還具有進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)無 法比擬的其他優(yōu)勢(shì)，包含可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械手的下一步的運(yùn)動(dòng)過程，通過更改 機(jī)械手的控制算法，可以降低機(jī)械手的能耗、反應(yīng)時(shí)間，而且還具有及時(shí)改進(jìn) 設(shè)計(jì)參數(shù)、再次進(jìn)行仿真、避免重復(fù)的實(shí)物建造等一系列降低費(fèi)用、縮短開發(fā) 周期的優(yōu)點(diǎn)。 2 工程機(jī)械仿真簡(jiǎn)介 2.1 概述 建國(guó)以來，工程機(jī)械行業(yè)從無到有，從弱到強(qiáng)，走過了波瀾壯闊的 60 年風(fēng) 雨歷程，為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工 業(yè)領(lǐng)域在自主創(chuàng)新、品牌建設(shè)、出口創(chuàng)匯等方面的典范，涌現(xiàn)了一批在國(guó)內(nèi)外 有影響力的人物、企業(yè)、品牌。 2.2 工程機(jī)械仿真的思想、內(nèi)容和特點(diǎn) 工程機(jī)械是否具有優(yōu)良品質(zhì)、使用性能和可靠性水平，取決于采用先進(jìn)的 設(shè)計(jì)理論和方法手段產(chǎn)生的優(yōu)化的零部件及機(jī)器整體的結(jié)構(gòu)形狀。工程機(jī)械仿 真設(shè) 計(jì)的基本思想、 內(nèi)容是： 建立以機(jī)器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化準(zhǔn) 則， 在相似的使用條件下，從結(jié)構(gòu)尺寸相似的現(xiàn)有機(jī)器產(chǎn)品系列中篩選出技術(shù) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和效益指標(biāo)最優(yōu)的機(jī)器作為樣機(jī)，然后根據(jù)描述機(jī)器技術(shù)形態(tài)和工作 過程的數(shù)學(xué)方程，運(yùn)用相似理論推導(dǎo)出設(shè)計(jì)機(jī)器與樣機(jī)參數(shù)間的相似公式，利 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理，迅速將優(yōu)化樣機(jī)參數(shù)換算到要設(shè)計(jì)的機(jī)器上，并根 據(jù)所得新機(jī)器的主要參數(shù)和樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與圖形，繪制出設(shè)計(jì)機(jī)器的圖紙。仿真 設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要是理論性強(qiáng)、速度快、費(fèi)用低，是工程機(jī)械研制新機(jī)器的良好 途徑，它不僅對(duì)提高機(jī)器的開發(fā)速度，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量有良好的實(shí)用價(jià)值，而且 對(duì)引進(jìn)機(jī)器設(shè)備的仿制及系列化具有重要作用。 4 2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)概念 參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。 采用參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)來修改和控制幾何形狀，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的 精確造型。這些重要的幾何參數(shù)包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢 量等。 參數(shù)化技術(shù)以約束為核心，是一種比約束自由造型技術(shù)更新穎、更好的造 型技術(shù)。該技術(shù)具有以下 3 個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低。無需精通繪圖，只需勾繪草圖即可，提 高了設(shè)計(jì)的柔性。 ( 2 ) 便于系列化設(shè)計(jì)。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計(jì)成型后 通過修改尺寸得到。 ( 3 ) 便于隨時(shí)編輯、修改，能滿足反復(fù)設(shè)計(jì)要求。 2.4 工程機(jī)械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì) 工程機(jī)械各個(gè)機(jī)構(gòu)由很多的零部件構(gòu)成，其中存在大量的相似件，同一系 列的機(jī)型之間也有大量的相似件。在傳統(tǒng)的二維、 三維設(shè)計(jì)方法上，需要對(duì)每 一個(gè)零部件進(jìn)行分別建模，這就必然要求占用較多的時(shí)間和空間，浪費(fèi)更多的 精力，而且在對(duì)零部件進(jìn)行修改時(shí)，需要改動(dòng)的參數(shù)也比較多，花費(fèi)大量的時(shí) 間和精力，對(duì)設(shè)計(jì)者來說節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)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(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER（造型 設(shè)計(jì)）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具 開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、 機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā) 的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開發(fā)的流程，國(guó)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(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 3.2 Pro/E 對(duì)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(shù) 的 發(fā) 展 ， 它 對(duì) 諸 如 零 件 形 狀 、 尺 寸 、 工 藝 、 功 能 等 相 關(guān) 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(biāo) 準(zhǔn) 特 征 或 用 戶 自 定 義 特 征 存 入 數(shù) 據(jù) 庫 ， 在 設(shè) 計(jì) 階 段 調(diào) 用 特 征 庫 中 的 特 征 作 為 基 本 造 型 單 元 進(jìn) 行 建 模 ， 再 逐 步 輸 入 幾 何 信 息 、 工 藝 信 息 ， 建 立 零 件 的 特 征 數(shù) 據(jù) 模 型 ， 并 將 其 存 入 數(shù) 據(jù) 庫 。 基 于 特 征 的 造 型 方 法 大 大 地 提 高 了 設(shè) 計(jì) 效 率 和 質(zhì) 量 ， 同 時(shí) 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 設(shè) 計(jì) 人 員 可 方 便 地 進(jìn) 行 特 征 的 合 法 性 、 相 關(guān) 性 檢 查 ， 便 于 組 織 復(fù) 雜 的 特 征 。 特 征 建 模 過 程 實(shí) 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(shí) 體 特 征 它 是 構(gòu) 建 三 維 模 型 的 基 本 單 元 和 主 要 設(shè) 計(jì) 對(duì) 象 。 實(shí) 體 特 征 可 以 是 正 空 間 特 征 (如 實(shí) 體 的 突 出 部 分 )， 也 可 以 是 負(fù) 空 間 特 征 (如 實(shí) 體 上 的 孔 、 槽 等 )。 在 Pro/E 中 ， 根 據(jù) 建 模 方 式 和 原 理 的 差 異 ， 把 實(shí) 體 特 征 進(jìn) 一 步 分 為 基 礎(chǔ) 特 征 和 工 程 特 征 。 基 礎(chǔ) 特 征 是 三 維 模 型 設(shè) 計(jì) 的 起 點(diǎn) ， 包 括 拉 伸 特 征 、 旋 轉(zhuǎn) 特 征 、 掃 描 特 征 和 混 合 特 征 等 ； 工 程 特 征 是 在 基 礎(chǔ) 特 征 上 的 附 加 特 征 , 它 的 創(chuàng) 建 依 賴 于 已 存 在 的 基 礎(chǔ) 特 征 ， 是 有 一 定 工 程 應(yīng) 用 價(jià) 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(zhì) 量 和 體 積 的 幾 何 特 征 ， 對(duì) 曲 面 的 精 確 描 述 比 較 復(fù) 雜 ， 在 目 前 三 維 造 型 中 通 常 采 用 “B 樣 條 曲 線 ”為 基 礎(chǔ) ， 通 過 曲 率 分 布 圖 對(duì) 曲 線 進(jìn) 行 編 輯 ， 進(jìn) 而 得 到 高 質(zhì) 量 的 曲 面 造 型 。 曲 面 特 征 主 要 用 于 產(chǎn) 6 品 的 概 念 設(shè) 計(jì) 、 外 形 設(shè) 計(jì) 和 逆 向 工 程 等 設(shè) 計(jì) 領(lǐng) 域 。 (3)基 準(zhǔn) 特 征 指 參 數(shù) 化 設(shè) 計(jì) 的 基 準(zhǔn) 點(diǎn) 、 基 準(zhǔn) 軸 、 基 準(zhǔn) 曲 線 、 基 準(zhǔn) 平 面 和 坐 標(biāo) 系 等 。 一 般 來 說 ， 基 準(zhǔn) 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(gè)過程有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個(gè)整體，整個(gè)建模過程就是基于 特征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何 參數(shù)確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系，尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相 對(duì)距離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)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(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn)：如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和 基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照； (2) 建立基礎(chǔ)實(shí)體特征：拉伸、旋轉(zhuǎn)、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(guān)系和內(nèi)在 聯(lián)系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。 通過二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的 構(gòu)建。Pro/E 三維模型將線框、曲面和實(shí)體三者結(jié)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(fù)制等編輯操作； (5) 添加材質(zhì)和渲染處理。 3.2.3 利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì) 系列化設(shè)計(jì)是指對(duì)于某些基本形狀相似的零件，通過修改參數(shù)即可自動(dòng)生 成新的系列化零件的設(shè)計(jì)方法，系列化設(shè)計(jì)可大大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效 率。Pro/ E 提供的族表實(shí)質(zhì)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(chǔ)零件(父零件)，以基礎(chǔ)零件為基礎(chǔ)，通過控制參數(shù)驅(qū)動(dòng) 生成的零件為族成員(子零件)，所有基礎(chǔ)零件和族成員的集合即為族表。 3.3 Pro/E 的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì) Pro/E 獨(dú)樹一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的設(shè)計(jì)、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(diǎn)： （1） 基于特征的（Feature-Based） 7 Pro/E 是一個(gè)基于特征的（Feature-Based）實(shí)體模型建模工具，利用每次個(gè) 別建構(gòu)區(qū)塊的方式構(gòu)建模型。設(shè)計(jì)者根據(jù)每個(gè)加工過程，在模型上構(gòu)建一個(gè)單 獨(dú)特征。特征是最小的建構(gòu)區(qū)塊，若以簡(jiǎn)單的特征建構(gòu)模型，在修改模型時(shí)， 更有彈性。 （2） 關(guān)聯(lián)的（Associative） 通過創(chuàng)建零件、裝配、繪圖等方式，可利用 Pro/ENGINEER 驗(yàn)證模型。由 于各功能模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的，如果改變裝配中的某一零件，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng) 地在該裝配中的其他零件與繪圖上反映該變化。 （3） 參數(shù)化（Parametric ） Pro/ENGINEER 為一參數(shù)化系統(tǒng)，即特征之間存在相互關(guān)系，使得某一特 征的修改會(huì)同時(shí)牽動(dòng)其他特征的變更，以滿足設(shè)計(jì)者的要求。如果某一特征參 考到其他特征時(shí)，特征之間即產(chǎn)生父/子（parent/child ）關(guān)系。 （4） 構(gòu)造曲面（surface ） 復(fù)雜曲面的生成主要有三種方法：1）由外部的點(diǎn)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(shè)計(jì)） 產(chǎn)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(cè)量?jī)x產(chǎn)生的曲面。 （5） 在裝配圖中構(gòu)建實(shí)體 根據(jù)已建好的實(shí)體模型，在裝配（component）中，利用其特征（平面，曲 面或軸線）為基準(zhǔn)，直接構(gòu)建（Create）新的實(shí)體模型。這樣建立的模型便于 裝配，在系統(tǒng)默認(rèn)（default ）狀態(tài)下，完成裝配。 在產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先要搞清楚利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟或流程。使 用 PRO/E 一般要遵循一定的流程： （1）確定產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu) 分析產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，確定將產(chǎn)品分為幾部分，根據(jù)產(chǎn)品的特征，建立特 征曲線，使用 PRO/E 可接受的造型方法，構(gòu)建產(chǎn)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(shè)計(jì)時(shí)，可先將鍋蓋、 鍋體、按鍵作為一體來考慮，設(shè)計(jì)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(chǎn)品應(yīng)按照鍋蓋部分、鍋體部 分、按鍵部分的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2）建模 按照 PRO/E 建模的規(guī)則，使用各種適當(dāng)?shù)慕７椒?，建立主體模型。其設(shè) 計(jì)思路是由簡(jiǎn)到繁，由基本到復(fù)雜，復(fù)雜的幾何體都是由一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何特征 組合構(gòu)成的。 8 （3）修剪曲面 使用 SURFACE 菜單下的各種選項(xiàng)，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(duì)曲面進(jìn)行修剪、編輯，完成模型的初步設(shè)計(jì)。 （4）曲面檢測(cè) 檢查曲面光滑度、曲率變化的連續(xù)性等項(xiàng)目，來確認(rèn)曲面是否符合設(shè)計(jì)要 求。一般情況下，對(duì)曲面進(jìn)行渲染 RENDER 或 SHADING 處理，通過 VISIBILITY（可見度）、 TRANSPARENCY（透明度）、LIGHT（燈光設(shè)置） 等手段，產(chǎn)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(duì)曲面的最小曲率半徑、最大曲率半 徑、高斯曲率（GAUSS CURVATURE）等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，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(zhì)量不符合 設(shè)計(jì)要求，可以修改曲面的參數(shù)，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(shù)化，通過改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)曲面的變化是很容易的。 （6） 圓順邊角 在建立 CAD 模型時(shí)，特征與特征之間存在父/子關(guān)系，如果增加特征或修 改特征，則會(huì)引起邊、面的改變，從而導(dǎo)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(shè)計(jì)的后期進(jìn)行。Pro/E 提供強(qiáng)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(jí)圓角功能），通過指定圓角的形式、圓角相交時(shí)截面的 形狀，可達(dá)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(shí)際使用過程中，筆者發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生失敗，采用改變圓角順序、 Boundary（邊界曲面）和特征結(jié)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(guó)際上先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，如 To-down 設(shè)計(jì)、并行設(shè) 計(jì)、柔性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)技術(shù)，在進(jìn)一步推廣和使用 Pro/E 軟件的同時(shí), 這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，與其他三維造型設(shè)計(jì)軟 件相比，Pro/E 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有特殊的優(yōu)勢(shì)，將 Pro/E 運(yùn)用到產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)必將全面推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，與世界先進(jìn)計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)技術(shù)接軌。 9 4 ADAMS 功能介紹 4.1 ADAMS 概述 ADAMS， 即 機(jī) 械 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 自 動(dòng) 分 析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)， 該 軟 件 是 美 國(guó) MDI 公 司 (Mechanical Dynamics Inc.)開 發(fā) 的 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 軟 件 。 目 前 ， ADAMS 已 經(jīng) 被 全 世 界 各 行 各 業(yè) 的 數(shù) 百 家 主 要 制 造 商 采 用 。 根 據(jù) 1999 年 機(jī) 械 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 仿 真 分 析 軟 件 國(guó) 際 市 場(chǎng) 份 額 的 統(tǒng) 計(jì) 資 料 ， ADAMS 軟 件 銷 售 總 額 近 八 千 萬 美 元 、 占 據(jù) 了 51%的 份 額 ,現(xiàn) 已 經(jīng) 并 入 美 國(guó) 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(shù) 化 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) 幾 何 模 型 ， 其 求 解 器 采 用 多 剛 體 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 理 論 中 的 拉 格 郎 日 方 程 方 法 ， 建 立 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 ， 對(duì) 虛 擬 機(jī) 械 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 靜 力 學(xué) 、 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 和 動(dòng) 力 學(xué) 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(yù) 測(cè) 機(jī) 械 系 統(tǒng) 的 性 能 、 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 、 碰 撞 檢 測(cè) 、 峰 值 載 荷 以 及 計(jì) 算 有 限 元 的 輸 入 載 荷 等 。 ADAMS 一 方 面 是 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 的 應(yīng) 用 軟 件 ， 用 戶 可 以 運(yùn) 用 該 軟 件 非 常 方 便 地 對(duì) 虛 擬 機(jī) 械 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 靜 力 學(xué) 、 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 和 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 ； 另 一 方 面 ， 又 是 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 開 發(fā) 工 具 ， 其 開 放 性 的 程 序 結(jié) 構(gòu) 和 多 種 接 口 ， 可 以 成 為 特 殊 行 業(yè) 用 戶 進(jìn) 行 特 殊 類 型 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 的 二 次 開 發(fā) 工 具 平 臺(tái) 。 ADAMS 軟 件 由 基 本 模 塊 、 擴(kuò) 展 模 塊 、 接 口 模 塊 、 專 業(yè) 領(lǐng) 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(duì) 一 般 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 仿 真 ， 而 且 可 以 采 用 專 用 模 塊 針 對(duì) 特 定 工 業(yè) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 問 題 ， 進(jìn) 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(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力，靜力分析很適合求解慣性和阻尼 對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ADAMS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性 分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及 接觸分析。 (2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 10 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響，與靜力 分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 可進(jìn)行 ADAMS 的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧 波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 (3)結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)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(dòng)力學(xué)分析 ADAMS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用 時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn) 生的應(yīng)力、應(yīng)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(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類 型均可進(jìn)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(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 (6)電磁場(chǎng)分析 主要用于電磁場(chǎng)問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分 布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等，還可用于螺線管、調(diào)節(jié) 器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析 領(lǐng)域。 (7)流體動(dòng)力學(xué)分析 ADAMS 流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)， 分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率，并且可以利用后處理 功能產(chǎn)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(yīng) 單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 (8)聲場(chǎng)分析 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流 體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究 音樂大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 (9)壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化 的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)，這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥 11 克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分析：靜 態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。 4.3 ADAMS 和 Pro/E 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 要對(duì)一種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行比較精確的動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合建模， 即先用專業(yè)的 CAD 軟件精確建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)各零部件的三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu) 裝配圖，而后轉(zhuǎn)化到專業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件下添加復(fù)雜的力和約束，最終形成 系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并在樣機(jī)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。但由于當(dāng)前沒有一 款軟件同時(shí)具有專業(yè) CAD 建模和專業(yè)動(dòng)力學(xué)仿真的功能，通常選用的 CAD 軟 件和動(dòng)力學(xué)仿真軟件是兩個(gè)不同公司的產(chǎn)品，這就存在兩個(gè)軟件傳遞過程中 “有縫聯(lián)接”的處理問題。 目前國(guó)內(nèi)這方面研究的一種常見組合是美國(guó) PTC 公司的 Pro/E 和美國(guó) MDI 公司的 ADAMS，故對(duì)于從事復(fù)雜機(jī)械動(dòng)力學(xué)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì) 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(jīng)發(fā)布了 ADAMS10.0 版本，10.0 新版本是在 9.0 軟件 的基礎(chǔ)上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，它延續(xù)了 ANSYS 一貫強(qiáng)大的耦合場(chǎng) 技術(shù)，10.0 版本為復(fù)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(yīng)力分析和流體分析技術(shù)，形成了一套完整的 FSI 解決方 案，通過適合于特定場(chǎng)要求的網(wǎng)格劃分，一個(gè)單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場(chǎng)。 該版本提供了有效地解決 FSI 動(dòng)力學(xué)分析的信息交換功能，目前市場(chǎng)上沒有任 何其他的 FSI 軟件可以提供如此強(qiáng)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(gè)機(jī)群進(jìn)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(qiáng)大，只能建一些簡(jiǎn)單的模型。所以本文先 采用專業(yè)的 CAD 軟件 Pro／E 建立機(jī)械手的機(jī)構(gòu)模型， 然后通過 Mechanism／Pro 口模塊導(dǎo)入 ADAMS 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。整個(gè)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(jì)算流程 13 5.2 模型建立 5.2.1 利用 Pro/E 建立機(jī)構(gòu)模型 圖2即為在CAD軟件Pro／E中所建立的機(jī)械手機(jī)構(gòu)模型。假設(shè)各桿件質(zhì)量分 布勻，且為剛體，圖中可以清楚地看到該機(jī)械手由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、 手腕以及夾持器幾部分構(gòu)成，其中腰部與機(jī)座之間、大臂與腰部之間、小臂與 大臂之間分別通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接。此三個(gè)關(guān)節(jié)的作用是使與其連接的桿件構(gòu)成 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即機(jī)械手的三個(gè)自由度，它們決定了機(jī)械手末端在空間中的位置， 機(jī)械手的腕部有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，包含滾轉(zhuǎn)和俯仰共兩個(gè)自由度，他們決定 了機(jī)械手在空間中的姿態(tài)。機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)如表1所示。 圖 2 機(jī)械手模型 表 1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 關(guān)節(jié)數(shù) 關(guān)節(jié)類型 關(guān)節(jié)變量范圍 1 R（腰部回轉(zhuǎn)） －130°～130° 2 R（大臂俯仰） －45°～135° 3 R（小臂俯仰） －180°～0° 4 R（腕部回轉(zhuǎn)） －180°～180° 5 R（腕部俯仰） －225°～45° 該機(jī)械手可看作一個(gè)開式運(yùn)動(dòng)鏈，由連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)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(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是由分別安裝在每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的步進(jìn) 14 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)諧波減速器減速后帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，只要給定各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值， 機(jī)械手就可以以一定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)到指定位置。如果給定機(jī)械手初態(tài)和末態(tài)位置坐 標(biāo)，也可以測(cè)出機(jī)械手各關(guān)節(jié)角度值及其隨時(shí)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(yán)格按照零件材料 選用模板，可以減少輸入密度的工作。對(duì)于各種電機(jī)，傳感器等多種材料的不 見，需要計(jì)算出密度并輸入相應(yīng)的模型中。下面給出機(jī)械手的裝配圖。如圖3所 示： 圖3 機(jī)械手裝配圖 在裝配過程中，對(duì)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間，在Pro/Engineer中使用關(guān)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(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副，本文中主要是轉(zhuǎn)動(dòng)副 和旋轉(zhuǎn)副。 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉(zhuǎn)換 我們利用Pro／E 與ADAMS 軟件的接口Mechanism／Pro ，將機(jī)構(gòu)模型轉(zhuǎn) 入ADAMS中。由于Pro/E 和ADAMS 來自兩個(gè)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(zhuǎn)換時(shí)一些圖形元素可能會(huì)丟失，此時(shí)需要返回并 做相應(yīng)的修改，進(jìn)一步完善模型，確保無誤后添加約束及驅(qū)動(dòng)。對(duì)于本論文中 的機(jī)械手主要包括固定副，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副及驅(qū)動(dòng)，各部件的約束關(guān)系盡可能與 實(shí)際系統(tǒng)相一致，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。此時(shí)的樣機(jī)包含兩部分，一部分 為大地(固定件)模型，另一部分為運(yùn)動(dòng)件模，各關(guān)節(jié)的連接關(guān)系可以在 ADAMS的信息窗口中看到。接下來就可以進(jìn)行仿真分析了。 15 5.3 ADAMS 仿真 5.3.1 仿真設(shè)置 本次仿真主要觀察在給定機(jī)械手五個(gè)關(guān)節(jié)角的值后，讓機(jī)械手的末端達(dá)到一 定位姿，要求機(jī)械手的前三個(gè)關(guān)節(jié)先動(dòng)，之后腕部關(guān)節(jié)再旋轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)。首先 ADAMS定義的運(yùn)動(dòng)可以是與時(shí)間有關(guān)的位移、速度和加速度，默認(rèn)狀態(tài)下運(yùn) 動(dòng)的速度定義為常數(shù)。我們可以通過三種方法自定義運(yùn)動(dòng)值： (1)輸入移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的速度。在默認(rèn)情況下，輸入的轉(zhuǎn)速單位為度／單位時(shí) 間，輸入的移動(dòng)單位為長(zhǎng)度/單位時(shí)間。 (2)使用函數(shù)表達(dá)式。 (3)輸入自編函數(shù)子程序的傳遞參數(shù)。還可以編一個(gè)子程序定義非常復(fù)雜的 運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，在參數(shù)欄輸入的是傳遞給子程序的參數(shù)，本次仿真使用的是第二 種方法，輸入函數(shù)。ADAMS提供了很多函數(shù)，這里使用五個(gè)STEP函數(shù)來定義五個(gè) 旋轉(zhuǎn)副的運(yùn)動(dòng)。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(shè)定仿真時(shí)間為3 S ，仿真步數(shù)為 200。 5.3.2 仿真結(jié)果 在仿真結(jié)束后，進(jìn)行測(cè)量輸出。ADAMS提供了兩種類型的測(cè)量，一種是預(yù)先 定義好的自動(dòng)輸出結(jié)果的測(cè)量，如：構(gòu)件、點(diǎn)、柔性件、力、運(yùn)動(dòng)副等對(duì)象的 位移、速度和加速度、動(dòng)能和勢(shì)能、力等有關(guān)信息；另一種是用戶自定義的測(cè) 量。ADAMS的測(cè)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(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變 量的變化線。在這里我們測(cè)量手部末端WAN3隨時(shí)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(jī)械手臂全部位移大部分集中在第一秒內(nèi)，也就是說， 要腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置，而腕部的滾轉(zhuǎn)、俯 仰兩關(guān)節(jié)的作用是對(duì)手部姿態(tài)做調(diào)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(jī)械手末端速度變化曲線圖，可以看到與實(shí)際情況是非常吻合的。 圖5 機(jī)械手末端速度變化曲線圖 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真后，還可測(cè)出各個(gè)關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)力，這里只給出腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力曲 線圖，如圖6。 圖6 腕部驅(qū)動(dòng)力曲線圖 17 6 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 6.1 建立坐標(biāo)系 如圖 7 所示，建立坐標(biāo)系： 圖 7 三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移機(jī)械構(gòu)型圖 6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 建立的坐標(biāo)系，O點(diǎn)為機(jī)座定位點(diǎn)，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系XOYOZO ，此坐 標(biāo)系即為世界坐標(biāo)系OXOYOZO；在A點(diǎn)建立機(jī)械手坐標(biāo)系A(chǔ)XAYAZA，XA指向AB桿， Z軸方向與ZO一致，按右手笛卡爾坐標(biāo)系確定Y軸方向；在B點(diǎn)建立坐標(biāo)系 BXBYBZB ;在C點(diǎn)建立坐標(biāo)系CXCYCZC，其中XC指向DP方向；在D點(diǎn)建立坐標(biāo)系 DXDYDZD，其中XD指向DP方向，P點(diǎn)工作點(diǎn)在 DXDYDZD中的坐標(biāo)為（l3， 0， 0） 。 從工件坐標(biāo)系向世界坐標(biāo)系的變換如下式（1）： 18 （1） 其中l(wèi)1為AB長(zhǎng)度，l2為BC段長(zhǎng)度，l3為DP長(zhǎng)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(dá)式 （1）： Ｘ=f(θ) (2) 由此可以解出末端坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位姿運(yùn)動(dòng)，反解主要是求解位姿 運(yùn)動(dòng)方程（1）的反問題，是由機(jī)械手的笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間的逆變換，即求 解θ 1，θ 2，θ3，l的過程。 此時(shí)，由于只有三個(gè)方程，但卻有4個(gè)變量，即由于三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移，共四個(gè) 自由度導(dǎo)致可以出現(xiàn)無窮解 因此一般機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)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(jī)械手在工作位置DP臂相對(duì)世界坐標(biāo)系成一固 定夾角等，有時(shí)候數(shù)種限定條件一起添加，以獲得最優(yōu)解。假設(shè)此處使用DP臂 與世界坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)方程的反解： θ=?ˉ(X) (4) 對(duì)式（2）求一階、二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到在已知 θ1，θ 2，θ3，1的情況下的P 點(diǎn)的各個(gè)坐標(biāo)位置，各坐標(biāo)方向的速度，各坐標(biāo)方向的加速度。 同理，對(duì)式(4)求一階，二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到在已知P點(diǎn)位置的情況下， 綜合限定條件就得到機(jī)械手各轉(zhuǎn)動(dòng)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(yán) 格按照零件材料選用模板，可以減少輸入密度的工作，對(duì)于各種電機(jī)，傳感器 等多種材料的部件，需要計(jì)算出密度并輸入相應(yīng)的模型中。在裝配過程中，對(duì) 有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間，在 Pro/Engineer 中使用關(guān)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(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副，本文 中主要是旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。 19 7 結(jié)束語 本文介紹的方法，通過對(duì)四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，使機(jī)械手的 整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程直觀明了，同時(shí)測(cè)量了手部末端的位移、速度隨時(shí)間的變化曲線， 及腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃及其控制奠定了基礎(chǔ)，此技術(shù)可以進(jìn) 一步指導(dǎo)機(jī)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(bǔ)償控制 等各個(gè)方面，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，提高了產(chǎn)品 的品質(zhì)。 研制工業(yè)機(jī)械手越來越受到人們的關(guān)注，對(duì)機(jī)械手的研究也是日新月異。 可以想象，未來的工業(yè)機(jī)械手勢(shì)必會(huì)有下面幾種發(fā)展趨勢(shì)： 1．工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速 機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)， 國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 3．工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn) 化、網(wǎng)絡(luò)化，器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)大大提高 了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機(jī)械手應(yīng)用普及，機(jī)器人化機(jī)械開始興起。 20 參考文獻(xiàn) [1] 林清安.Pro/ENGINEER 野火 3.0 中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)出版社. 2006 [3] 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高 [M].北京機(jī)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(xué)出版社. 2001 [5] 李軍,邢俊文等.ADAMS 實(shí)例教程[M].北京理工大學(xué)出版社.2002 [6] 柳洪義,宋偉剛.器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].冶金工業(yè)出版社.2002 [7] 王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機(jī)器人控制自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用[J].1986,5(3):1-8 [8] 王剛,孫學(xué)儉.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真問題[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào).1994,02(2):1-5 [9] 鄒培海.基于 ADAMS 的水下機(jī)械手研究[J].機(jī)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(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].計(jì)算機(jī) 應(yīng)用研究.2006,(6):205-207 [11]鄭湘軍,唐焱.基于 ADAMS 和 PRO/E 的懸架與轉(zhuǎn)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J]. 機(jī)械工程師. 2007,(4):129-130 [13]梁正文,張?jiān)凭?ADAMS 和 PRO/E 的結(jié)合在汽車四輪轉(zhuǎn)向模式仿真中的應(yīng)用 [J].汽車與船舶 .2007,(1):160-162 [14]魏躍遠(yuǎn),王文瑞.Pro/Engineer Wildfire20 實(shí)體建模范例全程表現(xiàn)[M].科學(xué)出版 社.2005 [15]楊晉生.鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京;機(jī)械工業(yè)出版社.1981 [16]邱銘軍,趙航,姚培.AMEsim 軟件及其應(yīng)用[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化 . 2005,22(8):60-61 21 致謝