0024-基于ADAMS的四自由度機械手運動學(xué)仿真

0024-基于ADAMS的四自由度機械手運動學(xué)仿真,基于,adams,自由度,機械手,運動學(xué),仿真 開題報告題目名稱 基于ADAMS的四自由度機械手運動學(xué)仿真學(xué)生姓名所學(xué)專業(yè)學(xué)號指導(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械手是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)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(xué)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(lǐng)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(gòu)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。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)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(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)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(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C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，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)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(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)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誦到下一個生產(chǎn)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。三、主要研究內(nèi)容1為了適應(yīng)工業(yè)化程度的飛速發(fā)展，對機械手進行優(yōu)化機械優(yōu)化設(shè)計。2. 為了方便地表達三維設(shè)計思想，并可對設(shè)計結(jié)果進行動態(tài)干涉檢查以及提高利用律用。學(xué)習(xí)利用Pro/E進行零組件設(shè)計、仿真和工程圖生成的內(nèi)容。3. 用ADAMS進行運動仿真設(shè)計。四、畢業(yè)論文（設(shè)計）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，對課題進行研究分析，形成系統(tǒng)的外部資料，把握國內(nèi)及國外此方面的研究動向和研究理論。 2. 總結(jié)前人的經(jīng)驗技術(shù)，提出對相關(guān)課題的新意見解，兵役時間的并用實踐的方式加以證明。 3. 在指導(dǎo)老師的安排幫助下解決困難和問題。4. 認真學(xué)習(xí)掌握Pro/E以及Adams軟件，進行并完成課題設(shè)計。 5. 歸納系統(tǒng)的研究過程，撰寫論文。五、主要參考文獻與資料1林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機構(gòu)設(shè)計與仿真.電子工業(yè)出版社,20052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,2006，18-253鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高M.北京:機械工業(yè)出版社.20054 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.20015李軍,邢俊文等.ADAMS實例教程M.北京:北京理工大學(xué)出版社.20026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.20027王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機器人控制自動化技術(shù)與應(yīng)用J.1986,5(3):1-88王剛,孫學(xué)儉.機械手運動學(xué)仿真問題J.北京石油化工學(xué)院學(xué)報.1994,02(2):1-59鄒培海.基于ADAMS的水下機械手研究J.機械工程師.2007,(3):52-5310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(yīng)用研究.2006,(6):205-20711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):36-3812譚志飛,黃輝先.基于ADAMS和PRO/E的機械手運動學(xué)仿真J.機械工程師.2007,(4):129-13013梁正文,張云娟.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):160-16214魏躍遠,王文瑞.Pro/Engineer Wildfire20實體建模范例全程表現(xiàn)M.北京;科學(xué)出版社200515楊晉生.鏟土運輸機械設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社.198116邱銘軍,趙航,姚培.AMEsim軟件及其應(yīng)用J.筑路機械與施工機械化2005,22(8):60-61六、指導(dǎo)教師審批意見 簽名： 年 月 日目 錄 1 引言 1 1.1 工業(yè)機械手研究現(xiàn)狀 1 1.2 工業(yè)機械手的功能及應(yīng)用 1 1.3 本文研究內(nèi)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(nèi)容和特點 3 2.3 參數(shù)化設(shè)計概念 4 2.4 工程機械零部件參數(shù)化仿真設(shè)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(xiàn)零件系列化設(shè)計 6 3.3 PRO/E 的特點及產(chǎn)品外觀造型設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(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 運動學(xué)分析 .17 6.1 建立坐標(biāo)系 .17 6.2 運動學(xué)分析 .17 7 結(jié)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(xiàn)狀 隨著機器人研究的不斷深入和機器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，機器人仿真系統(tǒng)在 機器人設(shè)計和研究方面，發(fā)揮著重要的作用，它可應(yīng)用于機器人的許多方面， 已成為機器人學(xué)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(shù)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(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)境的機器人類型。 機械手是近年來發(fā)展起來的綜合學(xué)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(xué)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(lǐng)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(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、定位精度高、響應(yīng)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(yīng)用。水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機械手 由于精度高、運動速度快，串聯(lián)四自由度導(dǎo)致其靠后的驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)都 位于運動著的臂上，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加，系統(tǒng)動力性能惡化；又由于串聯(lián)機構(gòu) 求正解較容易，而求逆解則較困難，因此運動學(xué)與動力學(xué)計算困難，導(dǎo)致在設(shè) 計中必須放寬各種設(shè)計參數(shù)；還因為機器較重，并進一步導(dǎo)致驅(qū)動部分變大， 系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，大型驅(qū)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(yīng)用 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)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(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)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(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)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(chǎn)很大程 2 度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(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，零件真正在機床上加工的時 間僅占零件生產(chǎn)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(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用。 (1) 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)位機械手。 （2）在實現(xiàn)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(xiàn)全自動化生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前， 機械手在這方面應(yīng)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(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類產(chǎn)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(chǎn)線機械手 （生產(chǎn)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(xiàn)全自動化生產(chǎn)。目前機械 手在沖床上應(yīng)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(guān)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(shù)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(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、5t、10t 模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩 只機械手成一定角度布置在爐前，實現(xiàn)進出料自動化，上海柴油機廠、北京內(nèi) 燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。 3 1.3 本文研究內(nèi)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(xué)和動力學(xué)仿真。在機械手的設(shè)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(dǎo)3D 設(shè)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(xué)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(zhǔn)確預(yù)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(yīng)時間，而且還具有及時改進 設(shè)計參數(shù)、再次進行仿真、避免重復(fù)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(fēng) 雨歷程，為我國的現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻。工程機械行業(yè)已經(jīng)成為我國工 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)了一批在國內(nèi)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(nèi)容和特點 工程機械是否具有優(yōu)良品質(zhì)、使用性能和可靠性水平，取決于采用先進的 設(shè)計理論和方法手段產(chǎn)生的優(yōu)化的零部件及機器整體的結(jié)構(gòu)形狀。工程機械仿 真設(shè) 計的基本思想、 內(nèi)容是： 建立以機器的技術(shù)經(jīng)濟效益綜合評價指標(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)有機器產(chǎn)品系列中篩選出技術(shù) 經(jīng)濟指標(biāo)和效益指標(biāo)最優(yōu)的機器作為樣機，然后根據(jù)描述機器技術(shù)形態(tài)和工作 過程的數(shù)學(xué)方程，運用相似理論推導(dǎo)出設(shè)計機器與樣機參數(shù)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(shù)換算到要設(shè)計的機器上，并根 據(jù)所得新機器的主要參數(shù)和樣機的結(jié)構(gòu)與圖形，繪制出設(shè)計機器的圖紙。仿真 設(shè)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(shè)計質(zhì)量有良好的實用價值，而且 對引進機器設(shè)備的仿制及系列化具有重要作用。 4 2.3 參數(shù)化設(shè)計概念 參數(shù)化設(shè)計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，從而自動實現(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 個方面的優(yōu)點： ( 1 ) 設(shè)計人員的初始設(shè)計要求低。無需精通繪圖，只需勾繪草圖即可，提 高了設(shè)計的柔性。 ( 2 ) 便于系列化設(shè)計。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)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(fù)設(shè)計要求。 2.4 工程機械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計 工程機械各個機構(gòu)由很多的零部件構(gòu)成，其中存在大量的相似件，同一系 列的機型之間也有大量的相似件。在傳統(tǒng)的二維、 三維設(shè)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(shù)也比較多，花費大量的時 間和精力，對設(shè)計者來說節(jié)省設(shè)計時間、提高設(shè)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(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER（造型 設(shè)計）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計、產(chǎn)品裝配、模具 開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計、鑄造件設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、逆向工程、自動測量、 機構(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(biāo)準(zhǔn)軟件進行產(chǎn)品設(shè)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(shù) 的 發(fā) 展 ， 它 對 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 階 段 調(diào) 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(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 效 率 和 質(zhì) 量 ， 同 時 在 設(shè) 計 過 程 中 設(shè) 計 人 員 可 方 便 地 進 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 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(gòu) 建 三 維 模 型 的 基 本 單 元 和 主 要 設(shè) 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(jù) 建 模 方 式 和 原 理 的 差 異 ， 把 實 體 特 征 進 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 的 起 點 ， 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 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 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 曲 線 進 行 編 輯 ， 進 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 、 外 形 設(shè) 計 和 逆 向 工 程 等 設(shè) 計 領(lǐng) 域 。 (3)基 準(zhǔn) 特 征 指 參 數(shù) 化 設(shè) 計 的 基 準(zhǔn) 點 、 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 建模的各個過程有機地結(jié)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(shù)化設(shè)計過程。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。建立每個實體特征時,都要利用基準(zhǔn)特征作為參照； (2) 建立基礎(chǔ)實體特征：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)上進行建模、添加工程特征等設(shè)計。 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現(xiàn)三維實體模型的 構(gòu)建。Pro/E 三維模型將線框、曲面和實體三者結(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 利用族表實現(xiàn)零件系列化設(shè)計 系列化設(shè)計是指對于某些基本形狀相似的零件，通過修改參數(shù)即可自動生 成新的系列化零件的設(shè)計方法，系列化設(shè)計可大大節(jié)省設(shè)計時間，提高設(shè)計效 率。Pro/ E 提供的族表實質(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 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 的特點及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計 Pro/E 獨樹一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的設(shè)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(gòu)區(qū)塊的方式構(gòu)建模型。設(shè)計者根據(jù)每個加工過程，在模型上構(gòu)建一個單 獨特征。特征是最小的建構(gòu)區(qū)塊，若以簡單的特征建構(gòu)模型，在修改模型時， 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(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 征的修改會同時牽動其他特征的變更，以滿足設(shè)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(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） 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量儀產(chǎn)生的曲面。 （5） 在裝配圖中構(gòu)建實體 根據(jù)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(zhǔn)，直接構(gòu)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(chǎn)品進行設(shè)計之前，首先要搞清楚利用軟件進行設(shè)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(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)計時，可先將鍋蓋、 鍋體、按鍵作為一體來考慮，設(shè)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(chǎn)品應(yīng)按照鍋蓋部分、鍋體部 分、按鍵部分的順序進行設(shè)計。 （2）建模 按照 PRO/E 建模的規(guī)則，使用各種適當(dāng)?shù)慕７椒ǎ⒅黧w模型。其設(shè) 計思路是由簡到繁，由基本到復(fù)雜，復(fù)雜的幾何體都是由一個簡單的幾何特征 組合構(gòu)成的。 8 （3）修剪曲面 使用 SURFACE 菜單下的各種選項，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(shè)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(shè)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(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(zhì)量不符合 設(shè)計要求，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)實現(xiàn)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(guān)系，如果增加特征或修 改特征，則會引起邊、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(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 包含了目前國際上先進的工程設(shè)計理念和設(shè)計思想，如 To-down 設(shè)計、并行設(shè) 計、柔性設(shè)計、系統(tǒng)靈敏度設(shè)計技術(shù)，在進一步推廣和使用 Pro/E 軟件的同時, 這些先進的設(shè)計技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中，與其他三維造型設(shè)計軟 件相比，Pro/E 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有特殊的優(yōu)勢，將 Pro/E 運用到產(chǎn)品造型設(shè)計和 結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)必將全面推動產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展和進步，與世界先進計算機 輔助設(shè)計技術(shù)接軌。 9 4 ADAMS 功能介紹 4.1 ADAMS 概述 ADAMS， 即 機 械 系 統(tǒng) 動 力 學(xué) 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(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 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(jù) 了 51%的 份 額 ,現(xiàn) 已 經(jīng) 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(shù) 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(xué) 理 論 中 的 拉 格 郎 日 方 程 方 法 ， 建 立 系 統(tǒng) 動 力 學(xué) 方 程 ， 對 虛 擬 機 械 系 統(tǒng) 進 行 靜 力 學(xué) 、 運 動 學(xué) 和 動 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 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(yīng) 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(xué) 、 運 動 學(xué) 和 動 力 學(xué) 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(jié) 構(gòu) 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(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 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(yīng) 用 領(lǐng) 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(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(yīng)變及 接觸分析。 (2)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 10 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧 波響應(yīng)分析及隨機振動響應(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)動力學(xué)分析 ADAMS 程序可以分析大型三維柔體運動。當(dāng)運動的積累影響起主要作用 時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，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(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)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(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、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析 領(lǐng)域。 (7)流體動力學(xué)分析 ADAMS 流體單元能進行流體動力學(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(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流換熱效應(yīng)。 (8)聲場分析 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 音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。 (9)壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對 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(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)動態(tài)性能分析?？蛇M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 要對一種復(fù)雜的機械系統(tǒng)進行比較精確的動力學(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)的動力學(xué)仿真軟件進行聯(lián)合建模， 即先用專業(yè)的 CAD 軟件精確建立復(fù)雜機械系統(tǒng)各零部件的三維實體圖和機構(gòu) 裝配圖，而后轉(zhuǎn)化到專業(yè)的動力學(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，并在樣機上對系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真研究。但由于當(dāng)前沒有一 款軟件同時具有專業(yè) CAD 建模和專業(yè)動力學(xué)仿真的功能，通常選用的 CAD 軟 件和動力學(xué)仿真軟件是兩個不同公司的產(chǎn)品，這就存在兩個軟件傳遞過程中 “有縫聯(lián)接”的處理問題。 目前國內(nèi)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(fù)雜機械動力學(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關(guān)鍵技術(shù)。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(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 一貫強大的耦合場 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，通過適合于特定場要求的網(wǎng)格劃分，一個單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場。 該版本提供了有效地解決 FSI 動力學(xué)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 ProE 建立機械手的機構(gòu)模型， 然后通過 MechanismPro 口模塊導(dǎo)入 ADAMS 中進行運動學(xué)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(gòu)模型 圖2即為在CAD軟件ProE中所建立的機械手機構(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械手由機座、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。此三個關(guān)節(jié)的作用是使與其連接的桿件構(gòu)成 相對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，包含滾轉(zhuǎn)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(shù)參數(shù)如表1所示。 圖 2 機械手模型 表 1 機械手的技術(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)） 130130 2 R（大臂俯仰） 45135 3 R（小臂俯仰） 1800 4 R（腕部回轉(zhuǎn)） 180180 5 R（腕部俯仰） 22545 該機械手可看作一個開式運動鏈，由連桿通過轉(zhuǎn)動關(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)。整個機械手的運動是由分別安裝在每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的步進 14 電機驅(qū)動，經(jīng)諧波減速器減速后帶動連桿轉(zhuǎn)動，只要給定各個關(guān)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(biāo)，也可以測出機械手各關(guān)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(yán)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(yīng)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(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，需要詳細的定義各種運動副，本文中主要是轉(zhuǎn)動副 和旋轉(zhuǎn)副。 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉(zhuǎn)換 我們利用ProE 與ADAMS 軟件的接口MechanismPro ，將機構(gòu)模型轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)換時一些圖形元素可能會丟失，此時需要返回并 做相應(yīng)的修改，進一步完善模型，確保無誤后添加約束及驅(qū)動。對于本論文中 的機械手主要包括固定副，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副及驅(qū)動，各部件的約束關(guān)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(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械手五個關(guān)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(guān)節(jié)先動，之后腕部關(guān)節(jié)再旋轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)。首先 ADAMS定義的運動可以是與時間有關(guān)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(shù)。我們可以通過三種方法自定義運動值： (1)輸入移動或旋轉(zhuǎn)的速度。在默認情況下，輸入的轉(zhuǎn)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(shù)表達式。 (3)輸入自編函數(shù)子程序的傳遞參數(shù)。還可以編一個子程序定義非常復(fù)雜的 運動，此時，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STEP函數(shù)來定義五個 旋轉(zhuǎn)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(shè)定仿真時間為3 S ，仿真步數(shù)為 200。 5.3.2 仿真結(jié)果 在仿真結(jié)束后，進行測量輸出。ADAMS提供了兩種類型的測量，一種是預(yù)先 定義好的自動輸出結(jié)果的測量，如：構(gòu)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(guān)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(jié)束后繪制有關(guān)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(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)基本達到所需位置，而腕部的滾轉(zhuǎn)、俯 仰兩關(guān)節(jié)的作用是對手部姿態(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(xué)仿真后，還可測出各個關(guān)節(jié)上的驅(qū)動力，這里只給出腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動力曲 線圖，如圖6。 圖6 腕部驅(qū)動力曲線圖 17 6 運動學(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)動一平移機械構(gòu)型圖 6.2 運動學(xué)分析 建立的坐標(biāo)系，O點為機座定位點，以O(shè)點為原點建立坐標(biāo)系XOYOZO ，此坐 標(biāo)系即為世界坐標(biāo)系OXOYOZO；在A點建立機械手坐標(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點建立坐標(biāo)系 BXBYBZB ;在C點建立坐標(biāo)系CXCYCZC，其中XC指向DP方向；在D點建立坐標(biāo)系 DXDYDZD，其中XD指向DP方向，P點工作點在 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，以表示變量1 2 3 l ，則可以用如下式（2）表達式 （1）： =f() (2) 由此可以解出末端坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)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(guān)節(jié)空間的逆變換，即求 解 1， 2，3，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(zhuǎn)動一平移，共四個 自由度導(dǎo)致可以出現(xiàn)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(biāo)系成一固 定夾角等，有時候數(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1最小為原則，即： 1+2+3= (3) 且 1取最小值。 由式（1） （2） （3）綜合，即可以求出運動方程的反解： =(X) (4) 對式（2）求一階、二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到在已知 1， 2，3，1的情況下的P 點的各個坐標(biāo)位置，各坐標(biāo)方向的速度，各坐標(biāo)方向的加速度。 同理，對式(4)求一階，二階導(dǎo)數(shù)，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(zhuǎn)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(yán) 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(yīng)的模型中。在裝配過程中，對 有運動關(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，需要詳細的定義各種運動副，本文 中主要是旋轉(zhuǎn)副和移動副。 19 7 結(jié)束語 本文介紹的方法，通過對四自由度機械手的運動學(xué)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(guān)節(jié)的驅(qū)動力。對機械手的軌跡規(guī)劃及其控制奠定了基礎(chǔ)，此技術(shù)可以進 一步指導(dǎo)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(shè)計過程，縮短了設(shè)計周期，減少開發(fā)費用，提高了產(chǎn)品 的品質(zhì)。 研制工業(yè)機械手越來越受到人們的關(guān)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(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、減速 機、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機， 國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)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(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機械手應(yīng)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(gòu)設(shè)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(xué)出版社. 2006 3 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機技術(shù)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(xué)出版社. 2001 5 李軍,邢俊文等.ADAMS 實例教程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)機器人控制自動化技術(shù)與應(yīng)用J.1986,5(3):1-8 8 王剛,孫學(xué)儉.機械手運動學(xué)仿真問題J.北京石油化工學(xué)院學(xué)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(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 的機械手運動學(xué)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(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,王文瑞.Pro/Engineer Wildfire20 實體建模范例全程表現(xiàn)M.科學(xué)出版 社.2005 15楊晉生.鏟土運輸機械設(shè)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(yīng)用J.筑路機械與施工機械化 . 2005,22(8):60-61 21 致謝