ADAMS运动学分析

2024-05-22

ADAMS运动学分析（精选10篇）

ADAMS运动学分析第1篇

弧面分度凸轮机构因具有结构简单, 高精度, 分度性能良好等优势, 被广泛地应用于间歇分度机械中, 所以其运动学性能自然的成为了研究的重点。为了得到精确的弧面分度凸轮机构运动仿真结果, 必须考虑构件的柔性条件这一因素, 仿真结果大部分是以输出分度盘输出响应即加速度响应, 或分度盘与凸轮之间的接触力响应为主。因此如何建立合适的分析模型一直是实现该机构刚柔耦合运动仿真的核心问题和难点。本文基于虚拟样机技术, 利用ADAMS建立其刚柔耦合运动模型, 并改变其凸轮转速、分度盘轴向载荷等运动参数来进一步分析其运动性能。刚柔耦合运动模型的建立, 及改变不同参数对接触力的运动学分析, 对该机构后续的动力学建模、模态分析, 还有数控加工等研究都提供了一定的参考。

1 弧面凸轮机构刚柔耦合模型的建立

本文利用CREO2.0 建立的弧面分度凸轮机构的三维模型, 采用虚拟样机技术, 联合ADAMS软件对该机构建立刚柔耦合的运动学模型。

1.1 模型的导入

Creo2.0 软件和ADAMS软件能够通过MECHANISM/PRO接口完成无损连接, 非常便捷。将Creo2.0 软件建立的模型导入到ADAMS中的方法是:在Creo2.0 中, 选取“文件”下“保存副本”, 并保存为“.X_T”格式, 然后就可以导入到ADAMS软件中[1]。

1.2 刚柔耦合模型的建立

将模型进过MECHANISM/PRO导入ADAMS后, 此时的模型只是具有每个零件之间的相对位置、几何特征等。因此需要在Adams/View环境中对模型进行参数设定[2]。弧面分度凸轮模型的设定包含:环境设定、质量属性设定、约束设定、接触力设定、驱动设定等。

(1) 环境设定:对模型所处的环境进行设定。对于该机构, 在ADAMS/View中只有重力场, 无需设定磁场。对于重力场的设定, 选取系统默认的重力方向, 即大地坐标系Y轴的负方向, 大小为-9806.65; (2) 质量属性设定:弧面分度凸轮机构可以分为两个部分, 主动件凸轮以及从动件转盘和载荷盘。凸轮选用20Cr Mn Ti钢, 转盘和载荷盘的材料选为45 钢, 由于材料的差距较大, 因此需要分别对两个部分进行质量属性设定; (3) 约束设定:机构模型在导入后, 不是一个完整的机构, 需要添加约束将所有零件组成为一个机构。根据三维模型进行约束设定, 凸轮凸脊与基本体之间应该添加固定约束;分度盘和大地、基本体与大地之间分别添加旋转约束; (4) 接触力的设定:在弧面分度凸轮机构运动时, 凸轮凸脊与转盘滚子之间存在接触力, 这样才能完成分度盘的旋转, 因此在刚柔耦合模型中理应设定接触力来反应真实情况; (5) 驱动设定:为使机构在仿真时可以运动, 需要在凸轮和大地之间添加旋转驱动。在之前创建的旋转副上, 设定凸轮为顺时针旋转, 转速为, 这样就完成了凸轮与大地之间的驱动设定。

通过以上的设定后, 就完成了弧面分度凸轮机构在ADAMS中的虚拟样机模型的建立, 该模型代表了该机构的刚柔耦合运动学模型, 结果如图1 所示。

1.3 刚柔耦合模型的验证

在运动仿真之前, 需要对系统的构成、自由度、未定义质量的构件和过约束情况进行查询, 即便是在建立模型的过程中, 也进行查询, 以保证模型的准确性。左键依次单击Tools → Model Verify, 系统弹出系统信息窗口, 如图2 所示, 从中看到有关模型的详细信息。

2 刚柔耦合模型动态仿真

仅仅通过模型内的验证还不足以说明模型的正确性, 为了进一步验证该虚拟样机模型的正确性, 本文对修正正弦加速度的运动规律的弧面度凸轮机构进行正运动学分析, 对仿真结果与理论曲线进行比验证得出结论[3]。

2.1 模型求解器的设置

单击菜单栏中Settings, 依次选择Solver、Display, 在弹出的对话框的Show Messages栏中选取NO, 在Update Graphics下拉菜单中选择Never。再次单击菜单栏中的Settings, 依次单击Solver、Contacts, 系统弹出定义接触按钮, 在Geometry Library下拉列表中选择Parasolids, 单击Close按钮完成设置。第三次单击菜单栏中的Settings, 选择Solver, 再选择Display, 系统弹出定义动力学选项, 。由于弧面分度凸轮机构动态仿真的研究对象是其加速度以及凸轮与滚子间的接触力, 因此选择计算精度高和稳定性好的求解器, 在Integrator下拉列表中选择WSTIFF, 在Formulation下拉列表中选择SI2。

2.2 模型的正运动学分析

根据上述设定, 在ADAMS/View模块中进行正运动学分析, 其中End time为0.2, Steps为1000。仿真设定完成后, 进入ADAMS软件的post processor后处理模块查看仿真结果, 结果如图3 所示。

本文以载荷盘为研究对象, 仿真计算得到其位移、速度、加速度曲线。由于建立的弧面分度凸轮机构模型所选用的运动规律为修正正弦加速度, 其与ADAMS软件模拟仿真得到的曲线一致, 所以本文中建立的凸轮模型是正确的, 模型的准确性得到了保证, 模型的正运动学分析完成。

3 刚柔耦合模型不同参数下的动态仿真

本文以凸轮与滚子之间的接触力为分析目标, 研究各参数对机构运动学性能的影响。影响弧面分度凸轮机构的运动性能的因素有很多, 比如:间隙, 输入转速, 轴向载荷, 径向载荷, 阻尼系数, 凸轮轴直径, 负载盘宽度等[4]。由于篇幅所限本文只研究输入转速和轴向载荷。

3.1 输入转速对机构动态性能的影响

弧面分度凸轮机构可以在多种转速下运行, 因此研究不同转速对机构的运动性能影响具有重要意义。本文对修正正弦运动规律, 中心距, 负载盘厚度20, 不考虑负载工况下, 转速分别300、600、800、1000 的弧面分度凸轮机构的运动性能进行研究, 结果如图4 所示。

输入转速对弧面分度凸轮机构的运动性能有明显的影响。在停歇期的各项指标变化不太明显, 但是分度期的影响十分明显。通过不同转速下接触力的最大值可知, 随着转速的增加, 接触力呈逐渐增大的趋势。

3.2 轴向载荷对机构动态性能的影响

为了实现各种生产要求, 弧面分度凸轮机构的输出端会附加各种载荷, 其中轴向负载是常见形式。本文为了简化仿真过程, 假设机构受到单一轴向负载作用, 研究轴向负载对弧面分度凸轮运动性能的影响。本文对修正正弦运动规律, 负载盘厚度20mm, 转速为300r/min工况下, 轴向载荷分别为500N、1000N、5000N、8000N弧面分度凸轮机构的运动性能进行研究, 结果如图5 所示。

不同轴向载荷对接触力影响不大, 因此轴向载荷对弧面分度凸轮机构的运动性能影响不明显, 说明该机构轴向承载能力较强, 能在不同轴向载荷下保持高精度平稳运行, 这一特性使弧面分度凸轮机构有持久的工作寿命。

4 结束语

本文以弧面分度凸轮机构为研究对象, 运用虚拟样机技术并联合ADAMS软件, 建立了弧面分度凸轮机构的刚柔耦合运动学模型并对其运动情况进行了仿真分析。通过模型建立的系统信息和正运动学分析曲线与理论曲线一致这两点说明刚柔耦合运动学模型建立的正确性。最后还研究了不同运动参数对机构运动性能的影响, 为后续的研究奠定了基础。

参考文献

[1]马志平.弧面分度凸轮机构刚柔耦合动力学研究[D].西安:陕西科技大学, 2014.

[2]徐锋, 徐年富, 贺炜.弧面分度凸轮机构的仿真研究[J].轻工机械, 2010, 28 (04) :54-56.

[3]王莉, 周林航, 刘红.基于虚拟技术的弧面分度凸轮机构研究[J].中国制造业信息化, 2007, 36 (13) :24-27.

ADAMS运动学分析第2篇

0 引言

农业部近日表示，我国将启动马铃薯主粮化战略，推进把马铃薯加工成馒头、面条、米粉等主食。未来马铃薯将成为稻米、小麦、玉米之外的第四大主粮作物，种植面积将逐步扩大到0. 1 亿hm2 ，预计50%以上的马铃薯将作为主粮消费。然而，在我国南方，马铃薯的收获机械化水平严重落后。首先，南方地理条件特殊，山地丘陵地带众多，田地分散且成阶梯状，从而限制了大型机器的行走和运作。其次，南方气候条件温暖多雨，土地湿软且黏重，适用于北方土地条件的马铃薯收获机械在南方收获效果并不理想。经过调研与收集资料，笔者结合南方的地形与土地环境情况，设计了适用于南方的振动式马铃薯挖掘机，其体积小巧，配套动力小于18. 4kW，在山地行走灵活，消耗油量小;运用振动原理，在土壤湿度大的垄作中分离效果更为明显。

为探讨各工作部件的运动规律，本文采用虚拟样机技术分别对振动架、挖掘铲及分离筛进行了运动学仿真分析，确定其运动轨迹的合理性，以便达到直观、形象的效果，为后续更为理想的设计和动力学特性仿真分析提供理论参考。

1 马铃薯挖掘机的结构及原理

4U1Z 型振动式马铃薯挖掘机主要由机架、偏心轮、连接衬套、铰接臂、振动架、连接板、挖掘铲、振动筛及后挂架等构成。

马铃薯挖掘机通过拖拉机的三点悬挂方式进行拖动，挖掘铲的振动动力由拖拉机动力输出轴通过万向传动轴经偏心轴输入，偏心轴另一端与连接衬套相连，通过铰接臂的球铰链结合将相应动力传递给振动架。此动力输入部分为空间五杆机构。空间机构的结构紧凑、运动多样、工作可靠，避免了运动不灵活和卡住现象。振动架的前后摆动通过连接板等带动挖掘铲和分离栅产生相对振动，实现对垄作的收获。此工作部分为双四杆平面机构。平面机构在工程机械应用较广泛，能实现多种运动规律和轨迹，有利于挖掘铲和振动筛相互振动工作的稳定，其机构简单可靠，满足本课题设计要求。

2 运动仿真与结果分析

ADAMS 软件是由美国MSC 公司开发研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，主要针对机械系统进行仿真分析。通过ADAMS /View( 用户界面模块)和ADAMS / Solver(求解器)，可对大部分的机械系统进行仿真。通过建模或导入模型，然后施加相应的运动约束副与驱动，最后执行一组与实际运动状况相近的运动仿真测试，得到仿真结果就是实际运动情况。运用ADAMS 软件进行仿真，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品的开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。

根据马铃薯挖掘机各部分具体结构设计，在ADAMS/VIEW 中建立空间五杆传动机构和双四杆平面机构虚拟样机模型，其尺寸均按设计要求选择，并进行仿真分析，形象直观地展示该机构的工作过程，分析各关键部件运动特性。

2. 1 几何建模

用各构件连接点的坐标创建设计点。机架用长方体建模工具相应设计点生成，偏心轮采用圆柱建模工具相应设计点生成，其余各构件均用连杆建模工具相应设计点生成。

2. 2 施加约束和运动

将相应的约束施加在各构件上，以限制构件之间的某些相对运动，并以此将不同构件连接起来组成一个机械系统。按照各构件之间的相对运动关系情况来添加约束、偏心轮的几何中心点O、各铰接点A ～ J处(除C)等均采用销钉连接;对上述铰接点施加旋转副将构件连接，铰接点C 处施加球面幅将构件连接，机架与大地的之间的运动副为固定副。偏心轮是整个工作过程的动力驱动装置，因此在其中心点O 处的旋转副建立旋转驱动。考虑到马铃薯挖掘机实际作业时偏心轮转速，设置偏心轮中心点O 处参数为540r /min(3 240° / s)。对ADAMS 中建立的运动系统仿真模型进行约束与驱动加载完成。

2. 3 仿真结果

在开始仿真分析之前，利用模型自检工具对样机模型进行最后的检验，排除建模过程中隐含的错误，以保证仿真分析顺利进行。

为获得振动架、挖掘铲、分离筛相对于机架的各运动参数曲线，令各关键构件的`角位移为从机架前进方向(即水平向左方向) 逆时针旋转至运动构件之间的夹角。为方便测量各运动构件的角位移，在机架上创建点U 和点V。为保证U 点与G 点、V 点与D 分别保持水平，使U 点与G 点、V 点与D 点的Y 向坐标分别相等。在分离筛上创建一点W，为保证W 点与H 点保持水平，使其Y 向坐标相等。为了研究的需要，设置仿真时间为0. 5s，设定仿真步数为450;然后，观察模型仿真运动情况;仿真结束后进入后处理界面。

偏心轮旋转1周时，振动架的角位移在37° ～ 47°范围内往复移动，角速度在- 336° / s ～ 315° / s 范围内往复移动，角加速度在- 17151° / s2 ～ 19 465° / s2范围内往复移动。

偏心轮旋转1周时，挖掘铲的角位移在62° ～ 67°范围内往复移动，角速度在- 120° / s ～ 128° / s 范围内往复移动，角加速度在- 7 206° / s2 ～ 6 905° / s2范围内往复移动。

偏心轮旋转1周时，分离筛的角位移在177° ～ 182° 范围内往复移动，角速度在- 39° / s ～ 42° / s 范围内往复移动，角加速度在- 2 942° / s2 ～ 1 743° / s2范围内往复移动。

从仿真分析的结果和仿真动画来看:机构DEFG与DHIJ 均为摇杆机构，其振动架每转10° 的过程中，挖掘铲和分离筛转动分别转动10°和5°。可以得到:①当t = 0. 03s 时，偏心轮转动到最高点，振动架与挖掘铲、分离筛的角位移均达到最大值，挖掘铲到达最右边临界位置，分离筛到达最左边极限位置，与实际情况相符。各构件的角速度此刻为0，振动架的角加速度处于最大值，而挖掘铲和分离筛的角加速度均处于最小值。②当t = 0. 095s 时，偏心轮转动到最低点，振动架与挖掘铲、分离筛的角位移均达到最小值，挖掘铲到达最左边临界位置，分离筛到达最右边极限位置，与实际情况相符。各构件的角速度此刻为0，振动架的角加速度处于最小值，而挖掘铲和分离筛的角加速度均处于最大值。③当t = 0. 14s 时，振动架与挖掘铲、分离筛的运动特性与t = 0. 03s 时一致。各构件均完成一个周期的运动，历时0. 11s。

从以上分析得到:当偏心轮每旋转1 周时，工作部件挖掘铲和分离筛均达到左右极限位置1 次，且方向相反步调一致，达到双四杆机构的同步异向的振动效果，满足设计要求。振动架、挖掘铲和分离筛的各运动参数变化过程基本一致，并且运动都是呈周期性规律变化。各角位移、角速度和角加速度变化平缓，无剧烈振动现象，无较大冲击，可以保证马铃薯挖掘机的质量，性能良好。根据曲线分析得到的规律和参数完全可以作为设计人员设计或检验机构的依据。

3 结论

针对南方的马铃薯挖掘作业机械化水平低的现状，提出了一种适用于南方地理条件和气候的振动式马铃薯挖掘机设计方案。该挖掘机既满足当地的种植模式，又提高了马铃薯挖掘作业的工作效率。采用空间五杆机构的动力输入和双四杆平面机构工作输出，从马铃薯挖掘机的整体结构设计出发，完成了马铃薯挖掘机整个工作系统的机构设计，为提高南方两作区马铃薯挖掘作业的机械化水平提供了一种解决方案。

ADAMS运动学分析第3篇

【关键词】ADANS；机械机构；自动化设计

机械结构自动化设计是近年来工业机械发展的重要方向，已经取得了较好的研究成果。在传统机械化设计中，往往需要根据设计需要，将机械结构完整设计后，采用制作样机的方式对机械设计的功能和运动特性进行分析，在此基础上加以改进。这种方式既浪费了大量的设计、改进时间，也浪费了大量的机械材料，给机械制造业带来不可估量的损失。

一、基于ADAMS机械机构自动化设计概述

ASAMS是一种基于虚拟样机技术的自动化机械系统动力学分析软件，该软件集合建立模型、仿真模拟、分析求解、可视化处理等众多处理技术于一体，在机械制造设计中具有重要的作用。通过该软件能够根据设计需求，建立机械机构的虚拟化样机模型，并通过样机模拟，将机构的运动过程模拟出来，通过仿真模拟来分析样机的运动特性。在样机模拟中，以ASAMS分析样机模拟运行中存在的差错与不足，通过可视化处理，将机构缺陷逐渐完善、改进，从而得到一个完整的、可直接制造的成品机械化设计产品。这种机械机构的自动化设计，较传统的软件机械结构设计、建立样机、实验验证并逐渐改进，具有节省样机制造成本、方便快捷、节约设计改进时间的效果。

下文以曲柄摇杆机构的自动化设计为例，对建模过程加以分析，再结合建模实例分析机械机构的运动特性，为验证机械机构是否满足机械运动特性提供数据支持。

二、曲柄摇杆机构自动化建模与运动特性分析

1.建模分析。曲柄摇杆机构是机械设计中的重点，在机械自动化产品中，曲柄摇杆机构

数据必不可少的核心构件。研究曲柄摇杆结构的建模设计，通过部分机械结构的建模分析与改进，映射完整机械自动化设计的全过程，给分析机械设计与改进的相关研究提供参考。

通过ADAMS/Vie？建立曲柄摇杆的可视化模型，以相关设计需求的参数完成虚拟模型的建立。这一过程中需要优先确定曲柄摇杆的铰接点位置，因此，需要构建曲柄摇杆的数学模型，获取机构位置方程，从而去顶铰接点的具体坐标值。曲柄摇杆数学模型见图1。

建立直角坐标系，以曲柄部分和机架部分的铰接点A作为坐标系的原点，直角坐标系沿着水平向右方向建立。构件的位置角度均以逆时针计算，各个构件通过矢量表示。

对于机械设计产品的用户化设计来讲，模型参数化能够直接根据用户设计需求在ADAMS软件中调整样机参数，实现对样机虚拟模型的功能改进与完善。与其他设计软件一样，ADAMS软件的参数化方法是将模型中不同元素的参数通过设计变量关联设置，从而以改变设计变量方式来实现对模型参数具体值的变更。然后在变更参数数值后，改变虚拟样机模型的结构与功能。本次研究中的曲柄摇杆机构设计中，通过利用设计点参数化实现对曲柄摇杆机构的参数化设计，并按照变量初始值生成样机模型结构圖，如图2所示。

2.运动特性分析。分析机械结构的运动特性在机械制造过程中十分重要，特别是虚拟样机技术下的机械结构设计，运动特性直接决定产品制造后是否满足用户设计需求。

急回运动是曲柄摇杆机构的重要运动性能之一，在虚拟样机模拟中对这一运动特性的分析同样十分重要。通过分析机架与从动摇杆之间的极限角度与夹角变化，确定极限位置的角度差值，当摇杆处于两个极限位置时，可根据运动时间同步原则，曲柄与摇杆同步转动部分角度数据可分析获得。

总结

基于ADAMS的机械自动化设计，给我国机械加工行业带来了巨大的改变，促进我国机械化建设的可持续发展。本文通过以曲柄摇杆机构的ADAMS机械建模分析为例，分析机械设计中ADAMS模拟自动化设计优越性，并对构件的运动特性分析讨论，从而给机械设计中设计结构符合运动学特性的研究提供参考。

【参考文献】

[1]贾枫美，李秀红.基于ADAMS的曲柄摇杆机构运动和动力特性研究[J].机械工程与自动化，2011（6）：21-22

ADAMS运动学分析第4篇

柴油机中的曲柄连杆机构工作在高温高压环境中, 各零件承受很大的交变载荷与振动冲击。曲轴作为发动机的主要承载零件, 其力学性能直接影响着柴油机的可靠性和寿命。目前国内外开展的关于曲轴受力的研究大部分采用了较多的简化, 不能全面准确地反映曲轴在实际工作过程中的受力状态, 采用的分析方法大都是静力边界, 没能突出运动下的具体情况。本文在克服这些缺点的基础上, 建立了曲柄连杆机构虚拟样机模型, 进行了运动学和动力学分析, 更加精确完整地分析了曲柄连杆机构各零件的动态反应, 为进一步的优化奠定了基础[1]。

1 曲轴系统结构的三维Pro/E建模

首先, 根据结构图纸在Pro/E中将各零件的三维模型设计出来, 假设各部件均是质量均匀的刚体, 不考虑弹性变形对整个系统的影响, 设置各零件的材料和密度, 就可以计算出相应零件的质量、转动惯量和质心;按照实际情况将各零件组装起来, 就得到如图1所示的曲柄连杆机构组合体[2]。

2 ADAMS中多刚体动力学模型的建立

2.1 多刚体动力学数学模型建立

ADAMS采用广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日法建立系统的动力学方程[3]。动力学方程的求解速度在很大程度上取决于广义坐标的选择。ADAMS用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标, 即:

其中:x, y, z为刚体i质心的笛卡尔坐标;Ψ, θ, φ为反映刚体方位的欧拉角;qi为第i个刚体坐标;q为系统矩阵。

每个刚体用6个广义坐标描述。由于采用了非独立的广义坐标, 系统动力学方程是最大数量但却是高度稀疏耦合的微分代数方程, 适用于稀疏矩阵的方法进行高效求解。对于其运动学变量可由以下带乘子的拉格朗日方程得到:

其中:λ为约束反力及作用力列阵;T为系统动能;q·为广义速度列阵;Φ为描述完整约束的代数方程列阵;Q为广义力列阵。

集成约束方程ADAMS可自动建立系统的动力学微分—代数方程:

其中:φ (q, t) =0为完整约束方程;为非完整约束方程;ρ为对应于完整约束的拉氏乘子列阵;μ为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。

2.2 多刚体动力学虚拟样机模型的建立

在ADAMS/View中建立虚拟样机模型, 首先把曲柄系统的组装模型保存为parasolid格式, 通过AD-AMS中的导入功能将其导入, 进行简单的位置移动, 使其中心位于坐标原点。进行必要的检查后, 开始建立部件之间的运动副。在此假定发动机机体不动, 即与地面采用固定副, 而气缸垫、气缸盖和主轴承盖与机体固定。活塞在缸体中做往复运动, 采用圆柱副;而连杆小头与活塞销、活塞销与活塞均采用浮动结构, 施加圆柱副;连杆大头与曲柄销相对转动, 采用铰链副;曲轴在机体箱里, 与各主轴承采用铰链副来连接;其他部分诸如飞轮、平衡重采用与曲轴固结的模式。最后得到V型柴油机在ADAMS中的虚拟样机模型如图2所示[4]。

3 曲柄连杆机构多体动力学仿真分析

3.1 力与运动边界的施加

在柴油机额定转速n=2 500r/min时, 对柴油机曲柄连杆机构多刚体系统模型施以旋转运动激励。柴油机发火顺序为L1—R1—L2—R2—L3—R3, 因此按此顺序相间90°相位角分别沿气缸轴向对活塞顶部施加气体压力边界条件。根据实验所测得的示功图施加缸内气体爆发压力[5], 见图3。

3.2 仿真结果

图4、图5、图6为左缸1 (L1) 的运动学曲线, 可以看出活塞中心的具体运动轨迹。由图4~图6可以看出:位移曲线是正弦曲线, 下止点位于595 mm处, 上止点位于677mm处, 平均位置位于634mm处;最小速度趋于0m/s, 位于顶点处, 最大速度为19.069m/s, 均值为12.108m/s;最小加速度为129.35m/s2, 最大加速度为5 375.1m/s2, 平均加速度为2 778.6m/s2。

4 结论

本文利用ADAMS平台对某V6发动机搭建了一个发动机曲柄连杆机构的多刚体动力学模型。并对该曲柄连杆机构进行了运动学分析, 其结果与传统计算得到的结果吻合, 为进一步进行发动机曲柄连杆机构的动力学分析或强度分析奠定了基础[6]。

参考文献

[1]胡爱闽.基于ADAMS的柴油机曲轴系统多体动力学仿真[J].煤矿机械, 2010, 31 (2) :62-65.

[2]李丽婷, 李威, 刘子强, 等.基于ADAMS的柴油机曲轴多体动力学仿真[J].柴油机, 2007, 29 (3) :5-8.

[3]石博强, 申焱华, 宁晓斌, 等.ADAMS基础与工程范例教程[M].北京:中国铁道出版社, 2007.

[4]孙颖宏, 张晓钟.基于虚拟样机的发动机曲轴系动力学仿真分析[J].计算机应用技术, 2007, 34 (8) :32-35.

[5]李军, 邢俊文, 覃文洁, 等.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

ADAMS运动学分析第5篇

路面铣刨机是一种高效的沥青混凝土路面维修养护机械,其原理是利用滚动铣削的`方法把路面局部或全部破碎.为了减轻劳动强度,机器设计有回收装置,使铣削下来的铣削物直接输送到运载卡车上.本文运用Pro-E和ADAMS软件对其集料输送机构二级皮带支撑机构进行三维建模和仿真分析.

作者：赵月罗刘宏哲 ZHAO Yue-luo LIU Hong-zhe 作者单位：赵月罗,ZHAO Yue-luo(河北工程大学,河北,邯郸,057000)

刘宏哲,LIU Hong-zhe(陕西建设机械股份公司,陕西,西安,710000)

刊名：廊坊师范学院学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF LANGFANG TEACHERS COLLEGE 年，卷(期)：2009 9(3) 分类号：U415.52 关键词：路面铣刨机集料输送机构三维建模仿真分析

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ADAMS运动学分析第6篇

关键词：码垛装备,框架,ADAMS,ANSYS Workbench

0 引言

随着科技的进步及企业生产自动化水平的提高,码垛机器人的应用越来越广泛,在大型食品饮料、化工和煤矿等企业中,现代码垛技术已经得到广泛应用,大幅度提高了企业的生产效率并降低了劳动成本[1]。而在一些特殊的企业仓库或厂房中,由于空间结构的特殊性,一般的码垛装备很难满足作业要求,其中像翅片机生产线上仍然采用人工搬运翅片的方式,不仅费时费力,且极易造成工人受伤。因此需要设计一种全新的自动码垛装备来满足翅片机生产线的特殊作业需求。根据翅片机生产线的具体码垛要求,设计了新型的4自由度的直角坐标型码垛装备。

1 自动喷涂装备的结构分析

图1给出了码垛装备的总体设计方案。码垛装备主要由导轨框架、电机驱动系统和电磁吸附模块组装而成。机器人的驱动系统为4个伺服电机,伺服电机的控制精度较高,能够实现对机器人的精确控制。码垛装备作业时,首先需要根据码垛作业的区域通过安装的导轨上的定位孔实现装备的初次定位,并完成电磁吸附模块在通电状态下对目标物体的定位及抓取任务,然后码垛装备会根据用户后期的特定指令完成码垛作业。在码垛装备沿x轴导轨移动时,装备会根据导轨上的定位孔实现实时定位,以确保装备能精确躲避固定障碍物(如悬梁、机械悬臂等)。当将目标物送到指定位置时,电磁吸附装置自动断电,在磁性消失的情况下,物体自动脱落,完成对目标的码垛作业。在装备作业过程中,框架的变形程度对满足作业精度要求方面有着重要影响,需要对其进行分析优化以满足作业需求,且本文选取z2框架作为研究对象。

2 码垛装备三维模型的建立与仿真分析

2.1 Pro/E、ADAMS与ANSYS Workbench的联合仿真

对于Pro/E、ADAMS与ANSYS Workbench这三款软件都有各自的优势,如果能通过相互之间的通信接口进行文件信息传输,充分发挥各自优势特点,必定会提高计算的准确性和精确度。因此,采用三个软件联合仿真的方法对码垛装备进行分析。

刚柔混合动力学分析流程如图2所示。

2.2 码垛装备有限元模型建立

2.2.1 模型的建立与导入

在Pro/E中完成码垛装备部分结构的三维实体建模,为方便在ADAMS中进行动力学仿真,在不影响分析结果的基础上,通过将装配体转化成单个零件的方法,把将要分析的部分装置简化为三部分:框架、导轨和滑块(包括携带的电磁吸附装置和翅片等),然后在通过Pro/E将其装配起来,并将文件存为Parasolid格式,拓展名为*.X_T类型的文件,便于后期导入到ADAMS中做准备。还有值得注意的是单位的设置,要使Pro/E、ADAMS与ANSYS Workbench中被分析的模型单位同一,本次仿真分析中的单位同一设置成mm Ks单位制。

2.2.2 利用ANSYS Workbench创建柔性体文件

ANSYS Workbench是ANSYS公司开发的一个协同仿真环境的软件平台,相比于经典版的ANSYS操作界面,Workbench界面形式更加明显,操作更加简单。针对于输出模态中性文件(*.MNF),使用Workbench操作更加方便、快捷且容易理解其操作意义。

1)导入模型。为保证MNF文件的正常导出,建议在导入Workbench模型之前,先通过Pro/E将需要柔性化处理的零件转化为*.sat格式,如果已经建立了Pro/E与ANSYS Workbench的连接,则可以在完成Pro/E中的操作后直接通过其菜单栏里的ANSYS选项将零件导入。另外要尽量保持零件的简洁性,不要带有太多缝隙或多余棱角等影响网格划分的因素。图3为待分析处理的z2框架,最好此时在后期可能需要建立刚性连接的地方建立印记面。

2 )设置材料属性。通过E n g i n e e r i n g D a t a选项来设置零件的各种材料属性。由于零件采用的是Q235号钢制造,在选定好钢类型后,定义其密度,ρ=7.85×103k g / m3泊松比μ=0.3,弹性模量E=2×1011Pa。

3)Model模块的处理。重点是网格的划分和APDL程序的导入与编辑。Workbench中的网格划分相比较于ANSYS经典更加方便、快捷。如图4所示,可以看出对于需要建立刚性联接的区域可以方便的设置其网格的疏密,且不需要通过手动对接触面上的节点进行刚性联接。只需在加载求解模块嵌入APDL程序,然后将需建立刚性区域的面的质心坐标编辑到程序里,在ADAMS中所需要的刚性区域连接mark点就会随着MNF文件的导入而自动产生。

4)生成MNF文件。在完成APDL程序的导入、编辑后,先将完成的ANSYS Workbench工作保存一下,然后点一下工具栏里的Solve选项,计算完成之后,在之前保存的文件夹里就会有生成的MNF文件。

2.2.3 有限元模型的仿真分析及优化

将上一步生成的*.x_t文件导入到启动后的ADAMS中,重力大小设置为9806.6,方向为Y负向。利用Build/Flexible Bodies/Rigid to Flex导入之前产生的MNF模态中性文件,通过选取三点便可准确替换。刚柔替换后添加约束关系、驱动等,图5为建立的各构件与柔性体之间的约束关系。

按要求末端电磁吸附装置的速度不能低于750mm/s,故将速度设置为800mm/s进行刚-柔体动力学仿真,得到如图6所示码垛装备中电磁吸附装置末端mark点Z向的位移。图中显示的Z向最大位移为4.16mm,而规定的定位精度不能大于1mm,故该框架零件是不合适的。通过对仿真过程中z2框架变形的观察,需对z2框架内部的两个肋板进行加厚,故将肋板厚度从7mm变成了10mm。将优化好的结构重新柔性化处理进行动力学仿真后,重新得出了电磁吸附装置末端Z向mark2点的位移,如图7所示。从图中可以看出Z向最大位移为0.43mm<1mm,符合喷涂要求。

选取柔性体上形变量最大的一个顶点作为mark点来测量其mag向位移,如图8所示,其最大位移量为0.3mm。最后选择File/Export/FEALoads,导出柔性体边界载荷信息,即*.lod载荷文件。在输出载荷文件时要选取合适的时间点,尽量是柔性体受到最大载荷是的时间点。

2.3 ANSYS Workbench有限元分析

启动ANSYS Workbench,打开之前保存的文件。进入model模块,对已经划分好网格的z2框架添加一定的约束,然后将*.lod载荷文件导入到之前编辑APDL程序的界面,最后点击求解即可。

查看有限元分析结果。

图9可以得出z2框架在ANSYS Workbench中变形为0.0577mm~0.5190mm与ADAMS中所测量的mark点的位移0.30mm结果几乎一样,因此可以认为ADAMS与ANSYS Workbench联合分析的结果是可靠的。

由图1 0 可以看出z 2 框架所受最大应力为59.996MPa,且钢的厚度≤10mm,远小于Q235号钢的屈服极限235MPa,符合应力要求,由此可以综合断定该框架是合适的。

3 结论

ADAMS运动学分析第7篇

果蔬采摘收获机器人是一种针对水果和蔬菜果实,具有感知能力的,能够综合运用机械、电子、控制、计算机技术的,可以按照人们的意愿和采摘的工序,模仿人类采摘动作来完成精准采摘的一类农业机器人[1]。在果蔬生产过程中,收获、采摘等工序约占整个果蔬生产作业量的40%;而收获、采摘作业质量的优劣好坏直接关系到果蔬生产后期的储存、加工和销售环节,最终影响其市场价格[2]。因此,深入研究自动化收获采摘技术,加快研发果蔬采摘机器人的步伐,对我国农业综合水平的提高具有重要的意义。

中国农业机械化科学研究院研制的GY-1型果树采摘机器人由两部分构成,分别为移动载体部分和机械手臂部分。移动载体为履带式底盘,加装了工控机、电源箱、采摘辅助装置和多种传感器;机械手臂为自行设计,由液压驱动装置进行驱动。本文主要针对机械臂的基本尺寸设计、零件建模以及软件导入和基于ADAMS软件的仿真过程进行了研究。

1 机械臂的基本尺寸

根据对苹果果园的实地考察测量,综合得到苹果树冠的大体三维尺寸,如图1所示;再经过机构选型,确定机械臂的结构型式,如图2所示。机械臂的各个杆件尺寸分别与果树空间范围做比较进行优化,确定了升降台与机械臂的各个关键结构尺寸:升降台200~600mm、大臂1 000mm、伸缩臂600~1 000mm。

2 机械臂建模和软件导入

Inventor是Autodesk公司发行的一款很成熟的设计软件,主要是针对三维设计,应用广泛,已成为众多设计工作者的首选。本文采用Inventor软件进行机械臂三维建模。

按部件间存在相对运动与否,将机械臂的工作部件划分为:升降台、升降台液压缸、大臂、大臂油缸、伸缩臂定杆、伸缩臂动杆、伸缩臂定杆油缸、伸缩臂动杆油缸等共8个大运动部件。在Inventor中分别为每一个零件建立模型,再装配起来,得到机械臂的整体装配模型。

通过Pro/E软件实现Inventor到ADAMS的模型导入。在Inventor中创建的三维实体模型无法直接导入到ADAMS环境中,需要在Inventor中另存为模型时,将模型保存为.IGS格式;在Pro/E中打开.IGS格式模型,再另存成.X-T格式,这种格式就可以准确地在ADAMS 2005中打开了,并且没有模型元素丢失。

将Inventor模型导人ADAMS/view后,为保证虚拟样机能快速、清晰地仿真出运动结构,需要略去一些不需要分析且不影响整体仿真效果的零部件。这些零部件的功能可以通过添加约束、摩擦等形式来替代,这样不但缩短了仿真时间,还提高了仿真的成功率[3];同时需要手动添加每个零件的材质、质量属性等,根据需要改变构件的颜色,如图2所示。

1.机械臂动杆2.机械臂定杆3.大臂4.升降台5.定杆液压缸6.动杆液压缸7.大臂液压缸8.关节13 9.关节9 10.关节611.关节8 12.关节4 13.关节13 14.节3

3 基于ADAMS软件的仿真过程

3.1 建立虚拟样机模型

本文采用了李红勋在挖掘机主要部件的虚拟样机仿真分析一文中的“已知系统的运动轨迹、加速度、位移等运动学参量,求系统的受力、载荷等动力学参量的变化情况[3]”的仿真分析方式,即大臂油缸、伸缩臂定杆油缸、伸缩臂动杆油缸相互配合运动得到机械臂采摘轨迹中的一部分,仿真中计算这几个液压缸的运动驱动函数,可求得各运动构件的运动学和动力学特性曲线。

3.1.1 模型约束的添加

在不影响机械臂模型按正常情况运动的前提下,各部件之间约束的添加如表1所示。

3.1.2 添加驱动

实现果实采摘的过程中,机械臂所要完成的动作是在实际采摘过程中的基本动作,即末端执行器在完成上一个苹果的采摘后,通过3个液压缸的驱动完成机械臂各构件的位姿调整,最终使末端执行器准确的到达并采摘到下一个目标。本文中机械臂在伸缩臂动杆液压缸完全收缩的后,伸缩臂定杆液压缸也相应收缩,然后大臂液压缸、伸缩臂定杆液压缸和伸缩臂动杆液压缸依次伸出。若要实现以上工作运动过程,需要分别对大臂液压缸、伸缩臂定杆液压缸和伸缩臂动杆液压缸的滑移副添加和设定运动驱动函数,运动方式为:translational。

伸缩臂动杆液压缸的运动驱动函数:

伸缩臂定杆液压缸的运动驱动函数:

大臂液压缸的运动驱动函数:

各缸驱动函数曲线如图3所示。0~5s,伸缩臂动杆(motion1)收缩400mm;6~7.2s,伸缩臂定杆(motion3)收缩95mm;9.2~10.45s,大臂(motion2)伸出100mm;11.45~12.45s,伸缩臂定杆(motion3)伸出75mm;13.45~15.95s,伸缩臂动杆(motion1)伸出200mm。

3.1.3 校验模型

在建好样机模型后,为保证模型的准确性和下一步对样机的仿真做好准备,需要对所建模型进行模型校验,如图4显示出了正确校验信息。

3.2 虚拟样机的仿真测试、计算和结果处理

3.2.1 定义标记点位置测试

通过菜单栏中建立—测量—选择对象—新建等操作步骤,即可对模型中任意元素数据进行测试。在伸缩臂动杆的末端创建标记点(Marker),设置为Marker_114,同时建立两个测量对象,其测量方式为Translational displacement(如图5所示),沿y和z方向的位移分量(dy和dz)来测量标记点的空间位置。如图5可得到伸缩臂动杆末端标记点Marker_114在任意时刻的Y和Z方向上的空间坐标数值。图5中实线代表标记点Marker_114在Y方向上的时间—位移曲线,虚线代表记点Marker_114在Z方向上的时间—位移曲线。按此方法,可以获得机械臂上任意一点在任意时刻的空间坐标位置。

3.2.2 虚拟样机仿真计算过程

虚拟样机仿真计算是在模型建立完毕,各运动部件的约束关系和运动关系添加完毕,并通过了模型验证后进行的。仿真计算的有以下几种方式:基本式控制仿真、交互式控制仿真和脚本式控制仿真。本文因为机械臂模型运动比较简单,所以选择基本式控制仿真进行计算。需要设定仿真的类型、仿真结束时间或持续时间和仿真计算的步长或步数,本文仿真类型选择default,仿真持续时间17s,仿真步数设定为700步;然后点击start键,便可开始仿真。此时ADAMS/Solver的计算求解程序被调用来完成仿真计算,主界面同时也能够看到模型的实时仿真运动。待仿真运动完毕后,仿真计算也同时完毕,程序则重新返回ADAMS/View界面。

3.2.3 仿真结果的后处理操作

在完成仿真计算后,按F8键将仿真结果在AD-AMS/Postprocessor模块中导入,进入结果后处理界面。在后处理界面中,可根据仿真需要输出某个运动部件参数的特性曲线(例如伸缩臂动杆、伸缩臂定杆、大臂的质心角速度、质心角加速度;大臂与伸缩臂定杆间铰点的位置坐标变化、作用力;大臂与升降台间铰点的作用力等)和建立的测试(Measure)物理量的特性曲线。

本文针对机械臂虚拟样机中的几个关键的关节(JOINT_13,JOINT_8,JOINT_9,JOINT_6,JOINT_4,JOINT_2,JOINT_3)的受力进行了分析并绘制了机械臂末端标记点的运动轨迹图。

几个关键关节的受力图如图6所示。图6可以看出,JOINT_13为机械臂末端关节,受力较小且变化平缓,所受最大力为96.552N;JOINT_8,JOINT_9,JOINT_6的受力趋势相似,所受最大力为796.190 4N;JOINT_4,JOINT_2,JOINT_3的受力趋势相似,所受最大的力为2 318.249N。当大臂开始运动的瞬间即在9.2s时,JOINT_3受力最大,为2 318.249N;当大臂停止运动的瞬间即在12.45s时,JOINT_2受力最小,为924.139 7N,JOINT_3受力为1 011.447N,JOINT_3所受的最大载荷变化为1 306.842N。

图7所示为机械臂末端标记点在本组仿真采摘过程中的运动轨迹。机械臂末端执行器由A苹果处经过一系列运动到达B苹果处。

4 结论

1)应用Inventor软件建立并装配了GY-1型果树采摘机器人机械臂的三维机械模型,比在ADAMS中直接建模更迅速、精准。

2)实现了由Inventor向ADAMS/view的接口导入,并且没有产生某些由导入所引起的形位错误等,这是仿真成功的保证。通过添加约束、驱动、模型验证、仿真计算和仿真后处理一系列过程,获得了机械臂关键部件元素的运动参数的数据信息。

3)本文只针对机械臂模型的一组基本采摘动作进行了仿真,得到的数据有限,今后还将对其他典型的采摘极限位置进行仿真分析,有利于更准确地验证设计的合理性。

摘要：根据对苹果园区的实地考察,利用Inventor软件建立了GY-1型果树采摘机器人机械臂的实体模型,完成装配。利用Inventor、Pro/E、ADAMS 2005这3种软件之间的接口技术,把机械臂模型导入ADAMS/View模块中。经过有效简化结构,对各个关节和液压缸分别添加约束和驱动,最终生成机械臂的虚拟样机。在ADAMS仿真中,通过计算各个液压缸的运动驱动函数,模拟了机械臂的一组采摘动作,得出机械臂上几个关键关节的受力变化曲线。通过对曲线结果的分析可以获得机械臂采摘时各关节的实时运动信息,为后续工作研究奠定了理论基础。

关键词：果树,采摘机械臂,运动仿真

参考文献

[1]Edan Y,Gaines E.Systems engineering of agricultural robotdesign[J].IEEE Transactions on Systems,Man and Cyber-netics,1994,24(8):1259-1265.

[2]宋健,张铁中,徐丽明,等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报,2006,37(5):158-162.

ADAMS运动学分析第8篇

近20年来,机器人技术发展非常迅速,机器人赖以完成各项作业的机械实体(简称为机械手),不仅成为制造工业中必不可少的核心装备,而且正以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透[1]。因此,对于机械手的分析研究具有很大的现实意义。这里对五自由度机械手进行了运动学分析,创建了VB界面进行正逆解求解,并将模型导入到ADAMS中进行运动学仿真。

1 模型建立

本研究的机械手由5个旋转关节(腰部旋转关节,大臂旋转关节,小臂旋转关节,腕部的滚转关节和俯仰关节)和5个连杆组成,为五自由度机械手。该机械手可看成一个开式运动链,一端固定在地面基座上,另一端是自由的,通过安装末端执行期来完成各项工作。运动学研究方法采用最常见的D-H参数的齐次变换法,D-H法则是为每个关节处的连杆坐标建立齐次变换矩阵来表示它与前一个杆件坐标系的关系,并通过逐次变换,将末端执行器用“基础坐标表示”[2,5]。按照D-H法,在每个连杆上建立附体坐标系(图1),根据所建立的连杆坐标系,可以确定连杆坐标系参数如表1所示。这里还利用了Pro/E强大的建模功能,建立了如图2所示的机械手模型。在图2中可以看到,步进电机和谐波传动减速器,整个机械手的运动就是通过安装在每个关节处的步进电机驱动,经谐波减速器减速后带动连杆转动来实现的。

2 运动学分析

2.1 正解计算

根据表1给出的五自由度机械手D-H参数,可写出各连杆齐次变换矩阵如式(1)。将矩阵 $_{1}^{0}$ T, $_{2}^{1}$ T, $_{3}^{2}$ T, $_{4}^{3}$ T, $_{5}^{4}$ T, $_{6}^{5}$ T相乘,即可求出机械手末端执行器的位姿。注意矩阵相乘不具有交换律。其中, $_{6}^{5}$ T是末端抓手的位姿坐标系。

$\begin{array}{l} _{1}^{0} Τ = [\begin{matrix} \cos θ_{1} & - \sin θ_{1} & 0 & α_{0} \\ 0 & 0 & 1 & d_{1} \\ - \sin θ_{1} & - \cos θ_{1} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{2}^{1} Τ = [\begin{matrix} \cos θ_{2} & - \sin θ_{2} & 0 & α_{1} \\ 0 & 0 & 1 & d_{2} \\ - \sin θ_{2} & - \cos θ_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{3}^{2} Τ = [\begin{matrix} \cos θ_{3} & - \sin θ_{3} & 0 & α_{2} \\ \sin θ_{3} & \cos θ_{3} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{4}^{3} Τ = [\begin{matrix} \cos θ_{4} & - \sin θ_{4} & 0 & α_{3} \\ 0 & 0 & 1 & d_{4} \\ - \sin θ_{4} & \cos θ_{4} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{5}^{4} Τ = [\begin{matrix} \cos θ_{5} & - \sin θ_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ \sin θ_{5} & \cos θ_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{6}^{5} Τ = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & d_{6} \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{6}^{0} Τ =_{1}^{0} Τ_{2}^{1} Τ_{3}^{2} Τ_{4}^{3} Τ_{5}^{4} Τ_{6}^{5} Τ = [\begin{matrix} ^{1} n_{x} & ^{1} o_{x} & ^{1} a_{x} & ^{1} p_{x} \\ ^{1} n_{y} & ^{1} o_{y} & ^{1} a_{y} & ^{1} p_{y} \\ ^{1} n_{z} & ^{1} o_{z} & ^{1} a_{z} & ^{1} p_{z} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] (1) \end{array}$

上式即为机械手手爪的位姿方程。

为了验算正解的正确性,令θ1=90°,θ2=0°,θ3=-90°,θ4=0°,θ5=0°,手抓末端矩阵为:

$_{6}^{0} Τ = [\begin{matrix} 0 & 0 & - 1 & - d_{2} \\ 1 & 0 & 0 & a_{3} + d_{1} \\ 0 & - 1 & 0 & - d_{6} - d_{4} - a_{2} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] (2)$

2.2 逆解计算

机器人运动学逆分析的方法总体可以分为两类:封闭解和数值解。在求逆解的过程中,要力求封闭解,它具有计算速度快,效率高,便于控制等优点。这里采用反变换法求解五自由度机械手的逆解。

要解出各关节变量,首先将已知量和未知量分离,分别置于等式左右两端,然后用未知矩阵的逆变换逐次左乘上述矩阵方程,以便把某个关节变量分离出来,并解出这个关节变量。

第一步,分离已知量和未知量,用逆变换 $_{6}^{5}$ T-1右乘矩阵方程,得:

$_{6}^{0}$ T $_{6}^{5}$ T-1= $_{1}^{0}$ T(θ1) $_{2}^{1}$ T(θ2) $_{3}^{2}$ T(θ3) $_{4}^{3}$ T(θ4) $_{5}^{4}$ T(θ5)

第二步,求解角度θ1,用逆变换 $_{1}^{0}$ T-1(θ1)左乘矩阵方程:

$_{1}^{0}$ T-1(θ1) $_{5}^{0}$ T= $_{2}^{1}$ T(θ2) $_{3}^{2}$ T(θ3) $_{4}^{3}$ T(θ4) $_{5}^{4}$ T(θ5)

令两式两边(2,4)元素相等,并利用三角变换得出:

$θ_{1} = A \tan 2 (- d_{2}, \pm \sqrt{p_{x}^{2} + p_{z}^{2} - d_{2}^{2}}) + A \tan 2 (p_{z}, p_{x}) (3)$

同理,利用逐次左乘矩阵和对应元素相等的条件,通过三角变换即可获得逆解,分别为:

$θ_{3} = A \tan 2 (a_{3}, d_{4}) - A \tan 2 (k, \pm \sqrt{a_{3}^{2} + d_{4}^{2} - k^{2}}) (4)$

其中: $k = \frac{p_{x}^{2} + p_{z}^{2} + (d_{1} - p_{y})^{2} - a_{2}^{2} - a_{3}^{2} - d_{2}^{2} - d_{4}^{2}}{2 a_{2}}$ 。

θ23=θ2+θ3=Atan2[(a3+a2c3)(d1-py)-

(d4-a2s3)(c1px-s1pz),(d4-a2s3)(d1-py)+

(a3+a2c3)(c1px-s1pz)]

θ2=θ23-θ3 (5)

θ4=arcsin2(1ay,-s23) (6)

(s23≠0)

θ5=Atan2(-c1s23nx-c23ny+s1s23nz,-

c1s23ox-c23oy+s1s23oz) (7)

至此找到了5个方程,它们合在一起给出了该机械手置于任何期望位姿的所需关节值,可能存在4个解。但是由于结构的限制,可能存在的4个解并不一定能全部实现,如果存在多个解,一般是选取最近的一组解,或是按其他要求选择。这里是选择角度绝对值和最小的那一组。

2.3 正逆解界面

Visual Basic采用了面向对象、事件驱动的编程机制,提供了一种可视化的界面设计方法。成为许多程序员首选的编程工具。图3为五自由度机械手的正解界面。可以通过输入5个角度值并点击“开始计算”来计算正解。在这里,输入的角度为特殊值,目的是不仅可以看到正解求解界面,而且验证了式(2)的正确性,电脑采用了科学计数法,计算结果验证了程序分析的正确性。当完成正解的计算后,点击“退出”按钮即可退出操作界面。

若进行运动学逆解计算,机械手末端位姿矩阵里的12个元素的值可以输入,点击“开始计算”就会显示角度值。三角函数变换会产生4组解,但受条件限制这4组解不一定都能满足条件。单击“最优解选取”时,程序进行检测,首先确保组内每个解均在规定范围内,然后按照角度绝对值和最小的原则输出最优解。若没有最优解,输出为空白。点击“退出”按钮,退出运动学逆解界面。如图4所示,为运动学逆解求解界面。

3 运动学仿真

ADAMS是机械系统运动学和动力学进行仿真计算的应用软件,由美国MDI开发,是一种多体系统仿真分析软件。首先利用Pro/E 和ADAMS接口软件mech/pro将Pro/E中建立的机械手模型导入ADAMS/View中,然后进行运动学仿真。二者采用无缝连接的方式,不需退出Pro/

ENGINEER的应用环境,就可以将装配好的机械装配图根据运动关系定义为机械系统模型,依次完成定义刚体,创建约束副,添加驱动后便可进行系统的运动学仿真,在这里,仿真造型采用连杆结构,根据各关节的运动形式添加相应的运动副,因为该机械手的5个关节均为旋转关节,

所以要在关节处添加旋转副,并在旋转副上添加驱动。图5即为完成驱动后的机械手模型。

3.1 验证模型

完成样机建模后,应先对样机模型进行检验,排除建模中的错误,验证前期工作的正确性,这对保证仿真分析的顺利进行奠定了基础。ADAMS/View提供模型检验工具,在ADAMS完成自后,程序就会显示自检结果,图7是模型分析得到的数据结果。

此结果表明,该模型部件17个(不包括地面),旋转副7个,固定副10个,驱动7个,系统自由度为0,没有多余的约束,建模成功,故可进行运动学仿真。

3.2 仿真设置

本次仿真主要观察给定机械手5个关节和手指开合角度值后,机械手的末端到达一定的位姿。设定仿真时间为6s,仿真步数为200,根据这个思想,建立速度函数。为了方便修改各关节的旋转角度值,建立对话框,把对话框中的field与各关节的变量结合起来,利用Variable set variable=.MPRO_model.DV_i real=$field_i (i=1,2,3,4,5,6) [4] 语句即可完成相结合的任务。ADAMS提供了很多运动函数,这里采用step函数来定义旋转副的驱动例:STEP(time,0,0d,1,DV_1)。

3.3 仿真分析

在对话框中输入数值,关节1为90°,关节2 为-90°,关节3为-90°,关节4为-180°,关节5为90°,手指张开1°,开始仿真,图7即为仿真后的状态。按照设定机械手在第一秒完成腰关节旋转,然后依次每秒完成肩关节,肘关节的旋转,腕关节的滚转,腕关节俯仰以及手指闭合,仿真结束后,进行测量输出,利用ADAMS/Postprocessor就可以得到机械手任意点的位移、速度、加速度等曲线图。设手指中心点为测量点,在图7中可以看到仿真结束后测量点幅值及x,y,z三方向的速度变化曲线,还可以看出三方向的速度均集中在前3s内,也就是说腰关节、肩关节、肘关节的旋转已经基本到达所需位置,而腕关节的滚转、俯仰、手指闭合的作用是对手部位姿的调整,速度变化不大,通过对照曲线图可以看到与实际情况非常吻合。

4 结论

a) 通过D-H法建立模型,并计算出正、逆解,对机械手运动学分析有着重要的意义;

b) 值得注意的是,只有机械手最后两个关节交于一个公共点才使得这个方法有可能求解,求解方法简便,便于控制;

c) 通过对五自由度机械手运动学分析,测量了手指中心点幅值变化曲线及x,y,z三方向的速度变化曲线,对机械手轨迹规划和控制奠定了基础。

参考文献

[1]熊有伦,等.机器人学[M].北京:机械工业出版社,1993.

[2]柳洪义,宋伟刚.机器人技术基础[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[3]龚沛曾,陆慰民,杨志强.Visual Basic程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4]刁彦飞,等.SWR-II星水下机械手误差分析与综合[J].哈尔滨:哈尔滨工程大学学报,2003.

[5]理查德-莫尔,等,机器人操作的数学导论[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6]Thomas R Kurfess.Robotics and Automation Handbook[Z].2005.

ADAMS运动学分析第9篇

引言

为提升自主研发能力, 丰富设计经验, 对悬架相关设计理论进行验证, 本文基于Adams/Car, 对两种多连杆后悬架 (后文以A型和B型将两种悬架结构进行区分) 进行建模, 并将二者的运动特性进行对比分析。

1、连杆后悬架结构分析

悬架控制臂是决定悬架运动特性的主要部件, 从控制臂的数量、结构和空间分布, 基本上就能从宏观上判断出悬架性能的优劣。

悬架在运动过程中, 必然会受到纵向力、侧向力和垂向力。其中垂向力主要由弹簧承受, 纵向力和横向力由控制臂承受。这样, 悬架的控制臂在空间上必有横向布置和纵向布置的控制臂。对于A型悬架, 上控制臂为横向布置主要承担横向力, 下控制臂为斜向布置, 可同时承担横向力和纵向力, 悬架结构简单。但由于A型悬架的下控制臂受到两个方向的耦合力, 很容易产生自激振动, 影响整车平顺性和舒适性。B型悬架可以看成是A型悬架的变形。它保留了A型悬架的上控制臂结构, 将A型悬架的下梯形臂, 分解成三个控制臂, 其中下前控制臂和下后控制臂横向布置, 纵臂纵向布置, 这样可以保证悬架控制臂只承担横向力或是纵向力, 使悬架控制臂受力解耦, 提升了整车的平顺性和舒适性。综上, 从结构上来说, B型悬架在性能上要优于A型悬架。

2、动特性分析

为获得详细的悬架运动特性, 基于Adams/Car软件对两种悬架的运动特性进行了仿真分析, 轮跳采用±50mm常用工况。以下各图中, 实线代表A型悬架的性能曲线, 虚线代表B型悬架的性能曲线。仿真结果如下:

车轮上跳时, 外倾角均为负方向变化。由于外倾推力的作用, 整车在转弯时, 可以提供更多的侧向力, 对车辆侧滑具有抑制作用。但外倾角变化过大, 会导致轮胎接地性变差, 容易导致轮胎偏磨;同时增加轮胎运动对路面变化的敏感性, 对整车操稳不利。综合考虑, B型悬架的外倾角性能变化曲线较优。

车轮上跳时, 前束为弱正方向变化。这样有利于整车的不足转向, 提升转弯安全性能。从图中可以看出二者的性能变化曲线几乎相同, 在前束角性能变化曲线上, A型悬架和B型悬架性能相同。

从二者的悬架抗抬尾变化曲线可以看出, B型悬架相对于A型悬架具有较大优势。这是因为, 对于B型悬架来说, 纵臂与车身的连接点可以看成悬架的抗俯仰中心。通过恰当的调节纵臂连接点高度, 可以较容易的提升抗俯仰性能, 并且由于控制臂的解耦作用, 可以减少对悬架其他性能的影响。

A型悬架和B型悬架的侧倾中心高度在设计位置基本一致。但是随车轮上跳变化, B型悬架侧倾中心降低幅值较大, 这样会增大转弯侧倾角, 影响整车操稳;同时侧倾中心的变化, 会导致车轮跳动时较大的轮距变化, 如图7所示。基于此, B型悬架经常会将悬架限位块与弹簧同轴装配, 这样既保证了在常用工况下, 悬架刚度不影响乘适性;又能使车辆在恶劣路况中, 悬架限位块和弹簧同时起作用, 垂直刚度增加, 抑制轮跳变化并增加侧倾刚度, 提升整车操稳性能, 从而达到弥补B型悬架自身性能缺陷的目的。

3、结论

通过以上仿真分析可以看出B型悬架的运动特性要优于A型悬架;同时可以总结出悬架运动特性优化原则:在悬架优化时, 优先保证悬架的外倾、前束变化和抗俯仰性能;可适当牺牲转弯侧倾性能, 并通过弹簧和限位块同轴装配的方案进行弥补。

参考文献

[1]Thomas D.Gillespie.车辆动力学基础[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[2] (德) 耶尔森·赖姆帕尔.汽车悬架[M].北京:机械工业出版社, 2014.

[3]王宵锋.汽车底盘设计[M].北京:清华大学出版社, 2010.

[4]陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.

ADAMS运动学分析第10篇

随着社会经济的迅速发展,大气中的污染物种类越来越复杂,污染程度也越来越高,污秽的产生对电力系统的安全运行造成了极大的威胁[1]。绝缘子带电干冰清洗作业是保证电力系统能安全、可靠运行的重要环节, 其清洗效果直接影响到设备的维修和运行型。因此,本文从绝缘子清洗效果和环保的方向出发,以带电干冰清洗机器人为研究对象,采用Pro/E技术对该机器人进行三维模型样机的建立,结合仿真软件ADAMS综合对其进行运动学仿真分析。

1绝缘子带电干冰清洗机器人运动学分析

应用机器人运动学求解常用方法D-H法[2],此方法计算起来比较复杂,为了增强机器人整体刚性,提高控制精度及其稳定性,该机器人采用平行四边形连杆结构,为了便于对并联部分的运动进行分析求解,设置一个固定坐标系XOY,随平行四边形部分绕腰部一起转动[3,4],如图1所示,为绝缘子带电干冰清洗机器人运动机构简图。

图1 绝缘子带电干冰清洗机器人运动机构简图

1)正求解计算

机械臂部分由开始位置运动图示位置时,大臂l1与X轴的夹角为α ,连杆l 2与X轴的夹角为β,O点坐标为 (0, 0),C点坐标为(X1, Y1),D点坐标(X2 Y2),E点坐标为(X,Y)。

如以上机构简图,RtΔOCG中则C点坐标为:

在RtΔCFD中则D点坐标为:

由式(1)、式(2)可得工具末端E点的坐标为:

把l1=1285mm,l2=230mm,l3=1310mm,l4=375mm带入式(3)可得:

2)逆求解计算

逆求解计算是已知工具末端E点的坐标,然后来得到大臂与X轴的夹角α,连杆与X轴的夹角β,已知E点坐标可得到D点的坐标,即:

如图1所示,在Δ OCD中,

同理可得:

综上式(5)、式(6)和式(7)可得:

把l1=1285mm,l2=230mm,l3=1310mm,l4=375mm带入式(8)可得:

2基于Pro/E绝缘子带电干冰清洗机器人的三维模型的建立

利用ADAMS进行三维实体建模比较困难,这里借助Pro/E 5.0软件对绝缘子带电干冰清洗机器人各个零件进行三维实体建模,然后再导入到ADAMS中进行仿真分析[5]。

首先借助Pro/E 5.0软件,利用其实体建模模块提供的功能,如拉伸、旋转、阵列、扫描、混合、倒角、螺纹孔等,建立各个零件三维实体模型;并将建立好的各个零件的三维实体模型保存在工作目录[6]。

然后进入装配模式后按设计要求正确装配零部件, 并根据连接方式对每个零件进行约束。这里要注意的是基件的装配位置,第一个零件的放置会影响到导入ADAMS后的显示位置。图2所示为绝缘子带电干冰清洗机器人三维模型的截图。

3运动学仿真

3.1模型的导入

由于Pro/E中的三维样机模型直接输出的格式并不能在ADAMS中进行直接调用,所以采取在Pro/E中导出x_t格式,再将该模型导入到ADAMS中。打开ADAMS View界面,然后单击主菜单中的File→Import,单击Import会出现文件导入对话框如图3,并按照图3进行设置,然后单击OK,完成了模型的导入[7]。

3.2设置仿真环境的参数

1)设置工作栅格和单位。

2)按仿真环境中的模型设置正确的重力方向。

3)修改样机模型的每一个零部件的材料属性(整个机器人零部件中,除了底座和部分连杆为硬质铝合金LY12外,其余零部件材料均为MC尼龙66)。

3.3模型的简化

由于导入的模型比较复杂,会影响仿真结果,因此要对虚拟样机模型进行简化处理,首先删除相对于样机模型没有运动关系,且质量很小的零件,如螺栓、螺母或者垫片等,然后利用布尔和操作将相互之间不存在运动关系,并且材料属性有相同的部件连接在一起,图4为简化后的虚拟样机模型。

3.4运动副的建立

设置各个连杆之间的运动关系,完成各运动部件之间的运动副的建立。具体连接关系如表5所示,最终虚拟样机模型如图5所示。

3.5仿真分析

本文中基于机器人的工作情况,工具末端做垂直升降,给工具末端添加移动副,并添加驱动,然后对仿真对话框进行设置End Time=180,Step=400,进行仿真,得到主臂和连杆的角速度曲线如图6和图7所示,并测得工具末端的位移曲线如图8所示,然后通过ADAMS/Post processor生成主臂和连杆的速度样条曲线分别命名为ZB_2和LG_2,返回ADAMS/View界面,把样条曲线添加到主臂和连杆上,即把主臂上的驱动MOTION_ZB修改为1d *CUBSPL(time,0, robot_20141108.ZB_2,0),把连杆上的驱动MOTION_ L G修改为1 d * C U B S P L ( t i m e , 0 , . r o b o t _ 2 0 1 4 1 1 0 8 LG_2,0)并把工具末端的移动副和驱动进行抑制,再次对虚拟样机进行仿真分析[8,9]。

3.6仿真结果与分析

运动仿真结束后,利用ADAMS/Post processor模块可以得到连杆在任意时间的关节变量值以及任意点的位移、速度和加速度曲线,图9为工具末端在运动平面内X、Y两个方向上的位移、速度和加速度曲线。

4结束语

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