【正文】 7 ADAMS 模型的建立與仿真　 （1） 虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本概念虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中, 將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(指在某單一系統(tǒng)中零部件的CAD 和FEA 技術(shù)) 糅合在一起, 在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建出產(chǎn)品的整體模型, 并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析, 預(yù)測產(chǎn)品的整體性能, 進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。（2） 虛擬樣機(jī)技術(shù)常用軟件虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商業(yè)化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。國外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)軟件的商業(yè)化過程已經(jīng)完成。目前有二十多家公司在這個(gè)日益增長的市場上競爭, 比較有影響的有美國機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司(M echan ical Dy2nam ics Inc1) 的ADAM S、比利時(shí)LM S 公司的DADS以及德國航天局的S IM PACK。其中美國機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司的ADAM S 占據(jù)了市場的50% 以上。其它的軟件還有Wo rk ingModel、Fo lw 3D、IDEA S、Phoen ics、A n2sys、Pam crash 等等。由于機(jī)械系統(tǒng)仿真提供的分析技術(shù)能夠滿足真實(shí)系統(tǒng)并行工程設(shè)計(jì)要求, 通過建立機(jī)械系統(tǒng)的模擬樣機(jī), 使得在物理樣機(jī)建造前便可分析出它們的工作性能, 因而其日益受到國內(nèi)外機(jī)械領(lǐng)域的重視。 ADAMS軟件該軟件己在全世界數(shù)以千計(jì)的著名大公司中得到成功的應(yīng)用。國外的一些著名大學(xué)也已開設(shè)了介紹 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國機(jī)械動(dòng)力公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動(dòng)生成包括機(jī)——電——液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能，方便、友好的用戶界面和強(qiáng)大的圖形動(dòng)畫顯示能力，所以DAMS軟件的課程，而將三維CAD軟件、有限元軟件和虛擬樣機(jī)軟件作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生必須了解的工具軟件。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件占據(jù)了銷售總額近8千萬美元的51%份額。ADAMS一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬樣機(jī)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，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析開發(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)行特殊類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，工程師通過應(yīng)用ADAMS軟件會(huì)收到明顯效果:(1)分析時(shí)間由數(shù)月減少為數(shù)日；(2)降低工程制造和測試費(fèi)用；(3)在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，完善設(shè)計(jì)方案；(4)在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機(jī)數(shù)量；(5)當(dāng)進(jìn)行物理樣機(jī)測試有危險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)和成本高時(shí)，可利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析和仿真；(6)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。 使用ADAMS建立虛擬樣機(jī)非常容易。通過交互的圖形界面和豐富的仿真單元庫，用戶快速地建立系統(tǒng)的模型。ADAMS與先進(jìn)的CAD軟件 (UG, PRO/E)以及CAE軟件(ANSYS)可以通過計(jì)算機(jī)圖形交換格式文件相互交換以保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。ADAMS軟件支持并行工程環(huán)境，節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。利用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型可以進(jìn)行設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了一種高效開發(fā)工具。 ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊:ADAMS/View基本環(huán)境、ADAMS / Solver(求解器)和ADAMS / Postprocessor(后處理)。另外還有一些特殊場合應(yīng)用的附加程序模塊，例如:ADAMS/Car(轎車模塊)、ADAMS/Rail(機(jī)車模塊)、ADAMS / Driver(駕駛員模塊)、ADAMS / Tire(輪胎模塊)、ADAMS/Linear(線性模塊)、ADAMS/Flex(柔性模塊)、ADAMS/ Controls(控制模塊)、ADAMS / FEA(有限元模塊)、ADAMS /Hydraulics(液壓模塊)、ADAMS / Exchange(接口模塊)、Mechanism / Fro(與Pro / Engineer的接口模塊)、ADAMS/Animation(高速動(dòng)畫模塊)等。在3個(gè)基本解題程序模塊中，ADAMS / View提供了一個(gè)直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸入和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口等。，ADAMS / View采用了Windows風(fēng)格的操作界面和各種操作習(xí)J慣，使得ADAMS / 。ADAMS / Solve:是求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問題的程序。完成樣機(jī)分析的準(zhǔn)備工作以后，ADAMS/View程序可以自動(dòng)地調(diào)用ADAMS / Solver模塊，求解樣機(jī)模型的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)問題，完成仿真分析以后再自動(dòng)地返回ADAMS / View操作界面。因此，一般用戶可以將ADAMS/Solver的操作視為一個(gè)“黑匣子”，只需熟悉ADAMS / View的操作，即可完成建模和整個(gè)分析過程。 ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/ Postprocessor來完成。ADAMS / Postprocessor:模塊具有相當(dāng)強(qiáng)的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS / Postprocessor還可以對仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算。可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較?？梢赃M(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。一般ADAMS分析功能如下:(1)可有效地分析三維機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與力。例如可以利用ADAMS來模擬作用在輪胎上的垂直、轉(zhuǎn)向、陀螺效應(yīng)、牽引與制動(dòng)、力與力矩。還可應(yīng)用ADAMS進(jìn)行整個(gè)車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。(2)利用ADAMS可模擬大位移的系統(tǒng)。ADAMS很容易處理這種模型的非線性方程，而且可進(jìn)行線性近似。(3)可分析運(yùn)動(dòng)學(xué)靜定(對于非完整的束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。(4)對于一個(gè)或多自由度機(jī)構(gòu)，ADAMS可完成某一時(shí)間上的靜力學(xué)分析或某一時(shí)間間隔內(nèi)的靜力學(xué)分析。(5)有線性系統(tǒng)模態(tài)分析、力輸入運(yùn)動(dòng)以及模擬控制系統(tǒng)的能力。(6)利用ADAMS/VIEW提供的控制工具箱或ADAMS/Control與MATLAB一起可以方便地進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真。DADS與ADAMS同屬機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，兩者的原理和功能相似。但ADAMS軟件是專門針對汽車及懸架開發(fā)，在模擬和仿真汽車及懸架系統(tǒng)方面比其它的軟件方便得多。 手部模型的建立：（1）機(jī)械手中所有零部件都認(rèn)為是剛體。（2）零部件之間的所有連接都簡化為鉸鏈。內(nèi)部間隙不計(jì)；（2）各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的摩擦力忽略不計(jì)。由于本文所設(shè)計(jì)的手部機(jī)構(gòu)難以用來建模，因此選用它的等效機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。將機(jī)械手的手部抽象出來，對其進(jìn)行建模。 機(jī)械手約束副圖本圖創(chuàng)建的是機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模型，夾持點(diǎn)到手指旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離為100mm,通過旋轉(zhuǎn)副，直線副，固定副來約束機(jī)械手的各部件，再給活塞桿一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)手部直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手抓張合運(yùn)動(dòng)。對于手部的運(yùn)動(dòng)仿真，為避免機(jī)構(gòu)自鎖，應(yīng)考慮活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍，本設(shè)計(jì)中，活塞桿的運(yùn)動(dòng)范圍是34mm。（a）(b)(c)對機(jī)械手的張開進(jìn)行仿真后，可以用曲線的形式輸出仿真結(jié)果。在ADAMS/View中可以測量模型的任意參數(shù)，如：物體任意點(diǎn)的位移、速度、加速度等，約束副的相對位移、相對速度、相對加速度以及所受的力和力矩等。下面分別對機(jī)械手的活塞桿進(jìn)行力、速度、加速度、位移進(jìn)行曲線輸出。該曲線圖是在一個(gè)恒定的驅(qū)動(dòng)力的作用下，設(shè)置時(shí)間為5秒，設(shè)置時(shí)間為5秒，設(shè)置時(shí)間為5秒，以下為活塞桿的位移變化曲線圖， 本章小結(jié)通過本章，對機(jī)械手的手部進(jìn)行了建模，并對結(jié)果以曲線的形式輸出仿真結(jié)果。對于ADAMS建模，在ADAMS/View提供有零件庫，可以創(chuàng)建各種基本的物體。對于復(fù)雜形狀的物體，可以使用ADAMS/Exchange模塊從其它CAD軟件（如：Pro/e）中輸入零件模型。8 結(jié)論通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了機(jī)械手的很多相關(guān)知識(shí)。使我也了解了當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過程，通過對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，也學(xué)會(huì)了使用ADAMS軟件創(chuàng)建模型，并使用ADAMS軟件對機(jī)械手進(jìn)行簡單的運(yùn)動(dòng)仿真。為以后的工作學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)做了系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中沒有涉及到機(jī)械手的控制問題，對這方面有點(diǎn)模糊，需要在以后的工作學(xué)習(xí)中了解和掌握。 本次設(shè)計(jì)的是輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)，相對于通用機(jī)械手，因此，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)成本低廉，專用性比較高，可實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)的一些搬運(yùn)工作。采用液壓傳動(dòng)，液壓出力大，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手用途更廣，定位精度一般非常高，在1mm內(nèi)。 該機(jī)械手選擇配置二指夾持手指，抓取一般棒料。必要時(shí)可以更換手抓，抓取箱體等。 本次設(shè)計(jì)只對機(jī)械手的手部進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬仿真，對虛擬樣機(jī)還只是處于了解階段，做的運(yùn)動(dòng)仿真難免有錯(cuò)誤之處。 由于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)難免有不到之處，望讀者見量，指正。致 謝在本論文的工作中，自始自終得到了西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院沈云波老師的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、嚴(yán)于律己寬以待人的做人風(fēng)范是作者終身學(xué)習(xí)的榜樣。另外導(dǎo)師們的課題組活躍的學(xué)術(shù)風(fēng)氣、學(xué)術(shù)觀點(diǎn)與為人上的坦誠也深深的感染了作者，使作者獲得了太多的啟發(fā)，在此特表深深謝意！在課題研究的整個(gè)過程中，沈云波老師一直給予了悉心的指導(dǎo)與幫助。在同他的合作中取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)他豐富的理論知識(shí)及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、對待學(xué)術(shù)問題的科學(xué)態(tài)度令作者欽佩。在此表示由衷的感謝！ 在進(jìn)行機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，和我一起研究探討的舍友表示感謝。也對這四年來給予了我各方面極大支持及鼓勵(lì)機(jī)械學(xué)院老師表示感謝。最后向其他關(guān)心我支持我的老師、朋友、同班同學(xué)一并表示感謝。參考文獻(xiàn) 劉明保 ，, 李超，2003 陸祥生 ，, ：北京理工大學(xué)出版社,1992 , , ,2001，4 ,1999，4 金茂青，曲忠萍，,2001，2 （機(jī)械手）,1999，5 ，2004. 張軍， ,：21 濮良貴，：高等教育出版社, 王國強(qiáng). 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAM S 上的實(shí)踐[M ]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002. 王成，2004，6 ： ClavelR .Delta,a fast robot wth parallel geometry. TheInt.Symposium on in dustrial robots( ISIR),Sydney,Australia,1988,91100. John ,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,AddisonWesley,Reading,MA,1989. Durstewitz,M 。Kiefner,B ,Virtual collaboration environment for aircraft design,Information Visualisation,2002. International Conference on，1012 July 2002,Page(s):502 507