基于ADAMS軟件的Tricept并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)仿真分析

摘 要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對應(yīng)用機械動力學(xué)仿真軟件的開發(fā)越來越關(guān)注，本文主要闡述了當前在這種仿真軟件ADAMS的基礎(chǔ)上建立的一種并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)仿真模型的相關(guān)內(nèi)容，供大家參考。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機構(gòu)；ADAMS；動力學(xué)仿真

計算機仿真的主要功能之一就是對機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)進行仿真分析，以確定系統(tǒng)及其各個構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各個構(gòu)件運動所需的作用力及其反作用力[1]。在計算機仿真方面已推出的有：美國MDI公司開發(fā)的ADAMS、美國EDS子公司SDRC公司的I-DEAS、CADSI的DADS（Dynamic Analysis and Design System）及德國航天局的SIMPACK等。這些軟件能夠被大家廣泛應(yīng)用主要是因為它們集中了最新的動力學(xué)理論成果、數(shù)學(xué)求解器、各種強大的后處理模塊等等，這些都是用來建立機械系統(tǒng)的仿真模型。這些軟件的開發(fā)有利于將工作的重點放在模型的設(shè)計上，而節(jié)省了建立方程和求解等工作中，有效地提高了設(shè)計人員的工作效率，進而提高了機械系統(tǒng)仿真的技術(shù)含量。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）全稱是機械系統(tǒng)自動動力分析軟件，是美國MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司研制開發(fā)的一種虛擬樣機仿真分析軟件。ADAMS軟件是以多體動力學(xué)為核心建立起來的以描述機械系統(tǒng)運動規(guī)律、運動特性為目標的仿真軟件，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。這種軟件已經(jīng)被世界所認可并被廣泛的應(yīng)用到機械系統(tǒng)仿真分析軟件，在這一領(lǐng)域占有試產(chǎn)達到百分之七十，這種虛擬樣機的功能更加受到了機器人人員的喜愛。我國對這一軟件也開始重視起來，并已經(jīng)對這一軟件進行細致地分析。

1 并聯(lián)機構(gòu)仿真模型的建立

Tricept（3UPS-UP）并聯(lián)平臺機構(gòu)（圖1），由動平臺、靜平臺、從動腿和三條可伸縮驅(qū)動腿組成。每條驅(qū)動腿的一端與靜平臺用都虎克鉸連接，另一端與動平臺用球副連接，中間是一個由氣壓、液壓或滾珠絲杠螺母副驅(qū)動的可伸縮桿。從動腿也由一條伸縮連桿組成，桿的一端與動平臺固定連接且正交，其另一端與靜平臺通過虎克鉸連接，中間是一個不能發(fā)生自旋的可伸縮桿，即相當于一個移動副。當三條驅(qū)動腿等長時，即相當于一個正三棱錐。通過三條驅(qū)動腿的長度的改變，使此機構(gòu)可實現(xiàn)空間三個可控位置自由度，即可實現(xiàn)繞導(dǎo)向裝置虎克鉸轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動和沿動平臺參考點與虎克鉸轉(zhuǎn)動中心連線的移動，而繞動平臺的轉(zhuǎn)動被約束。實體模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有六個：上、下平臺的外接圓半徑尺寸r、R和驅(qū)動連桿、從動連桿的長度li（i=1～4），可將其進行參數(shù)化，因為結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會引起工作空間的變化，可根據(jù)實際需要確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，也可進行優(yōu)化設(shè)計。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： r=0.12m，R=0.3464m，重力加速度為g=9.80665m/s2，兩連桿的直徑分別為0.06m和0.03m，長度為0.7m，動平臺的厚度為0.03m，其三角形的兩條邊以半徑為0.03m的圓弧光滑連接。

ADAMS軟件包括3個最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（基本環(huán)境）、ADAMS/Solver（求解器）、 ADAMS/PostProcessor（后處理）[2]。在3個基本程序中，ADAMS/View（基本環(huán)境）提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數(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/Solver是求解機械系統(tǒng)運動和動力學(xué)問題的程序，可以用來輸出高性能的動畫、各種數(shù)據(jù)曲線，還可以對曲線進行積分、求導(dǎo)、求和、求差等處理。應(yīng)用這兩個模塊可以幫助我們對并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)進行仿真分析。

仿真的第一步是創(chuàng)建零件即創(chuàng)建三維實體，建立機械系統(tǒng)的三維實體模型，通常有兩種方法：一種是使用ADAMS/View 提供的零件庫，通過創(chuàng)建簡單幾何體、實體連接和布爾運算，用模型修飾工具來完成三維造型，然后重新定義物體的質(zhì)心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征[3]。另一種方法是使用ADAMS/Exchange 模塊從其他CAD軟件（如：Pro/E、UG、Solidworks）中輸入零件的三維模型。

2 動力學(xué)仿真

并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)研究包括機構(gòu)動力學(xué)模型的建立、受力分析、慣性力計算、動力平衡、動力響應(yīng)等方面，其中動力學(xué)模型的建立是諸多動力學(xué)問題中最重要的一個方面。在一定載荷作用下，當動平臺按預(yù)定軌跡運動時，各驅(qū)動桿的受力也將隨時間變化，在整個運動過程中各桿受力變化是否平緩，力的大小是否合乎要求，對于機構(gòu)設(shè)計和實際控制有著重要的意義[4]。ADAMS可根據(jù)機械系統(tǒng)模型，自動建立系統(tǒng)的拉格朗日運動方程，對每個剛體，列出6個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程及相應(yīng)的約束方程，并自動求解，不需用戶編程計算。動平臺在運動范圍內(nèi)的運動，都是通過4根桿長的變化來使動平臺中心到達任意運動范圍內(nèi)的位置。本文中，為了實現(xiàn)3個自由度（包括沿z軸的移動和繞x、y軸的轉(zhuǎn)動）的運動，在動平臺中心處施加一般點運動（General Point Motion）激勵，規(guī)定它3 結(jié)論

設(shè)計的不同階段所需要的數(shù)據(jù)是不相同的，在最初階段，我們可以不直接使用數(shù)學(xué)上有關(guān)的結(jié)構(gòu)運動學(xué)方程和具體的求解，只需要直接使用ADAMS軟件就可以實現(xiàn)分析和論證機構(gòu)運動學(xué)，并能夠得到各個構(gòu)件的運動特性，這不僅節(jié)省了大量的求證時間，而且還能夠幫助對初期方案進行的篩選。一般來說，針對一些比較簡單的機構(gòu)，我們可以直接使用運動學(xué)方程就可以直接求解，但是針對一些比較復(fù)雜的機構(gòu)，往往很難建立一個數(shù)學(xué)模型，這就可以直接使用ADAMS軟件進行建立模型并直接仿真，通過計算機直接進行數(shù)據(jù)輸出，可以直接使用控制系統(tǒng)。這種軟件為并聯(lián)機構(gòu)的研究提供一個新的思路。

參考文獻

[1]劉偉.協(xié)作式并聯(lián)機床工作空間及運動仿真[D].北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[2]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，2002.

[3]李軍，刑俊文，覃文潔.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[4]黃真.并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

作者簡介：張亞杰（1979-），女，黑龍江省大慶人，講師，研究方向：機械設(shè)計。