應(yīng)用Adams實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作的研究

賈海明+宋佳

摘 要：使用PRO/E軟件對(duì)爬管夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，在ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真工作。這里采用ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands解決了夾緊機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中既需要運(yùn)行滑移副又需要運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)副的問題，使ADAMS函數(shù)成為仿真工作的高效輔助工具。

關(guān)鍵詞：ADAMS；仿真；函數(shù)

中圖分類號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0017-02

引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，是一種嶄新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究方法，可以用來(lái)替代物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。在爬升類的機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，常常涉及到夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。ADAMS軟件在仿真過程中，由于夾緊機(jī)構(gòu)部分既涉及到夾緊動(dòng)作，又需要傳送動(dòng)力，增加了仿真工作的難度。而ADAMS在進(jìn)行一些特殊的仿真工作時(shí)，往往只進(jìn)行建模、添加約束、驅(qū)動(dòng)不能夠滿足工作的需要，需要用傳感器或者仿真腳本的函數(shù)進(jìn)行輔助工作才能實(shí)現(xiàn)目的。本文通過使用Adams的腳本函數(shù)實(shí)現(xiàn)了夾緊機(jī)構(gòu)的仿真工作，為它的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供了參考。

1 爬管機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

爬管機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)包含了導(dǎo)向輪、滑塊、摩擦輪、推力桿等幾個(gè)零件。爬管機(jī)器人由導(dǎo)向輪和摩擦輪在機(jī)構(gòu)夾緊之后，靠摩擦輪與管產(chǎn)生的摩擦力在管上滾動(dòng)。兩個(gè)導(dǎo)向輪與摩擦輪呈三角形分布，摩擦輪的軸處在滑塊中，而摩擦輪與管的夾緊，靠與它相連的滑塊在推力桿的作用下實(shí)現(xiàn)。摩擦輪的動(dòng)力來(lái)源于兩端的電機(jī)。

2 參數(shù)設(shè)置與仿真

2.1 添加地面

在PRO/E軟件中建立機(jī)構(gòu)的三維模型，分析無(wú)干涉之后將組裝件保存為*.x_t文件，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件里。由于要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，因此分別賦予實(shí)體模型以相應(yīng)的材料和顏色信息。重力方向?yàn)?y，仿真工作中的單位為MMKS。

夾緊機(jī)構(gòu)是在豎直方向上，由于設(shè)置了重力，在仿真過程中會(huì)使得模型出現(xiàn)自由落體現(xiàn)象。因此，需要在模型的下面構(gòu)建一個(gè)地面。選擇setting菜單中的working grind，在打開的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中選擇set-location以及pick。選擇管的中心，選擇完畢，柵格就會(huì)出現(xiàn)在管中心處。然后，選擇setting菜單中的work grind，在參數(shù)對(duì)話框中選擇set-orientation以及global xz。在俯視圖視角繪制一個(gè)薄的長(zhǎng)方體，就會(huì)成功建立一個(gè)地面。為了使地面發(fā)揮作用，模型與地面之間建立solid to solid的接觸類型，這樣自由落體的現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)了。

2.2 添加約束及載荷

機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)入之后，依次給各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)添加運(yùn)動(dòng)副。其中，管與地面是固定副；摩擦輪與機(jī)器人之間是旋轉(zhuǎn)副；滑塊與機(jī)器人之間是滑移副；推力桿設(shè)置了滑移副；導(dǎo)向輪與機(jī)器人之間是旋轉(zhuǎn)副。涉及到接觸的部分設(shè)置了接觸力，推力桿設(shè)置了單向力，驅(qū)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

在模型設(shè)置完運(yùn)動(dòng)副及載荷之后，為了保證模型可以正常運(yùn)行，需要對(duì)整體進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，13 Gruebler Count （approximate degrees of freedom），19 Moving Parts （not including ground），6 Revolute Joints， 9 Translational Joints，4 Fixed Joints，2 Motions，13 Degrees of Freedom for .MODEL_ROBOT4。There are no redundant constraint equations.Model verified successfully。因此，此模型無(wú)過約束的問題，符合動(dòng)力學(xué)仿真分析的要求。

2.3 函數(shù)設(shè)置

由于仿真的類型多變，涉及到的仿真機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度也不盡相同，因此ADAMS提供了較為豐富多樣的函數(shù)。即使是一些不能用具體表達(dá)式表示的函數(shù)，也可以通過數(shù)據(jù)元素來(lái)擬合出一個(gè)函數(shù)。在ADAMS中，函數(shù)主要分為設(shè)計(jì)過程函數(shù)和運(yùn)行過程函數(shù)兩類。建立模型過程中使用的函數(shù)是設(shè)計(jì)函數(shù)，運(yùn)行過程函數(shù)則只用于仿真計(jì)算過程。運(yùn)行過程函數(shù)依賴于模型仿真過程的時(shí)間或模型在仿真過程中的狀態(tài)，它在不同時(shí)刻的仿真是不一樣的。ADAMS/Solver有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用穩(wěn)定的建模方法可以對(duì)巨大的模型進(jìn)行分析。

（2）可以對(duì)以機(jī)械部件、控制系統(tǒng)和柔性部件組成的多域問題進(jìn)行分析。

（3）支持多種分析類型，其中包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)、線性或非線性動(dòng)力學(xué)分析。

（4）一個(gè)自動(dòng)建立并解算用于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真方程的，快速、穩(wěn)定的數(shù)值分析工具。

（5）提供一種用于解算復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的數(shù)值方法。

在ADAMS中，由于摩擦輪設(shè)置了旋轉(zhuǎn)副，在滑塊的作用下又要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作，就會(huì)造成沖突，導(dǎo)致仿真失敗。ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands由于可以使運(yùn)動(dòng)副在某段時(shí)間失效，可以使旋轉(zhuǎn)動(dòng)作與滑移動(dòng)作在不同時(shí)間段出現(xiàn)，從而完成仿真工作。要求仿真過程5s，夾緊動(dòng)作1s，剩余4s完成夾緊機(jī)構(gòu)的爬升動(dòng)作。因此，仿真時(shí)間為5s，仿真步數(shù)steps=500。在仿真時(shí)，需要選擇腳本控制仿真。函數(shù)具體設(shè)置情況如圖2所示，其中，ID4為仿真模型中摩擦輪的旋轉(zhuǎn)副在ADAMS求解器中的標(biāo)記號(hào)。仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出ADAMS很好的完成了仿真工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過設(shè)置ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands，實(shí)現(xiàn)了夾緊機(jī)構(gòu)在ADAMS軟件中的仿真工作。可以看出，只要合理使用ADAMS中的腳本函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)構(gòu)或者復(fù)雜動(dòng)作的仿真工作。在仿真中發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)構(gòu)會(huì)使得仿真速度變慢，在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)盡量避免。

參考文獻(xiàn)：

[1]董其維.采摘機(jī)器人機(jī)械手夾緊裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)——基于Pro/E和ADAMS聯(lián)合仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（05）：226-230.

[2]張子華，何富君.PGR-Ⅱ型爐管爬行機(jī)器人的建模與仿真[J].石油機(jī)械，2016（02）：106-110.

[3]彭力明，高志勇，陳磊，等.一種多滾輪框架式爬索機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014（04）：24-26+54.