應用Adams實現夾緊機構動作的研究

賈海明+宋佳

摘 要：使用PRO/E軟件對爬管夾緊機構進行了三維建模，在ADAMS軟件中進行動力學仿真工作。這里采用ADAMS中腳本函數Adams/Solver Commands解決了夾緊機構在運行中既需要運行滑移副又需要運行轉動副的問題，使ADAMS函數成為仿真工作的高效輔助工具。

關鍵詞：ADAMS；仿真；函數

中圖分類號：TH164 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0017-02

引言

虛擬樣機技術作為一種計算機輔助工程技術，是一種嶄新的產品設計研究方法，可以用來替代物理樣機進行設計和研發工作。在爬升類的機器人機構中，常常涉及到夾緊機構的設計研發工作。ADAMS軟件在仿真過程中，由于夾緊機構部分既涉及到夾緊動作，又需要傳送動力，增加了仿真工作的難度。而ADAMS在進行一些特殊的仿真工作時，往往只進行建模、添加約束、驅動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進行輔助工作才能實現目的。本文通過使用Adams的腳本函數實現了夾緊機構的仿真工作，為它的應用和設計提供了參考。

1 爬管機器人夾緊機構的結構

爬管機器人夾緊機構簡化后的結構如圖1所示，其中，機器人主體結構包含了導向輪、滑塊、摩擦輪、推力桿等幾個零件。爬管機器人由導向輪和摩擦輪在機構夾緊之后，靠摩擦輪與管產生的摩擦力在管上滾動。兩個導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現。摩擦輪的動力來源于兩端的電機。

2 參數設置與仿真

2.1 添加地面

在PRO/E軟件中建立機構的三維模型，分析無干涉之后將組裝件保存為*.x_t文件，然后導入到ADAMS軟件里。由于要進行動力學分析，因此分別賦予實體模型以相應的材料和顏色信息。重力方向為-y，仿真工作中的單位為MMKS。

夾緊機構是在豎直方向上，由于設置了重力，在仿真過程中會使得模型出現自由落體現象。因此，需要在模型的下面構建一個地面。選擇setting菜單中的working grind，在打開的參數設置對話框中選擇set-location以及pick。選擇管的中心，選擇完畢，柵格就會出現在管中心處。然后，選擇setting菜單中的work grind，在參數對話框中選擇set-orientation以及global xz。在俯視圖視角繪制一個薄的長方體，就會成功建立一個地面。為了使地面發揮作用，模型與地面之間建立solid to solid的接觸類型，這樣自由落體的現象就不會出現了。

2.2 添加約束及載荷

機器人夾緊機構導入之后，依次給各個活動關節添加運動副。其中，管與地面是固定副；摩擦輪與機器人之間是旋轉副；滑塊與機器人之間是滑移副；推力桿設置了滑移副；導向輪與機器人之間是旋轉副。涉及到接觸的部分設置了接觸力，推力桿設置了單向力，驅動為旋轉驅動。

在模型設置完運動副及載荷之后，為了保證模型可以正常運行，需要對整體進行驗證。驗證結果顯示，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，此模型無過約束的問題，符合動力學仿真分析的要求。

2.3 函數設置

由于仿真的類型多變，涉及到的仿真機構復雜程度也不盡相同，因此ADAMS提供了較為豐富多樣的函數。即使是一些不能用具體表達式表示的函數，也可以通過數據元素來擬合出一個函數。在ADAMS中，函數主要分為設計過程函數和運行過程函數兩類。建立模型過程中使用的函數是設計函數，運行過程函數則只用于仿真計算過程。運行過程函數依賴于模型仿真過程的時間或模型在仿真過程中的狀態，它在不同時刻的仿真是不一樣的。ADAMS/Solver有以下幾項優點：

（1）使用穩定的建模方法可以對巨大的模型進行分析。

（2）可以對以機械部件、控制系統和柔性部件組成的多域問題進行分析。

（3）支持多種分析類型，其中包括運動學、靜力學、準靜力學、線性或非線性動力學分析。

（4）一個自動建立并解算用于機械系統運動仿真方程的，快速、穩定的數值分析工具。

（5）提供一種用于解算復雜機械系統復雜運動的數值方法。

在ADAMS中，由于摩擦輪設置了旋轉副，在滑塊的作用下又要實現移動工作來實現夾緊動作，就會造成沖突，導致仿真失敗。ADAMS中腳本函數Adams/Solver Commands由于可以使運動副在某段時間失效，可以使旋轉動作與滑移動作在不同時間段出現，從而完成仿真工作。要求仿真過程5s，夾緊動作1s，剩余4s完成夾緊機構的爬升動作。因此，仿真時間為5s，仿真步數steps=500。在仿真時，需要選擇腳本控制仿真。函數具體設置情況如圖2所示，其中，ID4為仿真模型中摩擦輪的旋轉副在ADAMS求解器中的標記號。仿真結果如圖3所示，可以看出ADAMS很好的完成了仿真工作。

3 結束語

文章通過設置ADAMS中腳本函數Adams/Solver Commands，實現了夾緊機構在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，就可以實現復雜機構或者復雜動作的仿真工作。在仿真中發現，這種機構會使得仿真速度變慢，在設計工作中應盡量避免。

參考文獻：

[1]董其維.采摘機器人機械手夾緊裝置優化設計——基于Pro/E和ADAMS聯合仿真[J].農機化研究，2017（05）：226-230.

[2]張子華，何富君.PGR-Ⅱ型爐管爬行機器人的建模與仿真[J].石油機械，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器人的設計與分析[J].機械設計，2014（04）：24-26+54.