基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 (版本2)
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Computer and Industrial Robots There are a variety of definitions of the term robotDepending on the definition used,the number of robot installations worldwide varies widelyNumerous single-purpose machines are used in manufacturing plants that might appear to be robotsThese machines are hardwired to perform a single function and cannot be repogrammed to perform a different function Such single-purpose machines do not fit the definition for industrial robots that is becoming widely acceptedThis definition was developer) by the Robot Institute of America: A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts,tools,or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks Note that this definition contains the words repmuammable is these two characteristics that separate the true industrial robot from the various single-purpose machines used in modern manufacturing firmsThe term reprogrammable implies two things:The robot operates according to a written program,and this program can be rewritten to accommodate a variety of manufacturing tasks The term“multifunctional” means that the robot can,through reprogramming and the use of different end-effectors,perform a number of different manufacturing tasks Definitions written around these two critical characteristics.becoming the accepted definitions among manufacturing professionals The first articulated arm came about in 1951 and was used by the US. Atomic Energy CommissionIn 1954,the first programmable robot was designed by George Devol .It was based on two important technologies: (1)Numerical control(NC) technology (2) Remote manipulator technology Numerical control technology provided a form of machine control ideally suited to robots It allowed for the control of motion by stored programs.These programs contain data points to which the robot sequentially moves,timing signals to initiate action and to stop movement,and logic statements to allow for decision making Remote manipulator technology allowed a machine to be more than just another NC machineIt allowed such machines to become robots that can perform a variety of manufacturing tasks in both inaccessible and unsafe environmentsBy merging these two technologies,Devol developed the first industrial robot,an unsophisticated programmable materials handling machine The first commercially produced robot was developed in 1959.In 1962,the first industrial robot to be used on a production line was installed by Geieral Motors Corporation,This robot was produced by Unimation.A major step forward in robot control occurred in 1973 with the development of the T-3 industrial robot by Cincinnati MilacronThe T-3 robot was the first commercially produced industrial robot controlled by a minicomputer. Numerical control and remote manipulator technology prompted the wide-scale development and use of industrial robotsBut major technological developments do not take place simply because of such new capabilities.Something must provide the impetus for taking advantage of these capabilitiesIn the case of industrial robots,the impetus was economics.The rapid inflation of wages experienced in the 1970s tremendously increased the personnel costs of manufacturing firmsAt the same time,foreign competition became a serious problem for U SmanufacturersForeign manufacturer; who had undertaken automation on a wide-scale basis,such as those in Japan,began to gain an increasingly large share of the USand world market for manufactured goods,particularly automobiles.Zhruugh a variety of automation techniques,including robots,Japanese manufacturers, beginning in the 1970s,were able to produce better automobiles more cheaply than no natomated USmanufacturersConsequently,in order to survive,USmanufacturers were forced to consider any technological developments that could help improve productivity It became imperative to produce better products at lower costs in order to be competitive with foreign manufacturersOther factors such as the need to find better ways of performing dangerous manufacturing tasks contributed to the development of industrial robotsHowever,the principal rationale has always been,and is still,improved productivity. One of the principal advantages of robots is that they can be used in settings that are dangerous to humans Welding and parting are examples of applications where robots can be used more safely than humansEven though robots are closely associated with safety in the workplace,they can,in themselves,be dangerous Robots and robot cells must be carefully designed and configured so that they do not endanger human workers and other machinesRobot work envelopes should be accurately calculated and a danger zone surrounding the envelope clearly marked off. Red flooring strips and barriers can be used to keep human workers out of a robots work envelopeEven with such precautions it is still a good idea to have an automatic shut down system in situations where robots are usedSuch a system should have the capacity to sense the need for an automatic shutdown of operationsFault-tolerant computers and redundant systems can be installed to ensure proper shutdown of robotics systems to ensure a safe environmentManufacturing into the computer is the information age. The computer has long been in the business and management have to a wide range of applications, it is as a new tool into the factories, but as the steam engine in it More than 200 years ago to make changes in the manufacturing sector, as are changes taking place in manufacturing. Although the basic metal-cutting process is unlikely to change fundamentally, but their form of organization and the control is bound to change.In one respect can be said that the manufacturing sector in the process of completing a cycle. First hand the manufacturing industry is the family Industry: the designers are themselves producers, product ideas and the completion of processing by the same person. Subsequently, the formation of the parts Overview of the interchangeability of this blog, production has been divided in accordance with professional features and text can be produced in batches of thousands of the same parts. Today, despite the designer and the manufacturer is no longer the same person, but forward to the integrated manufacturing system Way, these two functions have become increasingly closer. May have, ironically, a high degree of diversification in the market demand for the products, manufacturing must be increase productivity and reduce costs. Demanded by consumers with less money to buy high-quality and diversified products. Computer is required to meet these key factors. It is able to provide rapid response capability, flexibility and to meet the only tool for the diversification of the market. Moreover, it is the realization of integrated manufacturing system need to carry out detailed analysis and the use of accurate data, the only tool. Computer may be in the future is a basic condition for business survival, many of todays enterprises will be Health Higher production capacity to replace the corporate portfolio. Higher production capacity of these enterprises are of great combinations High quality, very high productivity of the plant. Objective is to design and operation of a high productivity of the side100% of qualified production plant products. A use of advanced technology, competitive world is to promote the manufacturing sector began to do more to their use of advanced technology. In order to adapt to competition, a company will meet each other to some extent, spear Shields request, such as product diversification, improved quality, increased productivity, lower prices. In their efforts to meet these The course requirements, the company needed a tool for the use of advanced technology, a customer needs to make Rapid response, and resources from the manufacturing of tools to maximize revenue. Computer is the tool. Become a very high quality, very high productivity, the factories, the need for a very complex miscellaneous integrated system. It is only through the use of the computer on all the components of the manufacturing industry - design, Fabrication, assembly, quality assurance, management and material handling and transportation to complete integration. 計(jì)算機(jī)與工業(yè)機(jī)器人有許多關(guān)于機(jī)器人這個(gè)術(shù)語(yǔ)的定義。采用不同的定義,全世界各地機(jī)器人的數(shù)量就會(huì)發(fā)生很大的變化。在制造工廠中使用的許多單用途機(jī)器可能會(huì)看起來(lái)像機(jī)器人。這些機(jī)器是硬連線的,用來(lái)完成單一的工作。這種單用途的機(jī)器不能滿足被人們?nèi)找鎻V泛接受的關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的定義。這個(gè)定義是由美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)提出的:機(jī)器人是一個(gè)可以改編程序的多功能操作器,被設(shè)計(jì)用來(lái)按照預(yù)先編制的、能夠完成多種作業(yè)的運(yùn)動(dòng)程序運(yùn)送材料、零件、工具或者專用設(shè)備。注意在這個(gè)定義中包含有“可以改編程序”和“多功能”這兩個(gè)詞。正是這兩個(gè)詞將真正的機(jī)器人與現(xiàn)代制造工廠中使用的單一用途的機(jī)器區(qū)分開(kāi)來(lái)?!翱梢愿木幊绦颉边@個(gè)術(shù)語(yǔ)意味著兩件事:機(jī)器人根據(jù)編寫(xiě)的程序工作,以及可以通過(guò)重新編寫(xiě)程序來(lái)適應(yīng)不同種類的制造工作的需要。“多功能”這個(gè)詞愈味著機(jī)器人能通過(guò)編程和使用不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),來(lái)完成不同的制造工作。圍繞著這兩個(gè)關(guān)鍵特征所撰寫(xiě)的定義正在變成為制造業(yè)的專業(yè)人員所接受的定義。第一個(gè)帶有活動(dòng)關(guān)節(jié)的手臂于1951年被研制出來(lái),由美國(guó)原子能委員會(huì)使用。在1954年,第一個(gè)可以編程的機(jī)器人由喬治狄弗設(shè)計(jì)出來(lái)。它基于下面兩項(xiàng)重要技術(shù): (1)數(shù)字控制(NC)技術(shù)。 (2)遠(yuǎn)程操作器技術(shù)。數(shù)字控制技術(shù)提供了一種非常適合于機(jī)器人的機(jī)器控制技術(shù)。它可以通過(guò)存儲(chǔ)的程序?qū)\(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。這些程序包含機(jī)器人進(jìn)行順序運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù),開(kāi)始運(yùn)動(dòng)和停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)間控制信號(hào),以及做出決定所需要的邏輯語(yǔ)句。遠(yuǎn)程操作器技術(shù)使得一臺(tái)機(jī)器的性能超出一臺(tái)數(shù)控機(jī)器。它可以使這種機(jī)器能夠在不容易進(jìn)人和不安全的環(huán)境中完成各種制造任務(wù)。通過(guò)融合了上述兩項(xiàng)技術(shù),狄弗研制出第一個(gè)機(jī)器人,它是一個(gè)不復(fù)雜的,可以編程的物料運(yùn)送機(jī)器人。第一臺(tái)商業(yè)化生產(chǎn)的機(jī)器人在1959年研制成功。通用汽車公司在1962年安裝了第一臺(tái)用于生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人,它是尤尼梅森公司生產(chǎn)的。在1973年,辛辛那提米蘭克朗公司研制出T3工業(yè)機(jī)器人,在機(jī)器人的控制方面取得了較大的進(jìn)展。T3機(jī)器人是第一臺(tái)商業(yè)化生產(chǎn)的采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人。數(shù)字控制技術(shù)和遠(yuǎn)程操作器技術(shù)推動(dòng)了大范圍的機(jī)器人研制和應(yīng)用。但是主要的技術(shù)進(jìn)步并不僅僅是由于這些新的應(yīng)用能力而產(chǎn)生的,而是必須由利用這些能力所得到的效益來(lái)提供動(dòng)力。就工業(yè)機(jī)器人而言,這個(gè)動(dòng)力是經(jīng)濟(jì)性。在20世紀(jì)70年代中,工資的快速增長(zhǎng)大大增加了制造業(yè)的企業(yè)中的人工費(fèi)用。與此同時(shí),來(lái)自國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)成為美國(guó)制造業(yè)所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。諸如日本等外國(guó)的制造廠家在廣泛地應(yīng)用了自動(dòng)化技術(shù)之后,其工業(yè)產(chǎn)品,特別是汽車,在美國(guó)和世界市場(chǎng)中占據(jù)了日益增大的份頰。通過(guò)采用包括機(jī)器人在內(nèi)的各種自動(dòng)化技術(shù),從70年代開(kāi)始,日本的制造廠家能夠比沒(méi)有采用自動(dòng)化技術(shù)的美國(guó)制造廠家生產(chǎn)更好的和更便宜的汽車。隨后,為了生存,美國(guó)制造廠家被迫考慮采用任何能夠提高生產(chǎn)率的技術(shù)。為了與國(guó)外制造廠家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),必須以比較低的成本,生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。其他的因素,諸如尋找能夠更好地完成帶有危險(xiǎn)性的制造工作的方式也促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。但是,主要的理由一直是,而且現(xiàn)在仍然是提高生產(chǎn)率。機(jī)器人的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們可以在對(duì)于人類來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的環(huán)境中工作。采用機(jī)器人進(jìn)行焊接和切斷工作是比由人工來(lái)完成這些工作更安全的例子。盡管機(jī)器人與工作地點(diǎn)的安全密切相關(guān),它們本身也可能是危險(xiǎn)的。應(yīng)該仔細(xì)地設(shè)計(jì)和配置機(jī)器人和機(jī)器人單元,使它們不會(huì)傷害人類和其他機(jī)器。應(yīng)該精確地計(jì)算出機(jī)器人的工作范圍,并且在這個(gè)范圍的四周清楚地標(biāo)出危險(xiǎn)區(qū)域??梢圆捎迷诘孛嫔袭?huà)出紅顏色的線和設(shè)置障礙物以阻止工人進(jìn)人機(jī)器人的工作范圍。即使有了這些預(yù)防措施,在使用機(jī)器人的場(chǎng)地中設(shè)置一個(gè)自動(dòng)停止工作的系統(tǒng)仍然不失為一個(gè)好主意。機(jī)器人的這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠檢測(cè)出是否有需要自動(dòng)停止工作的要求的能力。為了保證能有一個(gè)安全的環(huán)境,應(yīng)當(dāng)安裝容錯(cuò)計(jì)算機(jī)和冗余系統(tǒng)來(lái)保證在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止機(jī)器人的工作。計(jì)算機(jī)正在將制造業(yè)帶入信息時(shí)代。計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)在商業(yè)和管理方面得到了廣泛的應(yīng)用,它正在作為一種新的工具進(jìn)人到工廠中,而且它如同蒸汽機(jī)在200多年前使制造業(yè)發(fā)生改變那樣,正在使制造業(yè)發(fā)生著變革。盡管基本的金屬切削過(guò)程不太可能發(fā)生根本性的改變,但是它們的組織形式和控制方式必將發(fā)生改變。從某一方面可以說(shuō),制造業(yè)正在完成一個(gè)循環(huán)。最初的制造業(yè)是家庭手工業(yè):設(shè)計(jì)者本身也是制造者,產(chǎn)品的構(gòu)思與加工由同一人完成。后來(lái),形成了零件的互換性這個(gè)概志、生產(chǎn)被依照專業(yè)功能分割并案,可以成批地生產(chǎn)數(shù)以千計(jì)的相同零件。 今天,盡管設(shè)計(jì)者與制造者不可能再是同一個(gè)人,但在向集成制造系統(tǒng)前進(jìn)的途中,這兩種功能已經(jīng)越來(lái)越靠近了??赡芫哂兄S刺意味的是,在市場(chǎng)需求高度多樣化的產(chǎn)品的同時(shí),制造業(yè)必須提高生產(chǎn)率和降低成本。消費(fèi)者要求用較少的錢(qián)去購(gòu)買高質(zhì)量和多樣化的產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)是滿足這些要求的關(guān)鍵因素。它是能夠提供快速反應(yīng)能力、柔性和來(lái)滿足多樣化市場(chǎng)的唯一工具。而且,它是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)集成所需要的、能夠進(jìn)行詳細(xì)分析和利用精確數(shù)據(jù)的唯一工具。在將來(lái)計(jì)算機(jī)可能會(huì)是一個(gè)企業(yè)生存的基本條件,許多現(xiàn)今的企業(yè)將會(huì)被生產(chǎn)能力更高的企業(yè)組合所取代。這些生產(chǎn)能力更高的企業(yè)組合是一些具有非常高的質(zhì)量、非常高的生產(chǎn)率的工廠。目標(biāo)是設(shè)計(jì)和運(yùn)行一個(gè)能夠以高生產(chǎn)率的方式生產(chǎn)100%合格產(chǎn)品的工廠。一個(gè)采用先進(jìn)技術(shù)的、競(jìng)爭(zhēng)的世界正在促使制造業(yè)開(kāi)始做更多的工作,使其本身采用先進(jìn)的技術(shù)。為了適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng),一個(gè)公司會(huì)滿足一些在某種程度上相互矛盾的要求,諸如產(chǎn)品多樣化、提高質(zhì)量、增加生產(chǎn)率、降低價(jià)格。在努力滿足這些要求的過(guò)程中,公司需要一個(gè)采用先進(jìn)技術(shù)的工具,一個(gè)能夠?qū)︻櫩偷男枨笞龀隹焖俜磻?yīng),而且從制造資源中獲得最大收益的工具。計(jì)算機(jī)就是這個(gè)工具。成為一個(gè)具有“非常高的質(zhì)量、非常高的生產(chǎn)率”的工廠,需要對(duì)一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行集成。這只有通過(guò)采用計(jì)算機(jī)對(duì)制造業(yè)的所有組成部分設(shè)計(jì)、加工、裝配、質(zhì)量保證、管理和材料裝卸及輸送進(jìn)行集成才能夠完成。河南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))中期進(jìn)展情況檢查表學(xué)生姓名楊書(shū)敏班級(jí)機(jī)制052班指導(dǎo)教師付素芳論文(設(shè)計(jì))題目基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真目前已完成任務(wù)1. 完成開(kāi)題報(bào)告和外文翻譯,交指導(dǎo)老師審查。2. 查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)。3. 基本完成論文草稿。4. 根據(jù)草稿完善開(kāi)題報(bào)告。6. 能夠利用Pro/E軟件建模。是否符合任務(wù)書(shū)要求進(jìn)度:符合尚需完成的任務(wù)利用Pro/E軟件,對(duì)機(jī)械手進(jìn)行造型設(shè)計(jì)分析。能否按期完成論文(設(shè)計(jì)):能存在問(wèn)題和解決辦法存在問(wèn)題利用Pro/E軟件,對(duì)單機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。擬采取的辦法進(jìn)一步學(xué)習(xí)Pro/E軟件的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)。指導(dǎo)教師簽 字日期2009年 4月 26日教學(xué)院長(zhǎng)(主任)意 見(jiàn) 負(fù)責(zé)人簽字: 年 月 日河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開(kāi)題報(bào)告題目名稱 基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真學(xué)生姓名楊書(shū)敏所學(xué)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)20050334213指導(dǎo)教師姓名 付素芳所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化職稱 副教授完成期限 2008年12月22日 至 2009年6月5日1、 選題的目的和意義機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果,代表了機(jī)電一體化的最高成就,是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。工業(yè)機(jī)械手的性能,要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度,增加機(jī)構(gòu)的自由度,提高通用性和靈活性,同時(shí)還要求降低成本,控制簡(jiǎn)單,安全可靠。因此,工業(yè)機(jī)械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。 二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等,應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高,現(xiàn)代化加工車間,常配有機(jī)械手,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作??稍跈C(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。三、主要研究?jī)?nèi)容1為了適應(yīng)工業(yè)化程度的飛速發(fā)展,對(duì)機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。2. 為了方便地表達(dá)三維設(shè)計(jì)思想,并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查以及提高利用律用。學(xué)習(xí)利用Pro/E進(jìn)行零組件設(shè)計(jì)、仿真和工程圖生成的內(nèi)容。3. 用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)。四、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究方法或技術(shù)路線1. 查閱有關(guān)書(shū)籍,借助于網(wǎng)上數(shù)字圖書(shū)館收集資料,對(duì)課題進(jìn)行研究分析,形成系統(tǒng)的外部資料,把握國(guó)內(nèi)及國(guó)外此方面的研究動(dòng)向和研究理論。 2. 總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)技術(shù),提出對(duì)相關(guān)課題的新意見(jiàn)解,兵役時(shí)間的并用實(shí)踐的方式加以證明。 3. 在指導(dǎo)老師的安排幫助下解決困難和問(wèn)題。4. 認(rèn)真學(xué)習(xí)掌握Pro/E以及Adams軟件,進(jìn)行并完成課題設(shè)計(jì)。 5. 歸納系統(tǒng)的研究過(guò)程,撰寫(xiě)論文。五、主要參考文獻(xiàn)與資料1林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真.電子工業(yè)出版社,20052孫江宏,黃小龍,羅琨等.Pro/ENGINEER野火版入門(mén)與提高.清華大學(xué)出版社,2006,18-253鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高M(jìn).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.20054 蘇厚合,黃勝杰,林佩玲.PRO/ENGINEER2006入門(mén)與提高.北京:清華大學(xué)出版社.20015李軍,邢俊文等.ADAMS實(shí)例教程M.北京:北京理工大學(xué)出版社.20026柳洪義,宋偉剛.器人技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:冶金工業(yè)出版社.20027王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機(jī)器人控制自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用J.1986,5(3):1-88王剛,孫學(xué)儉.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真問(wèn)題J.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào).1994,02(2):1-59鄒培海.基于ADAMS的水下機(jī)械手研究J.機(jī)械工程師.2007,(3):52-5310陳幼平,馬志艷,袁楚明,周祖德.六自由度機(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)仿真研究J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2006,(6):205-20711鄭湘軍,唐焱.基于ADAMS和PRO/E的懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析J.北京汽車.2008,(1):36-3812譚志飛,黃輝先.基于ADAMS和PRO/E的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真J.機(jī)械工程師.2007,(4):129-13013梁正文,張?jiān)凭?ADAMS和PRO/E的結(jié)合在汽車四輪轉(zhuǎn)向模式仿真中的應(yīng)用J.汽車與船舶.2007,(1):160-16214魏躍遠(yuǎn),王文瑞.Pro/Engineer Wildfire20實(shí)體建模范例全程表現(xiàn)M.北京;科學(xué)出版社200515楊晉生.鏟土運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.198116邱銘軍,趙航,姚培.AMEsim軟件及其應(yīng)用J.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化2005,22(8):60-61六、指導(dǎo)教師審批意見(jiàn) 簽名: 年 月 日畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書(shū)題目名稱 基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真學(xué)生姓名楊書(shū)敏所學(xué)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化班級(jí)機(jī)制052指導(dǎo)教師姓名付素芳所學(xué)專業(yè)機(jī)械制造及其自動(dòng)化職稱副教授完成期限 2008年12月22日 至 2009年6月5日一、 論文(設(shè)計(jì))主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo)1.主要內(nèi)容研究機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r或趨勢(shì);研究現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法;了解機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)需求;學(xué)習(xí)Pro/E軟件,建立機(jī)械手的實(shí)體模型,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化做準(zhǔn)備。2.技術(shù)指標(biāo)(1)熟練掌握現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法;(2)建立機(jī)械手各部分的實(shí)體模型;(3)對(duì)機(jī)械手模型進(jìn)行造型設(shè)計(jì)分析。畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的基本要求1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)一份:有400字左右的中英文摘要,正文后有15篇左右的參考文獻(xiàn),正文中要引用5篇以上文獻(xiàn),并注明文獻(xiàn)出處。論文字?jǐn)?shù)在10000字以上;2.有不少于2000漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料;3.畢業(yè)設(shè)計(jì)總字?jǐn)?shù)在10000字以上;4. 劃船器實(shí)體模型,相關(guān)圖紙。三、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))進(jìn)度安排1.2008年12月22日-2009年1月9日,下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū);寒假期間完成英文資料翻譯和開(kāi)題報(bào)告。2. 2009年2月16-2月27日(第1-2周),指導(dǎo)教師審核開(kāi)題報(bào)告、設(shè)計(jì)方案和英文資料翻譯。3. 2009年3月2日-4月24日(第3-10周),畢業(yè)設(shè)計(jì)單元部分設(shè)計(jì)。4. 2009年4月26日-5月1日(第10-11周),畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查。5. 2009年5月4日-5月22日(第12-14周),實(shí)體建模,整理、撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告。 6. 2009年5月25日-6月5日(第15-16周)上交畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告,指導(dǎo)教師、評(píng)閱教師審查評(píng)閱設(shè)計(jì)報(bào)告,畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯,學(xué)生修改整理設(shè)計(jì)報(bào)告。1河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))課題審核表院(系)名稱機(jī)電學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師姓名付素芳課題名稱基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真課題來(lái)源自選課題立題理由和所具備的條件機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果,代表了機(jī)電一體化的最高成就,是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。工業(yè)機(jī)械手的性能,要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度,增加機(jī)構(gòu)的自由度,提高通用性和靈活性,同時(shí)還要求降低成本,控制簡(jiǎn)單,安全可靠。因此,工業(yè)機(jī)械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。而且,學(xué)院已經(jīng)具備了研究該領(lǐng)域的相關(guān)軟件和硬件設(shè)施。因此,就有必要進(jìn)行立題研究。教研室審批意見(jiàn)教研室主任簽字: 年 月 日畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))工作領(lǐng)導(dǎo)小組審批意見(jiàn)組長(zhǎng)簽字: 年 月 日注:本表存院(系)備查。目 錄 1 引言 .1 1.1 工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀 .1 1.2 工業(yè)機(jī)械手的功能及應(yīng)用 .1 1.3 本文研究?jī)?nèi)容及研究意義 .3 2 工程機(jī)械仿真簡(jiǎn)介 .3 2.1 概述 .3 2.2 工程機(jī)械仿真的思想、內(nèi)容和特點(diǎn) .3 2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)概念 .4 2.4 工程機(jī)械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì) .4 3 PRO/E 功能介 紹 .5 3.1 引言 .5 3.2 PRO/E 對(duì)三維模型的處理 .5 3.2.1 Pro/E 的三維模型創(chuàng)建功能 .5 3.2.2 Pro/E 建模的一般過(guò)程 .6 3.2.3 利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì) .6 3.3 PRO/E 的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì) .6 4 ADAMS 功能介 紹 .9 4.1 ADAMS 概述 .9 4.2 ADAMS 基本功能 .9 4.3 ADAMS 和 PRO/E 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 .11 5 仿真分析 .12 5.1 仿真流程圖 .12 5.2 模型建立 .13 5.2.1 利用 Pro/E 建立機(jī)構(gòu)模型 .13 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效 轉(zhuǎn)換 .14 5.3 ADAMS 仿真 .15 5.3.1 仿真設(shè)置 .15 5.3.2 仿真結(jié)果 .15 6 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .17 6.1 建立坐標(biāo)系 .17 6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 .17 7 結(jié)束語(yǔ) .19 參考文獻(xiàn) .20 致謝 .21 1 1 引言 1.1 工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀 隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展,機(jī)器人仿真系統(tǒng)在 機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究方面,發(fā)揮 著重要的作用,它可 應(yīng) 用于機(jī)器人的許多方面,已 成為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支。例如:可幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形 態(tài)及極限;還能幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)與合理性;可用于分析 檢驗(yàn)軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)劃的正確性與合理性;可為離線編程技術(shù)的研究提供一種 極為有效的驗(yàn)證手段;可以用于實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境之間的碰撞與干涉以 保證整個(gè)生產(chǎn)單元的安全等。此外,仿真技術(shù)還可以幫助用戶選擇適合特定作業(yè) 環(huán)境的機(jī)器人類型。 機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、 計(jì)算 機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果,代表了機(jī)電一 體化的最高成就,是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。 工業(yè)機(jī)械手的性能,要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度,增加機(jī)構(gòu)的自由度, 提高通用性和靈活性,同時(shí)還 要求降低成本,控制 簡(jiǎn)單 ,安全可靠。因此,工業(yè)機(jī) 械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。 多自由度機(jī)械手已經(jīng)得到了廣泛的研究,但自由度較少的工業(yè)機(jī)械手,以其 造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、定位精度高、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),有極 高的性價(jià)比,在實(shí)際工業(yè)市 場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手由于精 度高、運(yùn)動(dòng)速度快,串聯(lián)四自由度導(dǎo)致其靠后的驅(qū)動(dòng)電 機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)都位于運(yùn)動(dòng) 著的臂上,導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加,系統(tǒng)動(dòng)力性能惡化;又由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)求正解較容 易,而求逆解則較困難,因此運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算困 難, 導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中必須放寬 各種設(shè)計(jì)參數(shù);還因?yàn)闄C(jī)器較重,并進(jìn)一步導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)部分變大,系統(tǒng)響應(yīng)速度降 低,大型驅(qū)動(dòng)部分難以取得 較高的精度。 1.2 工業(yè)機(jī)械手的功能及應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成 許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等,應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化 水平越來(lái)越高,現(xiàn)代化加工 車間,常配有機(jī)械手,以提高生 產(chǎn)效率,完成工人難 以完成的或者危險(xiǎn)的工作??墒窃跈C(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生 產(chǎn)很大程度上不 2 是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn);金屬 加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零 件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從 這里可以看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī) 械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的 工作有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序,機(jī) 械手加工行業(yè)中用于取料、送料,澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。下面具體 說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。 (1) 建造旋轉(zhuǎn) 零件(轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類、環(huán)類)自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類生產(chǎn)線很多,如沈陽(yáng)永泵 廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線(環(huán)類),大連電機(jī)廠的 4 號(hào)和 5 號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自 動(dòng)線(軸類),上海拖拉機(jī)廠的 齒坯自動(dòng)線(盤(pán)類)等。加工箱體類零件的組合機(jī)床 自動(dòng)線,一般采用隨行夾具 傳送工件,也有采用機(jī)械手的,如上海 動(dòng)力機(jī)廠的氣 蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 (2)在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 各類半自動(dòng)車床,有自動(dòng)加緊、 進(jìn)刀、切削、退刀和松開(kāi)的功能,但仍需人工 上下料;裝上機(jī)械手,可實(shí)現(xiàn) 全自動(dòng)化生產(chǎn),一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前,機(jī)械手在 這方面應(yīng)用很多,如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手,大連 第二車床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手,沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械 手,青海第二機(jī)床廠的滾銑 花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng) 驗(yàn),國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手,或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提 供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手(生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工 位機(jī)床)和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán),裝上機(jī)械手 的自動(dòng)裝卸工件,可實(shí)現(xiàn)全自 動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面: 一是 160t 以上的沖床用機(jī)械手的較多,如沈陽(yáng)低 壓 開(kāi)關(guān)廠 200t 環(huán)類沖床磁力起 重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等;二是用于多工 位沖床,用作沖壓件工位間 步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的 120t 和 40t 多工位沖床 機(jī)械手等。 (3)鑄、鍛、 焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面,國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、5t、10t 模鍛錘,其所配的轉(zhuǎn)底爐,用兩只 機(jī)械手成一定角度布置在爐前,實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化,上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī) 廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等已有較 成熟的經(jīng)驗(yàn)。 3 1.3 本文研究?jī)?nèi)容及研究意義 本文所介紹的方法是使用Pro/Engineer 進(jìn)行3D 建模,并使用ADAMS 進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程中,使用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算實(shí)際機(jī)械手 的運(yùn)動(dòng)與受力特征,指導(dǎo)3D 設(shè)計(jì)過(guò)程的方法,可以降低機(jī)械手的開(kāi)發(fā)周期,降 低了機(jī)械手的開(kāi)發(fā)成本;機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,還具有進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)無(wú)法比擬的 其他優(yōu)勢(shì),包含可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè) 機(jī)械手的下一步的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,通過(guò)更改機(jī)械手的控 制算法,可以降低機(jī)械手的能耗、反應(yīng)時(shí)間,而且還 具有及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)、再 次進(jìn)行仿真、避免重復(fù)的實(shí) 物建造等一系列降低費(fèi)用、縮短開(kāi)發(fā)周期的優(yōu)點(diǎn)。 2 工程機(jī)械仿真簡(jiǎn)介 2.1 概述 建國(guó)以來(lái),工程機(jī)械行業(yè)從無(wú)到有,從弱到強(qiáng),走過(guò) 了波瀾壯闊的 60 年風(fēng)雨 歷程,為 我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè) 做出了重要貢獻(xiàn)。工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)領(lǐng) 域在自主創(chuàng)新、品牌建設(shè)、出口創(chuàng)匯等方面的典范,涌現(xiàn)了一批在國(guó)內(nèi)外有影響 力的人物、企業(yè)、品牌。 2.2 工程機(jī)械仿真的思想、內(nèi)容和特點(diǎn) 工程機(jī)械是否具有優(yōu)良品質(zhì)、使用性能和可靠性水平,取決于采用先進(jìn)的設(shè) 計(jì)理論和方法手段產(chǎn)生的優(yōu)化的零部件及機(jī)器整體的結(jié)構(gòu)形狀。工程機(jī)械仿真 設(shè) 計(jì)的基本思想、 內(nèi)容是: 建立以機(jī)器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化準(zhǔn)則, 在相似的使用條件下,從結(jié)構(gòu)尺寸相似的現(xiàn)有機(jī)器產(chǎn)品系列中篩選出技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)和效益指標(biāo)最優(yōu)的機(jī)器作為樣機(jī),然后根據(jù)描述機(jī)器技術(shù)形態(tài)和工作過(guò)程 的數(shù)學(xué)方程,運(yùn)用相似理論推導(dǎo)出設(shè)計(jì)機(jī)器與樣機(jī)參數(shù)間的相似公式,利用計(jì)算 機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理,迅速將優(yōu)化樣機(jī)參數(shù)換算到要設(shè)計(jì)的機(jī)器上,并根據(jù)所得新 機(jī)器的主要參數(shù)和樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與圖形,繪制出設(shè)計(jì)機(jī)器的圖紙。仿真設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 主要是理論性強(qiáng)、速度快、費(fèi)用低,是工程機(jī)械研制新機(jī)器的良好途徑,它不僅 對(duì)提高機(jī)器的開(kāi)發(fā)速度,保證設(shè)計(jì)質(zhì)量有良好的實(shí)用價(jià)值,而且對(duì)引進(jìn)機(jī)器設(shè)備 的仿制及系列化具有重要作用。 4 2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)概念 參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。 采用參數(shù)化模型,通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改和控制幾何形狀,從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精 確造型。這些重要的幾何參數(shù)包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢量 等。 參數(shù)化技術(shù)以約束為核心,是一種比約束自由造型技術(shù)更新穎、更好的造型 技術(shù)。該 技術(shù)具有以下 3 個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn): ( 1 ) 設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低。無(wú)需精通繪圖,只需勾繪草圖即可,提高 了設(shè)計(jì)的柔性。 ( 2 ) 便于系列化設(shè)計(jì)。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計(jì)成型后 通過(guò)修改尺寸得到。 ( 3 ) 便于隨時(shí)編輯 、修改,能滿足反復(fù)設(shè)計(jì)要求。 2.4 工程機(jī)械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì) 工程機(jī)械各個(gè)機(jī)構(gòu)由很多的零部件構(gòu)成,其中存在大量的相似件,同一系列 的機(jī)型之間也有大量的相似件。在傳統(tǒng)的二維、 三維設(shè)計(jì)方法上,需要對(duì)每一個(gè) 零部件進(jìn)行分別建模,這就必然要求占用較多的時(shí)間和空間,浪費(fèi)更多的精力, 而且在對(duì)零部件進(jìn)行修改時(shí),需要改動(dòng)的參數(shù)也比較多,花費(fèi)大量的時(shí)間和精力, 對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)效率成為主題。 5 3 Pro/E 功能介紹 3.1 引言 Pro/E 是全方位的 3D 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件包,和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER(造型設(shè) 計(jì))、Pro/MECHANICA(功能仿真),集合了零件設(shè)計(jì) 、產(chǎn)品裝配、模具開(kāi)發(fā)、加工 制造、鈑 金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有 限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能,從而使用戶縮短了 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了 開(kāi)發(fā)的流程,國(guó)際上有 27000 多企業(yè)采用了 PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng),作為企 業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 3.2 Pro/E 對(duì)三維模型的處理 3.2.1 Pro/E 的三維模型創(chuàng)建功能 特 征 造 型 是 幾 何 造 型 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ,它 對(duì) 諸 如 零 件 形 狀 、尺 寸 、工 藝 、功 能 等 相 關(guān) 信 息 的 綜 合 描 述 更 直 觀 和 更 具 工 程 含 義 ?;?于 特 征 的 造 型 系 統(tǒng) 一 般 先 將 大 量 的 標(biāo) 準(zhǔn) 特 征 或 用 戶 自 定 義 特 征 存 入 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ,在 設(shè) 計(jì) 階 段 調(diào) 用 特 征 庫(kù) 中 的 特 征 作 為 基 本 造 型 單 元 進(jìn) 行 建 模 ,再 逐 步 輸 入 幾 何 信 息 、工 藝 信 息 ,建 立 零 件 的 特 征 數(shù) 據(jù) 模 型 ,并 將 其 存 入 數(shù) 據(jù) 庫(kù) ?;?于 特 征 的 造 型 方 法 大 大 地 提 高 了 設(shè) 計(jì) 效 率 和 質(zhì) 量 ,同 時(shí) 在 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 中 設(shè) 計(jì) 人 員 可 方 便 地 進(jìn) 行 特 征 的 合 法 性 、 相 關(guān) 性 檢 查 ,便 于 組 織 復(fù) 雜 的 特 征 。特 征 建 模 過(guò) 程 實(shí) 際 上 是 一 系 列 特 征 的 累 加 過(guò) 程 。 在 三 維 建 模 中 主 要 有 以 下 3 種 特 征 : (1)實(shí) 體 特 征 它 是 構(gòu) 建 三 維 模 型 的 基 本 單 元 和 主 要 設(shè) 計(jì) 對(duì) 象 。實(shí) 體 特 征 可 以 是 正 空 間 特 征 (如 實(shí) 體 的 突 出 部 分 ),也 可 以 是 負(fù) 空 間 特 征 (如 實(shí) 體 上 的 孔 、 槽 等 )。在 Pro/E 中 ,根 據(jù) 建 模 方 式 和 原 理 的 差 異 ,把 實(shí) 體 特 征 進(jìn) 一 步 分 為 基 礎(chǔ) 特 征 和 工 程 特 征 ?;?礎(chǔ) 特 征 是 三 維 模 型 設(shè) 計(jì) 的 起 點(diǎn) ,包 括 拉 伸 特 征 、旋 轉(zhuǎn) 特 征 、掃 描 特 征 和 混 合 特 征 等 ;工 程 特 征 是 在 基 礎(chǔ) 特 征 上 的 附 加 特 征 ,它 的 創(chuàng) 建 依 賴 于 已 存 在 的 基 礎(chǔ) 特 征 ,是 有 一 定 工 程 應(yīng) 用 價(jià) 值 的 特 征 ,包 括 孔 特 征 、 肋 特 征 、倒 角 特 征 和 拔 模 特 征 等 。 (2)曲 面 特 征 它 是 一 種 沒(méi) 有 質(zhì) 量 和 體 積 的 幾 何 特 征 ,對(duì) 曲 面 的 精 確 描 述 比 較 復(fù) 雜 ,在 目 前 三 維 造 型 中 通 常 采 用 “B 樣 條 曲 線 ”為 基 礎(chǔ) ,通 過(guò) 曲 率 分 布 6 圖 對(duì) 曲 線 進(jìn) 行 編 輯 ,進(jìn) 而 得 到 高 質(zhì) 量 的 曲 面 造 型 。曲 面 特 征 主 要 用 于 產(chǎn) 品 的 概 念 設(shè) 計(jì) 、外 形 設(shè) 計(jì) 和 逆 向 工 程 等 設(shè) 計(jì) 領(lǐng) 域 。 (3)基 準(zhǔn) 特 征 指 參 數(shù) 化 設(shè) 計(jì) 的 基 準(zhǔn) 點(diǎn) 、基 準(zhǔn) 軸 、基 準(zhǔn) 曲 線 、基 準(zhǔn) 平 面 和 坐 標(biāo) 系 等 。一 般 來(lái) 說(shuō) ,基 準(zhǔn) 特 征 主 要 用 于 輔 助 三 維 模 型 的 創(chuàng) 建 。 3.2.2 Pro/E 建模的一般過(guò)程 建模的各個(gè)過(guò)程有機(jī)地結(jié)合起來(lái),形成一個(gè)整體,整個(gè)建模過(guò)程就是基于特 征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù) 確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系,尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對(duì)距 離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)確控制和修改所建立的三維模型。 Pro/E 建模的一般過(guò)程如下: (1) 建立或選 取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn):如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基 準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照; (2) 建立基礎(chǔ)實(shí) 體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。利用 Pro/E 建模首先從整 體研究將要建模的零件,分析其特征組成,明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系, 確定零件特征的創(chuàng)建順序,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。通 過(guò)二 維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來(lái)實(shí)現(xiàn) 三維實(shí)體模型的構(gòu)建。 Pro/E 三維模型將線框、曲面和 實(shí)體三者結(jié)合起來(lái); (3) 建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等; (4) 特征的修改:特征 陣列、特征復(fù)制等編輯操作; (5) 添加材質(zhì) 和渲染處理。 3.2.3 利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì) 系列化設(shè)計(jì)是指對(duì)于某些基本形狀相似的零件,通過(guò)修改參數(shù)即可自動(dòng)生 成新的系列化零件的設(shè)計(jì)方法,系列化設(shè)計(jì)可大大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,提高設(shè)計(jì)效率。 Pro/ E 提供的族表實(shí)質(zhì)上是一電子表格, 該表格由行和列 組成。族表中由用戶建 立的零件為基礎(chǔ)零件(父零件),以基礎(chǔ)零件為基礎(chǔ),通過(guò)控制參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成的零 件為族成員(子零件) ,所有基礎(chǔ)零件和族成員的集合即為族表。 3.3 Pro/E 的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì) Pro/E 獨(dú)樹(shù)一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的 設(shè)計(jì)、制造方法。與其 他同類三維軟件(MDT、UG 、CATIA 等)相比, Pro/ENGINEER 的不同之處在于 7 以下幾點(diǎn): 1 基于特征的(Feature-Based) Pro/E 是一個(gè)基于特征的(Feature-Based)實(shí)體模型建模工具,利用每次個(gè)別 建構(gòu)區(qū)塊的方式構(gòu)建模型。 設(shè)計(jì)者根據(jù)每個(gè)加工過(guò)程,在模型上構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)特 征。特征是最小的建構(gòu)區(qū)塊 ,若以 簡(jiǎn)單的特征建構(gòu)模型,在修改模型 時(shí),更有彈 性。 2 關(guān)聯(lián)的(Associative) 通過(guò)創(chuàng)建零件、裝配、繪圖等方式,可利用 Pro/ENGINEER 驗(yàn)證模型。由于 各功能模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的,如果改變裝配中的某一零件,系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)地在 該裝配中的其他零件與繪圖上反映該變化。 3 參數(shù)化(Parametric ) Pro/ENGINEER 為一參數(shù)化系統(tǒng),即特征之間存在相互關(guān)系,使得某一特征 的修改會(huì)同時(shí)牽動(dòng)其他特征的變更,以滿足設(shè)計(jì)者的要求。如果某一特征參考到 其他特征時(shí),特征之間即產(chǎn) 生父/子(parent/child)關(guān)系。 4 構(gòu)造曲面(surface) 復(fù)雜曲面的生成主要有三種方法:1)由外部的點(diǎn)集,生成三維曲線,再利用 Pro/E 下 surface 的功能生成曲面;2)直接輸入由 Pro/designer(造型設(shè)計(jì))產(chǎn)生的 曲面;3)利用 import(輸入)功能,以 IGES、 SET、VDA、Neutral 等格式,輸入由 其他軟件或三維測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的曲面。 5 在裝配圖中構(gòu)建實(shí)體 根據(jù)已建好的實(shí)體模型,在裝配(component)中,利用其特征(平面,曲面或 軸線)為基準(zhǔn),直接構(gòu)建(Create)新的實(shí)體模型。這樣建立的模型便于裝配,在系 統(tǒng)默認(rèn)(default)狀態(tài)下,完成裝配。 在產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)之前,首先要搞清楚利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟或流程。使用 PRO/E 一般要遵循一定的流程: (1)確定產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu) 分析產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu),確定將產(chǎn)品分為幾部分,根據(jù)產(chǎn)品的特征,建立特征 曲線,使用 PRO/E 可接受的造型方法,構(gòu)建產(chǎn)品的主體 輪廓。例如,可將 電飯煲 分為三部分:鍋蓋總成、按 鍵總成、 鍋體總成。在設(shè)計(jì)時(shí) ,可先將鍋蓋、鍋體、按鍵 作為一體來(lái)考慮,設(shè)計(jì)完成后,用分模的方法分為三部分,按鍵的形狀及裝配位 置要同鍋體的曲面配合,因此,該產(chǎn)品應(yīng)按照鍋蓋部分、鍋體部分、按鍵部分的 順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (2)建模 按照 PRO/E 建模的規(guī)則,使用各種適當(dāng)?shù)慕7椒?,建立主體模型。其設(shè)計(jì) 8 思路是由簡(jiǎn)到繁,由基本到復(fù)雜,復(fù) 雜的幾何體都是由一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何特征組合 構(gòu)成的。 (3)修剪曲面 使用 SURFACE 菜單下的各種選項(xiàng),如 MERGE(融合曲面),包括:JOIN (連 接)、INTERSECT(相交)、TRIM(修剪曲面)、 EXTEND(延伸曲面)等, 對(duì)曲面進(jìn) 行修剪、編輯,完成模型的初步設(shè)計(jì)。 (4)曲面檢測(cè) 檢查曲面光滑度、曲率變化的連續(xù)性等項(xiàng)目,來(lái)確 認(rèn)曲面是否符合設(shè)計(jì)要求。 一般情況下,對(duì)曲面進(jìn)行渲染 RENDER 或 SHADING 處理,通過(guò) VISIBILITY(可見(jiàn)度)、TRANSPARENCY (透明度)、 LIGHT(燈光設(shè)置)等手段, 產(chǎn)生高清晰度的曲面,判斷曲面的光滑性。此外,還可以用 ANALYSIS- SURFACE ANALYSIS 工具,對(duì)曲面的最小曲率半徑、最大曲率半徑、高斯曲率 (GAUSS CURVATURE)等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè),從曲率圖表、彩色圖象的顏色變化, 可以直觀地了解曲面的光滑性。如果曲面的外觀質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求,可以修改 曲面的參數(shù),以得到效果符合要求的曲面。由于 PRO/E 軟件的基本特征之一就 是參數(shù)化,通過(guò)改變參數(shù)實(shí)現(xiàn) 曲面的變化是很容易的。 6 圓順邊角 在建立 CAD 模型時(shí),特征與特征之間存在父/ 子關(guān)系,如果增加特征或修改 特征,則 會(huì)引起邊、面的改變,從而導(dǎo)致圓角特征失 敗,因此,邊、面的圓角或光 滑過(guò)度一般在模型設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行。Pro/E 提供強(qiáng)大的 圓角功能,可以完成單一 邊界、多 邊界,單一半徑、 變半徑的圓角。此外利用軟件提供的 Advanced Round(高級(jí)圓 角功能),通 過(guò)指定圓角的形式、 圓角相交 時(shí)截面的形狀,可達(dá)到 圓順部分不同的外觀效果,是區(qū)別于其他三維軟件的特色之一。在實(shí)際使用過(guò)程 中,筆者發(fā)現(xiàn)倒圓角有一定的先后順序,遵循由大到小、先凹后凸的原 則,一般 可獲得成功。如果產(chǎn)生失敗 ,采用改 變圓角順序、Boundary(邊界曲面)和特征結(jié) 合使用的方法,往往能得到滿意的效果。 最后,Pro/Engineer Wildfire 版本更加完善了軟件的用戶界面和功能,其中包 含了目前國(guó)際上先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想,如 To-down 設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、 柔性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)技術(shù),在 進(jìn)一步推廣和使用 Pro/E 軟件的同時(shí),這些先 進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中,與其他三維造型設(shè)計(jì)軟件相比, Pro/E 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有特殊的優(yōu)勢(shì),將 Pro/E 運(yùn)用到產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的各個(gè)環(huán)節(jié)必將全面推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步,與世界先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 技術(shù)接軌。 9 4 ADAMS 功能介紹 4.1 ADAMS 概述 ADAMS,即 機(jī) 械 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 自 動(dòng) 分 析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),該 軟 件 是 美 國(guó) MDI 公 司 (Mechanical Dynamics Inc.)開(kāi) 發(fā) 的 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 軟 件 。目 前 ,ADAMS 已 經(jīng) 被 全 世 界 各 行 各 業(yè) 的 數(shù) 百 家 主 要 制 造 商 采 用 。根 據(jù) 1999 年 機(jī) 械 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 仿 真 分 析 軟 件 國(guó) 際 市 場(chǎng) 份 額 的 統(tǒng) 計(jì) 資 料 ,ADAMS 軟 件 銷 售 總 額 近 八 千 萬(wàn) 美 元 、占 據(jù) 了 51%的 份 額 ,現(xiàn) 已 經(jīng) 并 入 美 國(guó) MSC 公 司 。 ADAMS 軟 件 使 用 交 互 式 圖 形 環(huán) 境 和 零 件 庫(kù) 、約 束 庫(kù) 、力 庫(kù) ,創(chuàng) 建 完 全 參 數(shù) 化 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) 幾 何 模 型 ,其 求 解 器 采 用 多 剛 體 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 理 論 中 的 拉 格 郎 日 方 程 方 法 ,建 立 系 統(tǒng) 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 ,對(duì) 虛 擬 機(jī) 械 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 靜 力 學(xué) 、運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 和 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 ,輸 出 位 移 、速 度 、加 速 度 和 反 作 用 力 曲 線 。ADAMS 軟 件 的 仿 真 可 用 于 預(yù) 測(cè) 機(jī) 械 系 統(tǒng) 的 性 能 、運(yùn) 動(dòng) 范 圍 、碰 撞 檢 測(cè) 、峰 值 載 荷 以 及 計(jì) 算 有 限 元 的 輸 入 載 荷 等 。 ADAMS 一 方 面 是 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 的 應(yīng) 用 軟 件 ,用 戶 可 以 運(yùn) 用 該 軟 件 非 常 方 便 地 對(duì) 虛 擬 機(jī) 械 系 統(tǒng) 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 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 開(kāi) 發(fā) 工 具 ,其 開(kāi) 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 虛 擬 樣 機(jī) 分 析 的 二 次 開(kāi) 發(fā) 工 具 平 臺(tái) 。 ADAMS 軟 件 由 基 本 模 塊 、擴(kuò) 展 模 塊 、接 口 模 塊 、專 業(yè) 領(lǐng) 域 模 塊 及 工 具 箱 5 類 模 塊 組 成 ,用 戶 不 僅 可 以 采 用 通 用 模 塊 對(duì) 一 般 的 機(jī) 械 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 仿 真 , 而 且 可 以 采 用 專 用 模 塊 針 對(duì) 特 定 工 業(yè) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 問(wèn) 題 ,進(jìn) 行 快 速 有 效 的 建 模 與 仿 真 分 析 。 4.2 ADAMS 基本功能 ADAMS 軟件提供的分析類型如下: (1)結(jié)構(gòu)靜力分析 用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力,靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì) 結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。 ADAMS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析, 而且也可以進(jìn)行非線性分析,如塑性、蠕變、膨脹、大 變形、大應(yīng)變及接觸分析。 (2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 10 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響,與靜力 分析不同,動(dòng)力分析要考慮 隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響???進(jìn)行 ADAMS 的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 類型包括:瞬態(tài)動(dòng) 力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響 應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 (3)結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ADAMS 程序可 求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題,包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 (4)動(dòng)力學(xué)分析 ADAMS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn) 動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí), 可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性,并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的 應(yīng)力、應(yīng)變 和變形。 (5)熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型 均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析, 熱分析還 具有可以模擬材料固化和熔 解過(guò)程的相變分析能力以及摹擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 (6)電磁場(chǎng)分析 主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析,如電感、 電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、 磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、 電路和能量損失等, 還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電 機(jī)、變換 器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 (7)流體動(dòng)力學(xué)分析 ADAMS 流體 單元能進(jìn)行流體 動(dòng)力學(xué)分析,分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài),分 析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率,并且可以利用后處理功 能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外,還 可以使用三維表面效應(yīng)單元 和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 (8)聲場(chǎng)分析 程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播,或分析浸在流 體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。 這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng),研究音 樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布,或 預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 (9)壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC(交流)、DC(直流)或任意隨 時(shí)間變化的電 流或機(jī)械載荷的響應(yīng),這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、 諧振器、麥克風(fēng)等 部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分析:靜態(tài)分析、 模態(tài)分析、 諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。 11 4.3 ADAMS 和 Pro/E 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 要對(duì)一種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行比較精確的動(dòng)力學(xué)仿真研究,一種比較流行 的解決方案就是用專業(yè)的 CAD 軟件和專業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合建模,即 先用專業(yè)的 CAD 軟件精確建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)各零部件的三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)裝 配圖,而后 轉(zhuǎn)化到專業(yè)的動(dòng) 力學(xué)仿真軟件下添加復(fù)雜的力和約束,最終形成系統(tǒng) 的虛擬樣機(jī),并在樣機(jī)上對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。但由于當(dāng)前沒(méi)有一款軟件 同時(shí)具有專業(yè) CAD 建模和專業(yè)動(dòng)力學(xué)仿真的功能,通常選用的 CAD 軟件和動(dòng) 力學(xué)仿真軟件是兩個(gè)不同公司的產(chǎn)品,這就存在兩個(gè)軟件傳遞過(guò)程中“ 有縫聯(lián)接” 的處理問(wèn)題。 目前國(guó)內(nèi)這方面研究的一種常見(jiàn)組合是美國(guó) PTC 公司的 Pro/E 和美國(guó) MDI 公司的 ADAMS,故對(duì)于從事復(fù)雜機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真研究的 ADAMS 工程師 而言,正確處理 Pro/E 和 ADAMS 的傳遞是確保仿真效果的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì) 于 Pro/E 和 ADAMS 的傳遞 ,用 MDI 公司提供的專 用接口模塊 Mechanism/Pro 比較方便,定義好零部件的 單位和密度是最基本的要求。 如今,MDI 公司已 經(jīng)發(fā)布了 ADAMS10.0 版本,10.0 新版本是在 9.0 軟件的 基礎(chǔ)上研發(fā)的,與其有很好的兼容性,它延續(xù)了 ANSYS 一貫強(qiáng)大的耦合場(chǎng)技術(shù), 10.0 版本為復(fù)雜的流固耦合(FSI)問(wèn)題提供了更完善的解決方案。該版本整合了 世界一流的應(yīng)力分析和流體分析技術(shù),形成了一套完整的 FSI 解決方案,通 過(guò)適 合于特定場(chǎng)要求的網(wǎng)格劃分,一個(gè)單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場(chǎng)。該版本提供 了有效地解決 FSI 動(dòng)力學(xué)分析的信息交換功能,目前市場(chǎng)上沒(méi)有任何其他的 FSI 軟件可以提供如此強(qiáng)大的穩(wěn)健性和高度的精確性的分析。另外,該版本可以在多 個(gè)機(jī)群進(jìn)行并行處理解決超大模型。 12 5 仿真分析 5.1 仿真流程圖 基于 ADAMS 的建模功能并不 強(qiáng)大,只能建一些簡(jiǎn)單的模型。所以本文先采 用專業(yè)的 CAD 軟件 ProE 建立機(jī)械手的機(jī)構(gòu)模型, 然后通過(guò) MechanismPro 口模塊導(dǎo)入 ADAMS 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 學(xué)仿真。整個(gè)仿真流程如 圖 1 所示: 三 P r o / E 三 三 三 三 三 三 三 三 三 A D A M S 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 三 Y N 圖 1 仿真計(jì)算流程 13 5.2 模型建立 5.2.1 利用 Pro/E 建立機(jī)構(gòu)模型 圖2即為在CAD軟件ProE中所建立的機(jī)械手機(jī)構(gòu)模型。假設(shè)各桿件質(zhì)量分 布勻,且為剛體,圖中可以清楚地看到該機(jī)械手由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕 以及夾持器幾部分構(gòu)成,其中腰部與機(jī)座之間、大臂與腰部之間、小臂與大臂之 間分別通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接。此三個(gè)關(guān) 節(jié)的作用是使與其 連接的桿件構(gòu)成相對(duì)轉(zhuǎn) 動(dòng),即機(jī)械手的三個(gè)自由度,它們決定了機(jī)械手末端在空間中的位置,機(jī)械手的 腕部有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接,包含 滾轉(zhuǎn)和俯仰共兩個(gè)自由度,他們決定了機(jī)械手在 空間中的姿態(tài)。機(jī)械手的技 術(shù)參數(shù)如表1所示。 圖 2 機(jī)械手模型 表 1 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 關(guān)節(jié)數(shù) 關(guān)節(jié)類型 關(guān)節(jié)變量范圍 1 R(腰部回轉(zhuǎn)) 130130 2 R(大臂俯仰) 45135 3 R(小臂俯仰) 1800 4 R(腕部回轉(zhuǎn)) 180180 5 R(腕部俯仰) 22545 該機(jī)械手可看作一個(gè)開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈,由連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。開(kāi)鏈的一 端固定在地面基座上,另一端是自由的,安裝著工具(或稱為末端執(zhí)行器),用來(lái) 完成各種作業(yè)。整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是由分別安裝在每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的步進(jìn)電機(jī) 14 驅(qū)動(dòng),經(jīng)諧波減速器減速后帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng),只要 給定各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值,機(jī)械手 就可以以一定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)到指定位置。如果給定機(jī)械手初態(tài)和末態(tài)位置坐標(biāo),也可 以測(cè)出機(jī)械手各關(guān)節(jié)角度值及其隨時(shí)間的變化規(guī)律曲線。在創(chuàng)建3D模型之前,最 好定義各種材料的零件的模板。在建模過(guò)程中, 嚴(yán)格按照零件材料選用模板,可 以減少輸入密度的工作。對(duì)于各種電機(jī), 傳感器等多種材料的不見(jiàn),需要 計(jì)算出 密度并輸入相應(yīng)的模型中。下面給出機(jī)械手的裝配圖。如圖3所示: 圖3 機(jī)械手裝配圖 在裝配過(guò)程中,對(duì)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間,在 Pro/Engineer中使用關(guān)節(jié)裝配方 式,可以省去部分在ADAMS中工作。 在添加約束的過(guò)程中,需要詳細(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副,本文中主要是轉(zhuǎn)動(dòng)副和 旋轉(zhuǎn)副。 5.2.2 ADAMS 仿真模型等效轉(zhuǎn)換 我們利用ProE 與ADAMS 軟件的接口MechanismPro ,將機(jī)構(gòu)模型 轉(zhuǎn) 入ADAMS中。由于 Pro/E和 ADAMS來(lái)自兩個(gè)不同的公司,兩者間屬“ 有縫連接”, 兩者間不同的圖形格式在轉(zhuǎn)換時(shí)一些圖形元素可能會(huì)丟失,此時(shí)需要返回并做 相應(yīng)的修改,進(jìn)一步完善模型,確保無(wú) 誤后添加約束及 驅(qū)動(dòng)。 對(duì)于本論文中的機(jī) 械手主要包括固定副,關(guān)節(jié) 的旋轉(zhuǎn)副及驅(qū)動(dòng),各部件的約束關(guān)系盡可能與實(shí)際系 統(tǒng)相一致,最終形成系統(tǒng)的虛 擬樣機(jī)。此 時(shí)的樣機(jī)包含兩部分,一部分為大地(固 定件) 模型,另一部分 為運(yùn)動(dòng)件模,各關(guān) 節(jié)的連接關(guān)系可以在ADAMS的信息窗口 中看到。接下來(lái)就可以進(jìn)行仿真分析了。 15 5.3 ADAMS 仿真 5.3.1 仿真設(shè)置 本次仿真主要觀察在給定機(jī)械手五個(gè)關(guān)節(jié)角的值后,讓機(jī)械手的末端達(dá)到一 定位姿,要求機(jī)械手的前三個(gè)關(guān)節(jié)先動(dòng),之后腕部關(guān) 節(jié)再旋轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)。首先 ADAMS定義 的運(yùn)動(dòng)可以是與時(shí)間有關(guān)的位移、速度和加速度,默認(rèn)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng) 的速度定義為常數(shù)。我們可以通 過(guò)三種方法自定義運(yùn)動(dòng)值: (1)輸入移動(dòng)或旋 轉(zhuǎn)的速度。在默認(rèn)情況下,輸入的轉(zhuǎn)速單位為度單位時(shí)間, 輸入的移動(dòng)單位為長(zhǎng)度/單位時(shí)間。 (2)使用函數(shù)表達(dá)式。 (3)輸入自編函數(shù)子程序的傳遞參數(shù)。還可以編一個(gè)子程序定義非常復(fù)雜的 運(yùn)動(dòng),此 時(shí),在參數(shù)欄輸入的是傳遞給子程序的參數(shù),本次仿真使用的是第二種 方法,輸 入函數(shù)。ADAMS提供了很多函數(shù),這里使用五個(gè)STEP函數(shù)來(lái)定義五個(gè) 旋轉(zhuǎn)副的運(yùn)動(dòng)。具體如下: Motion1_jizuo_yao:step(time,0,0,1,90d) Motion2_dabi_yao:step(time,0,0,1,45d) Motion3_xiaobi_dabi:step(time,0,0,1,-90d) Motion4_wanl_xiaobi:(time,1,0,2,-90d) Motion5_wan2_wan1:(time,2,0,3,-135d) 設(shè)定仿真時(shí)間為3 S ,仿真步數(shù)為200。 5.3.2 仿真結(jié)果 在仿真結(jié)束后,進(jìn)行測(cè)量輸出。 ADAMS提供了兩種類型的測(cè)量,一種是預(yù)先 定義好的自動(dòng)輸出結(jié)果的測(cè)量,如:構(gòu)件、點(diǎn)、柔性件、力、運(yùn) 動(dòng)副等對(duì)象的位移、 速度和加速度、動(dòng)能和勢(shì)能、力等有關(guān)信息;另一種是用戶自定義的測(cè)量。 ADAMS的測(cè) 量功能非常廣泛,不僅可以在仿真分析過(guò)程中跟蹤繪制感興趣的變 量,以便跟蹤了解仿真分析過(guò)程,同 時(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變量的 變化線。在 這里我們測(cè)量手部末端 WAN3隨時(shí)間的位移 變化,得圖4所示曲線圖。 圖4中可以清楚地看到機(jī)械手臂全部位移大部分集中在第一秒內(nèi),也就是說(shuō),要 腰關(guān)節(jié),肩關(guān) 節(jié),肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置,而腕部的 滾轉(zhuǎn)、俯仰兩 關(guān)節(jié)的作用是對(duì)手部姿態(tài)做調(diào)整,位移的 變化并不大。 16 圖4 手部末端位移曲線圖 圖5為機(jī)械手末端速度變化曲線圖,可以看到與實(shí)際情況是非常吻合的。 圖5 機(jī)械手末端速度變化曲線圖 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真后,還可測(cè)出各個(gè)關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)力, 這里只給出腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力曲線 圖,如圖6。 17 圖6 腕部驅(qū)動(dòng)力曲線圖 18 6 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 6.1 建立坐標(biāo)系 如圖 7 所示,建立坐標(biāo)系: 圖 7 三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移機(jī)械構(gòu)型圖 6.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 建立的坐標(biāo)系,O點(diǎn)為機(jī)座定位點(diǎn),以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐 標(biāo)系XOYOZO ,此 坐標(biāo)系即為世界坐標(biāo)系OXOYOZO;在A點(diǎn)建立機(jī)械手坐標(biāo)系A(chǔ)XAYAZA,XA指 向AB桿,Z 軸方向與ZO 一致,按右手笛卡 爾坐標(biāo)系確定 Y軸方向;在B點(diǎn)建立坐標(biāo) 系BXBYBZB ;在C點(diǎn)建立坐 標(biāo)系CXCYCZC,其中XC 指向DP方向;在D點(diǎn)建立坐 標(biāo)系DXDYDZD ,其中XD指向DP方向, P點(diǎn)工作點(diǎn)在 DXDYDZD中的坐標(biāo)為 (l3, 0, 0)。 從工件坐標(biāo)系向世界坐標(biāo)系的變換如下式(1): 19 (1) 其中l(wèi)1為AB 長(zhǎng)度,l2為BC段長(zhǎng)度,l3為DP長(zhǎng)度, l為CD間的距離,變量以X 表示 XOP YOP ZOP,以 表示 變量 1 2 3 l ,則可以用如下式(2)表達(dá)式(1): =f() (2) 由此可以解出末端坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位姿運(yùn)動(dòng),反解主要是求解位姿 運(yùn)動(dòng)方程(1)的反問(wèn)題,是由機(jī)械手的笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間的逆變換,即求解 1,2,3,l的過(guò)程。 此時(shí),由于只有三個(gè)方程,但卻有4個(gè)變量,即由于三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移,共四個(gè)自 由度導(dǎo)致可以出現(xiàn)無(wú)窮解 因此一般機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)反解的過(guò)程中,都需要限定其 他的條件,以在無(wú)窮解中選 取有窮解, 這種限定條件一般為:行程最短,功率最省, 受力最好,回避障礙或機(jī)械手在工作位置DP 臂相對(duì) 世界坐標(biāo)系成一固定夾角等, 有時(shí)候數(shù)種限定條件一起添加,以獲得最優(yōu)解。假 設(shè) 此處使用DP 臂與世界坐標(biāo)系 成一固定夾角和1最小為原則,即: 1+2+3= (3) 且 1取最小值。 由式(1)(2)(3)綜合,即可以求出運(yùn)動(dòng)方程的反解: =(X) (4) 對(duì)式(2)求一階、二階導(dǎo)數(shù),即可以得到在已知 1,2,3,1的情況下的P點(diǎn)的各 個(gè)坐標(biāo)位置,各坐標(biāo)方向的速度,各坐標(biāo)方向的加速度。 同理,對(duì)式(4)求一階,二階導(dǎo)數(shù),即可以得到在已知P點(diǎn)位置的情況下,綜合 限定條件就得到機(jī)械手各轉(zhuǎn)動(dòng)臂的角度、角速度、角加速度,以及平移的距離、 速度、加速度。 在創(chuàng)建3D模型之前,最好定 義各種材料的零件的模板。在建模過(guò)程中,嚴(yán)格 按照零件材料選用模板,可以減少輸入密度的工作,對(duì)于各種電機(jī), 傳感器等多 種材料的部件,需要計(jì)算出密度并輸入相應(yīng)的模型中。在裝配過(guò)程中, 對(duì)有運(yùn)動(dòng) 關(guān)系的零件之間,在 Pro/Engineer中使用關(guān)節(jié)裝配方式,可以省去部分在 ADAMS中工作,在添加 約 束的過(guò)程中,需要詳細(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副,本文中主要 是旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。 20 7 結(jié)束語(yǔ) 本文介紹的方法,通過(guò)對(duì)四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,使機(jī)械手的整 個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程直觀明了,同時(shí)測(cè) 量了手部末端的位移、速度隨時(shí)間的變化曲線,及 腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)機(jī)械手的 軌跡規(guī)劃及其控制奠定了基礎(chǔ),此技術(shù)可以進(jìn)一步 指導(dǎo)機(jī)械手的其他控制方面,如軌跡規(guī)劃,最 優(yōu)路徑 選擇, 誤差補(bǔ)償控制等各個(gè) 方面,簡(jiǎn) 化了設(shè)計(jì)過(guò)程,縮短了設(shè)計(jì)周期,減少開(kāi) 發(fā)費(fèi) 用,提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。 研制工業(yè)機(jī)械手越來(lái)越受到人們的關(guān)注,對(duì)機(jī)械手的研究也是日新月異。可 以想象,未來(lái)的工業(yè)機(jī)械手 勢(shì)必會(huì)有下面幾種發(fā)展趨勢(shì): 1工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修), 而單機(jī)價(jià)格不斷下降。 2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān) 節(jié)模 塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、 檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī),國(guó)外 已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化,器件集成度提高,控制柜日見(jiàn)小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng) 的可靠性、易操作性和可維 修性。 4機(jī)械手應(yīng)用普及,機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始 興起。 21 參考文獻(xiàn) 1 林清安.Pro/ENGINEER 野火 3.0 中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真.電子工業(yè)出版 社,2005 2 孫江宏,黃小龍,羅琨等.Pro/ENGINEER 野火版入門(mén)與提高.清華大學(xué)出版社. 2006 3 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣 機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高M(jìn).北京機(jī)械工業(yè)出版社.2005 4 蘇厚合,黃勝杰,林佩玲.PRO/ENGINEER2006 入門(mén)與提高.清華大學(xué)出版社. 2001 5 李軍,邢俊文等.ADAMS 實(shí)例教程M.北京理工大學(xué)出版社.2002 6 柳洪義,宋偉剛.器人技術(shù)基礎(chǔ)M.冶金工業(yè)出版社.2002 7 王炎,田世昌,孫光偉等.工業(yè)機(jī)器人控制自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用J.1986,5(3):1-8 8 王剛,孫學(xué)儉.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真問(wèn)題J.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào).1994,02(2):1-5 9 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