尹 芳，楊路飛，宋少云

(武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430023)

然而，對(duì)機(jī)械玩具進(jìn)行仿真的相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)期刊上很少見到。中科院自動(dòng)化研究所的張志剛等［1］從仿生學(xué)的角度出發(fā)，按照一系列步驟，編制了機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了由生物特征到機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)的過渡，方便了機(jī)器魚的設(shè)計(jì);廣東番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院的廖春藍(lán)［2］在SolidWorks中使用Animator對(duì)一個(gè)電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，作者發(fā)現(xiàn)它能夠把玩具的復(fù)雜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程生動(dòng)的表達(dá)出來，對(duì)于教學(xué)和科研都具有積極的意義。

筆者在對(duì)市場(chǎng)上數(shù)十種機(jī)械玩具做了測(cè)繪，建模和仿真后，研究了其中的一些關(guān)鍵技術(shù)并提出了一套解決方案。在仿真的玩具之中，一款白鰭豚頂球玩具設(shè)計(jì)最巧妙，也很有代表性，這里主要以它為例來闡述玩具動(dòng)力學(xué)仿真中的一些關(guān)鍵技術(shù)。

1 白鰭豚頂球玩具的運(yùn)動(dòng)原理及仿真方案

一個(gè)拆去了一半外殼的白鰭豚頂球玩具如圖1所示。該玩具在上緊發(fā)條以后，會(huì)出現(xiàn)兩種狀態(tài)。第一種狀態(tài)是白鰭豚站立，球在上方連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而身體則一頓一頓的往前移動(dòng);第二種狀態(tài)是到某個(gè)時(shí)刻，白鰭豚突然倒地，然后圍繞一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)圈，轉(zhuǎn)到一定圈數(shù)后，白鰭豚又突然直立，轉(zhuǎn)入第一種狀態(tài)。

圖1 白鰭豚玩具的三維模型

圖2是根據(jù)圖1繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。為清晰起見，這里面忽略了發(fā)條牙箱和玩具外殼。發(fā)條牙箱是一個(gè)靠卷簧驅(qū)動(dòng)的齒輪減速器，其高速軸與圖2中的標(biāo)準(zhǔn)齒輪3相連，而其低速軸則與變齒距的不完全齒輪4的軸相連接。這樣，從發(fā)條牙箱出發(fā)，有兩套獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)。上面一支，從標(biāo)準(zhǔn)齒輪3經(jīng)過冠齒輪2進(jìn)行速度變向，冠齒輪2與球1同軸，該軸可以在殼體的通孔中勻速回轉(zhuǎn)，這是一個(gè)頂球動(dòng)作，速度很快。另外一支，低速軸的運(yùn)動(dòng)從變齒距的不完全齒輪4傳出，傳到不完全齒輪6，而該齒輪上固定了白鰭豚的兩鰭6'。為了保證不完全齒輪6的回位，這里也使用了彈簧5。整套機(jī)構(gòu)最巧妙的地方就在齒輪4和齒輪6的設(shè)計(jì)上。齒輪4的變節(jié)距產(chǎn)生了一頓一頓的效果，而其無齒部分使得4和6發(fā)生脫離，在脫離的時(shí)候，由于從4到5的傳動(dòng)被中斷，從而使得兩鰭6'不能與地接觸，平衡被破壞而倒地，一旦倒地后，由于球1仍舊在轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)被地面所限制，從而產(chǎn)生一個(gè)靜摩擦力，該摩擦力對(duì)白鰭豚身體的觸地點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)力矩，驅(qū)動(dòng)白鰭豚開始定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 玩具殼外表面的曲面建模法

塑料玩具的外表面一般都是比較復(fù)雜的曲面，如何對(duì)這些復(fù)雜的曲面反求而進(jìn)行三維建模，有許多方法。經(jīng)過反復(fù)摸索，筆者得出了一種簡(jiǎn)化的建模方法(因白鰭豚玩具的外殼相對(duì)簡(jiǎn)單，這里以另一款金魚玩具的外殼建模來說明)。

首先，對(duì)現(xiàn)有的外殼表面數(shù)據(jù)點(diǎn)取樣。其方法如下。

(1)把玩具外殼放置在白紙上。

我來到了一座大廈前，大廈的玻璃幕墻上正在實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播著地球人和外星人大軍作戰(zhàn)的情況。只見外星人的飛碟紛紛被擊落了，眼看著人類就要?jiǎng)倮耍鋈挥袔准芡庑侨说娘w碟使用了吸物技術(shù)（一種能吸走輕型物體的科技），把地球士兵的氧氣面罩全部吸走。只見一排排剛才還在英勇作戰(zhàn)的士兵，丟掉了手中的武器，張著嘴巴大口地呼吸，但是空氣中沒有一點(diǎn)點(diǎn)氧氣！一排排的地球士兵漲著通紅的臉，成片地跪倒在地上，失去了戰(zhàn)斗力。形勢(shì)瞬間發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，地球人被外星人打敗了，失去抵抗能力的地球人被外星人的飛碟肆意攻擊……

(2)用鉛筆沿著外殼的軸線方向的兩側(cè)繪制曲線。

(3)把兩側(cè)曲線均勻分為合適的等分(設(shè)為N等分)。

(4)用鋁絲沿著等分在外殼上彎折，使之與玩具的表面緊密貼合。

(5)取下鋁絲，在白紙上描出其曲線輪廓。

(6)以此把所有等分處的曲線輪廓描出。

(7)對(duì)各條曲線輪廓再等分，用直尺測(cè)量出各點(diǎn)的坐標(biāo)。

接著，根據(jù)上述取樣所得到的等分曲線，在某三維軟件中建模。(下面以Pro/E為例來說明)首先在Pro/E中以某一個(gè)面為基準(zhǔn)，創(chuàng)建N個(gè)平行面如圖3(a)，接著分別在各個(gè)平面上創(chuàng)建曲線，這些曲線來自于上述取樣的曲線如圖3(b)，然后使用混合曲面的方式依次連接各曲線，并設(shè)定其距離，得到玩具的外殼如圖3(c)。

圖3 玩具殼外表面的建模

使用上述方法，可以生成大多數(shù)玩具的外殼。不過有些外殼形狀復(fù)雜，此時(shí)可以把它先分解成為幾個(gè)相對(duì)規(guī)則的部分，然后對(duì)每一部分采取上述方法來建模，最后再把這些部分拼接在一起，形成一個(gè)完整的外殼。

3 玩具殼內(nèi)表面的AutoCAD輔助定位法

玩具的外殼除了起到裝飾性的作用以外，還起到了機(jī)架的容納，支撐作用。因此在外殼的內(nèi)面，結(jié)構(gòu)也是十分復(fù)雜的。白鰭豚玩具的外殼內(nèi)面結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，在其內(nèi)表面上，存在著很多凸臺(tái)，凹槽，狹長(zhǎng)板等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)主要用于定位發(fā)條牙箱，齒輪，彈簧等結(jié)構(gòu)，其位置是很重要的。這些小結(jié)構(gòu)的位置和形狀尺寸很難直接測(cè)繪，為此，本文采用了變通的方法。

首先，把該外殼平置在桌面上，正對(duì)著照相，然后把相片導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)并存儲(chǔ)為JPG格式，打開AutoCAD，把該圖片插入到AutoCAD中并放大到合適的大小，然后在AutoCAD中，先取一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(一般是某個(gè)孔的中心)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，然后測(cè)量其它關(guān)鍵點(diǎn)與該原點(diǎn)的距離，從而得到這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置。顯然，這些相對(duì)距離與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)距離是不一樣的。為了得到其實(shí)際值，只需要在實(shí)際結(jié)構(gòu)上找比較好測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn)來測(cè)量其距離，然后與圖中的距離相比較，從而得到一個(gè)比例，然后在AutoCAD中移走此圖片，而把尺寸按照此比例放縮到實(shí)際尺寸即可，如圖4(b)。

圖4 玩具內(nèi)表面的AutoCAD輔助定位法

4 基于ADAMS的玩具動(dòng)力學(xué)仿真

白鰭豚玩具在桌面上產(chǎn)生的各種動(dòng)作，從力學(xué)角度考慮，它屬于多剛體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。而ADAMS是做計(jì)算多剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算最有效的軟件之一［3］。為了在ADAMS中對(duì)該白鰭豚玩具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，需要一整套嚴(yán)格的步驟，闡述如下。

(1)導(dǎo)出三維模型。在白鰭豚玩具的三維建模軟件中，把整個(gè)裝配體導(dǎo)出為Parasolid格式。

(2)在ADAMS中導(dǎo)入三維模型。從菜單file＞import對(duì)話框中，選擇parasolid格式類型，導(dǎo)入模型。

(3)瀏覽模型并重命名。使用tools＞Database Navigator打開數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)航器，勾選HighLight并依次瀏覽各個(gè)零件，刪除不需要的零件，然后逐個(gè)的給需要的零件重命名。重命名的目的是為了便于下面的施加約束。

(4)設(shè)置各個(gè)零件的質(zhì)量屬性。使用Database Navigator導(dǎo)航，依次選中各個(gè)零件，設(shè)置其質(zhì)量(由體積以及密度來定義)，輸入各個(gè)零件的密度，并開啟重力，設(shè)置合適的重力方向。

(5)休眠所有構(gòu)件。為了保證約束的施加成功，需要逐個(gè)調(diào)試約束，這樣，需要先休眠所有構(gòu)件，并隱藏外殼以便觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(6)激活原動(dòng)件以及固定在其上的零件。首先激活發(fā)條牙箱，并在它和ground之間施加固定副。

(7)激活與牙箱直接相連接并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件并施加運(yùn)動(dòng)副。這里面以轉(zhuǎn)動(dòng)副居多，每激活一個(gè)構(gòu)件后，施加運(yùn)動(dòng)副，然后在該運(yùn)動(dòng)副上施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)，考察其運(yùn)動(dòng)的可靠性。

(8)重復(fù)(7)，直到所有構(gòu)件都被激活并施加了約束。注意要?jiǎng)h去前面為了調(diào)試而用的運(yùn)動(dòng)約束。

(9)創(chuàng)建地面，在地面和白鰭豚的身體兩鰭之間建立CONTACT，并刪除發(fā)條牙箱與GROUND之間的固定副，并做仿真。

按照上述方法對(duì)白鰭豚做的仿真如圖5所示。圖5(a)是直立狀態(tài)，白鰭豚一頓一頓的往前移動(dòng)，同時(shí)球在高速旋轉(zhuǎn);圖5(b)是倒地狀態(tài)，白鰭豚圍繞殼與地面的觸點(diǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 白鰭豚的仿真效果

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的機(jī)械玩具進(jìn)行測(cè)繪，建模，裝配并做仿真，無論對(duì)于工程力學(xué)，機(jī)械原理的教學(xué)，還是對(duì)于玩具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及改進(jìn)設(shè)計(jì)，都具有重要的意義。在對(duì)數(shù)十種機(jī)械玩具做測(cè)繪仿真的基礎(chǔ)上，研究了其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，并闡明了解決方法。這些方法對(duì)于玩具的類似研究會(huì)具有一定的參考意義。

［1］ 張志剛，王碩，桑海泉.仿生機(jī)器魚玩具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004(3)：31-35.

［2］ 廖春藍(lán).基于SolidWorks Animator的玩具機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真研究［J］.廣東番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(1)：49-52.

［3］ 宋宇，陳無畏，陳黎卿.基于 ADAMS與MATLAB的車輛穩(wěn)定性控制聯(lián)合仿真研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(16)：86-92.