徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

基于ADAMS機(jī)械臂虛擬樣機(jī)開發(fā)分析

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)智能化水平越來越高，而工業(yè)機(jī)器人作為當(dāng)代工業(yè)智能化應(yīng)用的一部分，以其自身獨(dú)特優(yōu)勢在工業(yè)各領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人在其生產(chǎn)應(yīng)用過程中，一方面降低了勞動力成本，使得生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升；另一方面克服了惡劣環(huán)境影響，使得生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)不間斷持續(xù)運(yùn)行。本文利用ADAMS軟件，實(shí)現(xiàn)了5R機(jī)械臂的虛擬樣機(jī)開發(fā)。首先，本文利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建立了機(jī)械臂的三維實(shí)體模型，并進(jìn)行了裝配過程的靜、動態(tài)干涉檢查。其次，將無干涉的機(jī)械臂虛擬模型文件以Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS軟件中，實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況的情境模擬。最后，將情境模擬結(jié)果與實(shí)際工況要求進(jìn)行對比，對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行修改，最終獲得符合實(shí)際工況要求的機(jī)械臂虛擬樣機(jī)。

機(jī)械臂；ADAMS；仿真模擬；虛擬樣機(jī)

隨著時代發(fā)展、社會進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)與國防技術(shù)急需先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)推動其前行；而工業(yè)機(jī)器人以其獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅能克服惡劣環(huán)境照常工作，也極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)率與生產(chǎn)精度，對推動社會發(fā)展具有極大作用。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，復(fù)雜機(jī)械零部件設(shè)計(jì)往往涉及到多門學(xué)科，如靜力學(xué)、動力學(xué)等，這對相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提出了一定挑戰(zhàn)。虛擬樣機(jī)開發(fā)技術(shù)是一項(xiàng)可以通過人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)開發(fā)的技術(shù)，該軟件能模擬實(shí)際靜、動態(tài)工況下產(chǎn)品的運(yùn)行情況，是科研設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的強(qiáng)大輔助工具。

在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)（簡稱VPT）是一項(xiàng)新的研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，利用該技術(shù)可以在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行涉及多學(xué)科的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，如系統(tǒng)動力學(xué)研究、最優(yōu)計(jì)算方法應(yīng)用、軟件工程等。該技術(shù)利用三維軟件建立三維實(shí)體模型或力學(xué)模型，依據(jù)實(shí)際工況（物體動力學(xué)特性），模擬模型實(shí)況下的狀態(tài)，并根據(jù)模擬結(jié)果對模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，最終取得最優(yōu)解，為實(shí)際樣機(jī)設(shè)計(jì)與制造提供具有實(shí)際意義理論參考數(shù)據(jù)。本文采用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E對虛擬樣機(jī)進(jìn)行建模，利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對5R機(jī)械臂虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析，為其后續(xù)模型控制研究做好鋪墊。

1 五自由度機(jī)械臂簡介

本文研究的5R機(jī)械臂，如圖1所示，該機(jī)械臂由5個自由旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)組合而成（腕關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)與腰關(guān)節(jié)，該5個關(guān)節(jié)都與連桿相連）。該機(jī)械臂傳動系統(tǒng)由齒輪與蝸輪蝸桿組合而成，在傳動過程中可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自鎖（在機(jī)械臂斷電情況下可以保證機(jī)械臂位置不變），其最大抓取直徑在2．28m,其末端抓手可以靈活調(diào)節(jié)來保證工件的順利抓取。

5R機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)選用VEXTA公司生產(chǎn)的PMM33AH型步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)有如下特點(diǎn)：輸出扭矩大、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定等。該電機(jī)驅(qū)動模塊也采用該公司原廠設(shè)計(jì)的驅(qū)動芯片，其信號輸入為周期0．5ms的方波信號，上述驅(qū)動模塊將輸入的方波信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的驅(qū)動脈沖以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行。

圖1 機(jī)械臂的實(shí)物圖

2 基于ADAMS虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

ADAMS軟件由美國MDI公司研發(fā)設(shè)計(jì)，該軟件具有十分強(qiáng)大的系統(tǒng)動力學(xué)分析功能，可以進(jìn)行虛擬樣機(jī)開發(fā)。該款軟件在進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時只需將系統(tǒng)的實(shí)際性能指標(biāo)（環(huán)境、力學(xué)性能等）輸入，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)性能、碰撞點(diǎn)、運(yùn)動范圍、力學(xué)分析結(jié)果的預(yù)測。目前，ADAMS在動力學(xué)分析軟件市場的市場占有率達(dá)70%以上，被汽車、航空航天、智能機(jī)器人、工程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

ADAMS在進(jìn)行虛擬樣機(jī)研發(fā)時應(yīng)遵循如下步驟（見流程圖2）。

（1）模型建立。模型建立可以利用ADAMS/View零件庫在里面直接利用簡單模塊零件創(chuàng)建，或利用其他設(shè)計(jì)軟件（如CAD、PRO/E、SOLIDWORKS等）進(jìn)行三位復(fù)雜模型的創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后再導(dǎo)入到ADAMS軟件中；在ADAMS軟件中將上述創(chuàng)建好的模型進(jìn)行約束、運(yùn)動、作用力的施加。（2）模型測試。根據(jù)實(shí)際工況要求，對模型進(jìn)行一系列仿真分析，查看模型創(chuàng)建的準(zhǔn)確性。（3）模型檢驗(yàn)。將實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。（4）模型細(xì)化。根據(jù)實(shí)際工況，對模型仿真環(huán)境進(jìn)行細(xì)化，加入一些更加復(fù)雜元素，使得虛擬仿真模型更加貼近現(xiàn)實(shí)。（5）仿真迭代。對設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施動態(tài)變量的定義，模型仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化。（6）優(yōu)化設(shè)計(jì)。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化仿真模型。（7）界面制定。對菜單、對話框及仿真實(shí)施步驟可以進(jìn)行定制。

圖2 ADAMS虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的一般流程

3 基于ADAMS機(jī)械臂虛擬樣機(jī)的建立

這里首先將機(jī)械臂的虛擬實(shí)體模型通過三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建立，再將該實(shí)體模型導(dǎo)入到 ADAMS虛擬分析軟件中。

按照實(shí)際要求對所研究的5R機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)體裝配（這里的實(shí)體裝配全部在Pro/E下完成），如圖3所示。進(jìn)行實(shí)體裝配前，首先創(chuàng)建基礎(chǔ)零部件（底座、電機(jī)、齒輪、連桿等）；其次根據(jù)裝配工藝，將這些零部件裝配組合起來。將Pro/E構(gòu)建的裝配體文件轉(zhuǎn)化成parasolid格式，以實(shí)現(xiàn)與ADAMS軟件的數(shù)據(jù)傳遞。利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真模擬，可對其電機(jī)施加必要的扭矩與速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動動力學(xué)仿真，觀察模型動畫運(yùn)動效果，如出現(xiàn)問題可返回對模型進(jìn)行修改，直至虛擬樣機(jī)符合實(shí)際需求（模擬見圖4所示）。

4 結(jié)語

本文介紹了機(jī)械臂ADAMS虛擬樣機(jī)的建立。簡要介紹實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的五自由度機(jī)械臂、虛擬樣機(jī)技術(shù)、ADAMS軟件及其建模與仿真步驟。在Pro/E軟件中建立了機(jī)械臂的三維模型，進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的干涉檢查，并輸出為Parasolid格式文件。將此文件導(dǎo)入ADAMS軟件，設(shè)置工作環(huán)境，修改實(shí)體模型，創(chuàng)建運(yùn)動約束，建立了機(jī)械臂的ADAMS虛擬樣機(jī)。

[1]石煒．基于凱恩方法的機(jī)器人動力學(xué)建模與仿真[J]．機(jī)器人技術(shù) ,2012(12)：12-15．

[2]高志慧．6自由度水下機(jī)器人動力學(xué)分析與運(yùn)動控制[J]．機(jī)械工程學(xué)報,2013, 12(8):66-68．

[3]余躍慶．基于模糊控制的2R欠驅(qū)動機(jī)器人位置控制田．機(jī)械工程學(xué)報,2010, 24(3):44-49．

[4]周兵．并串聯(lián)復(fù)合機(jī)器人的魯棒控制[J]．機(jī)械工程學(xué)報,2010,12:29-32．

[5]馬玲玲,鄭賓,李嬌．交流伺服系統(tǒng)模糊自適應(yīng)控制研究[J]．機(jī)械工程與自動化,2009,(2):124-126．

[6]白端元．伺服系統(tǒng)模糊PID控制方法研究[D]．長春:長春理工大學(xué),2009．

[7]張呈昆．空間6R機(jī)器人系統(tǒng)容錯規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)研究[D]．北京:北京郵電大學(xué),2008．

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