基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,基于,adams,自由度,機(jī)械手,運(yùn)動(dòng)學(xué),仿真 摘 要 本文擬在用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)四自由度機(jī)械手進(jìn)行仿真分析。首先介紹機(jī)械手研究背景，研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，闡明研究意義。接著介紹三維實(shí)體建模軟件Pro/E，了解其建模過(guò)程和建模方法，從而為實(shí)體建模打下基礎(chǔ)，接著運(yùn)用Pro/E建立四自由度機(jī)械手的實(shí)體模型，并導(dǎo)入ADAMS對(duì)其進(jìn)行仿真分析， 包括首部末端位移曲線(xiàn)圖。接著進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并給出結(jié)論。 關(guān)鍵詞：Pro/E,ADAMS,機(jī)械手,運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 Abstract This article plans to use multibody system dynamics software ADAMS to carry on the simulation analysis to the four degrees-of-freedom manipulators. First introduced that the manipulator studies the background, the research present situation and the trend of development, the exposition research significance. Then introduction three dimensional entity modelling software Pro/E, understands its modelling process and the modelling method, thus builds the foundation for the entity modelling, then establishes the four degrees-of-freedom manipulator's full-scale mockup using Pro/E, and inducts ADAMS to carry on the simulation analysis to it, including the first terminal displacement diagram of curves. Then carries on the kinematic analysis, and gives the summary. Keywords: Pro/E, ADAMS, Manipulator, Kinematics Simulation 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū) 題目名稱(chēng) 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(zhuān)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(zhuān)業(yè) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 職稱(chēng) 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(chēng) 機(jī)電學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 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(chēng) 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。 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 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(xiàn)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(hù)選擇 適合特定作業(yè)環(huán)境的機(jī)器人類(lèi)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?xún)r(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(chē)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 2 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(lèi)、環(huán)類(lèi)）自動(dòng)線(xiàn) 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(lèi)生產(chǎn)線(xiàn)很多，如沈陽(yáng)永 泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線(xiàn)（環(huán)類(lèi)） ，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(xiàn)（軸類(lèi)） ，上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線(xiàn)（盤(pán)類(lèi)）等。加工箱體類(lèi)零件的組 合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)，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(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 （2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 各類(lèi)半自動(dòng)車(chē)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(chē)床和座圈自動(dòng)車(chē)床機(jī) 械手，大連第二車(chē)床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車(chē)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(lèi)產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)?用戶(hù)安裝機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車(chē)配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手 （生產(chǎn)線(xiàn)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(lèi)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(mǎn)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(hù)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 。 基 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(hù) 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) 。 基 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 。 基 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(lài) 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(xiàn) ”為 基 礎(chǔ) ， 通 過(guò) 曲 率 分 布 圖 對(duì) 曲 線(xiàn) 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) 6 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(xiàn) 、 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(xiàn)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(hù)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(lèi)三維軟件（MDT、UG、CATIA 等）相比，Pro/ENGINEER 的不同之處 在于以下幾點(diǎn)： （1） 基于特征的（Feature-Based） 7 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(mǎn)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(xiàn)，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(xiàn)）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(xiàn)，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)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。 8 （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(mǎn)意的效果。 最后，Pro/Engineer Wildfire 版本更加完善了軟件的用戶(hù)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(xiāo) 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(xiàn) 。 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(hù) 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(hù) 進(jìn) 行 特 殊 類(lèi) 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(zhuān) 業(yè) 領(lǐng) 域 模 塊 及 工 具 箱 5 類(lèi) 模 塊 組 成 ， 用 戶(hù) 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(zhuān) 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(lèi)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(xiàn)性 分析，而且也可以進(jìn)行非線(xiàn)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。 可進(jìn)行 ADAMS 的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)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(xiàn)性分析 結(jié)構(gòu)非線(xiàn)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(xiàn)性問(wèn)題，包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和單元非線(xiàn)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(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi) 型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線(xiàn)性和非線(xiàn)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(xiàn)分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等，還可用于螺線(xiàn)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(lèi)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(huà)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(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥 11 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?？蛇M(jìn)行四種類(lèi)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。 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(zhuān)業(yè)的 CAD 軟件和專(zhuān)業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合建模， 即先用專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)業(yè) CAD 建模和專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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： 用 P r o / E 建立三維模型 轉(zhuǎn)換成 A D A M S 機(jī)構(gòu)模型 添加運(yùn)動(dòng)約束及驅(qū)動(dòng) 給定機(jī)械手參數(shù) 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 ， 觀察結(jié)果 滿(mǎn)意 ？ 輸出結(jié)果 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(lèi)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(chēng)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) 14 電機(jī)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(xiàn)。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?xún)蓚€(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(lèi)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(hù)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(xiàn)。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(xiàn) 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(xiàn)圖 圖5為機(jī)械手末端速度變化曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圖，如圖6。 圖6 腕部驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)圖 17 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）： 18 （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。 19 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(xiàn)， 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。 20 參考文獻(xiàn) 1 林清安.Pro/ENGINEER 野火 3.0 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15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.1981 16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 21 致謝 在本次論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我運(yùn)用了以前所學(xué)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，查閱了許 多有關(guān)機(jī)械手方面的書(shū)籍。在指導(dǎo)老師不辭辛勞的指導(dǎo)和我們這個(gè)小組幾位同 學(xué)的幫助下，我順利地完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 論文的完成，雖然凝聚著自己的辛勤與汗水，但是如果沒(méi)有以前老師對(duì)我 的培養(yǎng)和教育，沒(méi)有指導(dǎo)老師不厭其煩的指導(dǎo)，沒(méi)有同學(xué)們的熱心幫助，只憑 自己的努力，這次論文的質(zhì)量就一定會(huì)大打折扣。在此，向幫助過(guò)我的老師和 同學(xué)們，表示衷心的感謝！