基于ADAMS軟件的Tricept并聯機構動力學仿真分析

摘 要：隨著信息技術的不斷發展，人們對應用機械動力學仿真軟件的開發越來越關注，本文主要闡述了當前在這種仿真軟件ADAMS的基礎上建立的一種并聯機構的動力學仿真模型的相關內容，供大家參考。

關鍵詞：并聯機構；ADAMS；動力學仿真

計算機仿真的主要功能之一就是對機械系統的運動學和動力學進行仿真分析，以確定系統及其各個構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數方程組確定引起系統及其各個構件運動所需的作用力及其反作用力[1]。在計算機仿真方面已推出的有：美國MDI公司開發的ADAMS、美國EDS子公司SDRC公司的I-DEAS、CADSI的DADS（Dynamic Analysis and Design System）及德國航天局的SIMPACK等。這些軟件能夠被大家廣泛應用主要是因為它們集中了最新的動力學理論成果、數學求解器、各種強大的后處理模塊等等，這些都是用來建立機械系統的仿真模型。這些軟件的開發有利于將工作的重點放在模型的設計上，而節省了建立方程和求解等工作中，有效地提高了設計人員的工作效率，進而提高了機械系統仿真的技術含量。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）全稱是機械系統自動動力分析軟件，是美國MDI（Mechanical Dynamics Inc.）公司研制開發的一種虛擬樣機仿真分析軟件。ADAMS軟件是以多體動力學為核心建立起來的以描述機械系統運動規律、運動特性為目標的仿真軟件，可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。這種軟件已經被世界所認可并被廣泛的應用到機械系統仿真分析軟件，在這一領域占有試產達到百分之七十，這種虛擬樣機的功能更加受到了機器人人員的喜愛。我國對這一軟件也開始重視起來，并已經對這一軟件進行細致地分析。

1 并聯機構仿真模型的建立

Tricept（3UPS-UP）并聯平臺機構（圖1），由動平臺、靜平臺、從動腿和三條可伸縮驅動腿組成。每條驅動腿的一端與靜平臺用都虎克鉸連接，另一端與動平臺用球副連接，中間是一個由氣壓、液壓或滾珠絲杠螺母副驅動的可伸縮桿。從動腿也由一條伸縮連桿組成，桿的一端與動平臺固定連接且正交，其另一端與靜平臺通過虎克鉸連接，中間是一個不能發生自旋的可伸縮桿，即相當于一個移動副。當三條驅動腿等長時，即相當于一個正三棱錐。通過三條驅動腿的長度的改變，使此機構可實現空間三個可控位置自由度，即可實現繞導向裝置虎克鉸轉動中心的轉動和沿動平臺參考點與虎克鉸轉動中心連線的移動，而繞動平臺的轉動被約束。實體模型的主要結構參數有六個：上、下平臺的外接圓半徑尺寸r、R和驅動連桿、從動連桿的長度li（i=1～4），可將其進行參數化，因為結構參數的變化會引起工作空間的變化，可根據實際需要確定結構參數，也可進行優化設計。其結構參數如下： r=0.12m，R=0.3464m，重力加速度為g=9.80665m/s2，兩連桿的直徑分別為0.06m和0.03m，長度為0.7m，動平臺的厚度為0.03m，其三角形的兩條邊以半徑為0.03m的圓弧光滑連接。

ADAMS軟件包括3個最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（基本環境）、ADAMS/Solver（求解器）、 ADAMS/PostProcessor（后處理）[2]。在3個基本程序中，ADAMS/View（基本環境）提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數據的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數的設置、各種數據的輸入和輸出、同其他應用程序的接口等。ADAMS/Solver是求解機械系統運動和動力學問題的程序，可以用來輸出高性能的動畫、各種數據曲線，還可以對曲線進行積分、求導、求和、求差等處理。應用這兩個模塊可以幫助我們對并聯機構的動力學進行仿真分析。

仿真的第一步是創建零件即創建三維實體，建立機械系統的三維實體模型，通常有兩種方法：一種是使用ADAMS/View 提供的零件庫，通過創建簡單幾何體、實體連接和布爾運算，用模型修飾工具來完成三維造型，然后重新定義物體的質心、質量、轉動慣量等物理特征[3]。另一種方法是使用ADAMS/Exchange 模塊從其他CAD軟件（如：Pro/E、UG、Solidworks）中輸入零件的三維模型。

2 動力學仿真

并聯機構的動力學研究包括機構動力學模型的建立、受力分析、慣性力計算、動力平衡、動力響應等方面，其中動力學模型的建立是諸多動力學問題中最重要的一個方面。在一定載荷作用下，當動平臺按預定軌跡運動時，各驅動桿的受力也將隨時間變化，在整個運動過程中各桿受力變化是否平緩，力的大小是否合乎要求，對于機構設計和實際控制有著重要的意義[4]。ADAMS可根據機械系統模型，自動建立系統的拉格朗日運動方程，對每個剛體，列出6個廣義坐標帶乘子的拉格朗日方程及相應的約束方程，并自動求解，不需用戶編程計算。動平臺在運動范圍內的運動，都是通過4根桿長的變化來使動平臺中心到達任意運動范圍內的位置。本文中，為了實現3個自由度（包括沿z軸的移動和繞x、y軸的轉動）的運動，在動平臺中心處施加一般點運動（General Point Motion）激勵，規定它3 結論

設計的不同階段所需要的數據是不相同的，在最初階段，我們可以不直接使用數學上有關的結構運動學方程和具體的求解，只需要直接使用ADAMS軟件就可以實現分析和論證機構運動學，并能夠得到各個構件的運動特性，這不僅節省了大量的求證時間，而且還能夠幫助對初期方案進行的篩選。一般來說，針對一些比較簡單的機構，我們可以直接使用運動學方程就可以直接求解，但是針對一些比較復雜的機構，往往很難建立一個數學模型，這就可以直接使用ADAMS軟件進行建立模型并直接仿真，通過計算機直接進行數據輸出，可以直接使用控制系統。這種軟件為并聯機構的研究提供一個新的思路。

參考文獻

[1]劉偉.協作式并聯機床工作空間及運動仿真[D].北京交通大學碩士學位論文，2005.

[2]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]李軍，刑俊文，覃文潔.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[4]黃真.并聯機器人機構學理論及控制.北京：機械工業出版社，1997.

作者簡介：張亞杰（1979-），女，黑龍江省大慶人，講師，研究方向：機械設計。