UG和ADAMS在機械手的動力學仿真中的聯合應用

田 方 劉義杰 陳立博 張 君 李建維

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽110870；2.沈陽科創自動裝備有限公司，遼寧 沈陽110000;3.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽110141）

0 引言

研究機械手動力學可以實現其最優控制，以期達到良好的動態性能和指標[1]。 因此機械手的動力學研究引起很多人的注意。 本文介紹UG 和ADAMS 軟件對PRRR 機械手進行動力學仿真的過程， 希望對機械手研究人員提供一定的參考。

1 機械手建模

1.1 機械手坐標系建立及參數確定

PRRR 機械手的機構簡圖如圖1 所示：

圖1 PRRR 機械手機構簡圖

機械手為加工曲軸的設計，由底座、機械手大臂、小臂、手腕、手爪、驅動系統等組成。 根據工況要求，其性能參數如表1 所示[2]：

表1 機械手基本參數

ai-1為從zi-1到zi沿xi-1測量的距離；ai-1為從zi-1到zi繞xi-1旋轉的角度；

di為從xi-1到xi沿zi測量的距離；θi為從xi-1到xi繞zi旋轉的角度。

1.2 利用UG 進行建模

考慮負載、自重和工作空間，機械手升降桿直徑d1=250mm,壁厚25mm； 大臂尺寸dL2=200mm,RL32=75mm， 厚度hL3=200mm， 壁厚20mm；小臂兩端半徑RL41=75mm，RL42=40mm，厚度hL4=100mm，壁厚20mm；負載為20kg。 根據各部件尺寸，利用UG 對機械手進行建模。

2 ADAMS 環境下的動力學仿真

2.1 模型導入ADAMS

由于UG 直接輸出的格式不被ADAMS 直接使用， 所以在UG 中輸出parasolid 格式。 點擊[文件]—[導出]命令，選擇parasolid 格式，選中模型，點擊確定按鈕。 選擇存儲的文件夾，文件格式為*.x_t。

打開ADAMS 軟件，新建一個模型，點擊文件菜單下的[導入]選項，將UG 輸出的parasolid 格式文件導入ADAMS 中。

導入成功后，為方便仿真，可以對各零件重命名。 如鼠標右擊底座，彈出的菜單選擇PART—2—重命名，重新命名為dizuo。

2.2 設置重力和修改剛體質量屬性

選擇[設置]菜單中[重力]項，根據模型，將重力方向設置成正確的方向。

選擇要修改材料的零件，右擊彈出菜單，選擇[修改]，在彈出的對話框定義質量方式選擇[幾何形狀和材料類型]，這里可直接在軟件的材料庫里選擇材料[3]。 型材選用鋁材，其余用鋼材。

2.3 設置運動關系和驅動

各機構間需約束關系來定義其連接方式和相對運動。為了方便約束，在各個零件的驅動部分添加基本形狀：點，形成POINT。 底座與地面固接，在POINT1 處用固定副來連接。 升降相對底座做上下直線運動，在POINT2 用平移副來連接，加載平移驅動，形成MOTION1。 大臂相對升降零件作回轉運動，在POINT3 用旋轉副連接，添加旋轉驅動，形成MOTION2。 小臂相對于大臂作回轉運動，在POINT4 通過旋轉副連接，加載旋轉驅動，形成MOTION3。 手腕相對小臂作回轉運動，在POINT5 通過旋轉副連接，加載旋轉驅動，形成MOTION4。在機械手中心添加負載，構建方式為[垂直于柵格][4]。

2.4 添加函數

step5 函數實現各個機構的分時控制，step5 函數表達式為：

STEP5（x,x0,h0,x1,h1）

x 是自變量，可以表示時間或自定義的變量。 x0 是自變量的初始值，h0 是x0 對應的變量值，x1 是自變量的終值，h1 是x1 對應的變量值。 h0 一般為數值0，h1 為始終變量值的差值，根據驅動方向確定正負號。

2.5 運動和軌跡仿真

現在建立起了PRRR 機械手的模型。 點仿真按鈕進行運動仿真，根據機械手節拍指標，設置仿真時間為50s 和步數為2000 步，單擊開始仿真按鈕，模型開始運動。

點擊[回放]菜單欄的[創建軌跡曲線]，以機械手中心為目標，在點擊一下地面，軌跡曲線自動生成，如圖2 所示。

圖2 PRRR 機械手仿真軌跡

2.6 仿真后處理

按快捷鍵F8，對模型進行后處理，鼠標右鍵彈出加載動畫，并可以錄制動畫。

右鍵清除視圖，加載繪圖，便可以查看各個關節的扭矩曲線。

圖3 小臂和大臂扭矩曲線

由圖3 分析知：大臂在7 到17 秒，從上料位逆時針旋轉90 度到機床，先加速后減速，扭矩按正弦曲線變化；在36 到38 秒，從機床上端逆時針旋轉30 度到下料位；在44 到50 秒，大臂順時針旋轉120 度回到上料位。在24 秒到30 秒，大臂未動，但由于小臂轉動的慣性力引起大臂扭矩的波動。

3 結論

UG 和ADAMS 軟件聯合應用是機械手動力學仿真研究的較佳組合，方法簡單，可得到其扭矩變化等相關信息，為設計提供幫助。

［1］熊有倫.機器人技術基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，1996.

［2］劉廣明.PRRR 機械手機構分析及運動實現的研究[M].沈陽：沈陽工業大學，2012.

［3］方琛瑋.基于ADAMS 的機器人動力學仿真研究[M].北京：北京郵電大學，2009.

［4］劉晉霞，胡仁喜，等.ADAMS2012 虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2013.