基于Pro/E和ADAMS的3-PRS并聯機構動力學仿真

山西中北大學機械與動力工程學院 郝亮亮 屈淑維

引言

目前，大多學者采用解析法對并聯機構運動學和動力學進行分析。但由于其動平臺空間位置的運動關系復雜，故十分有必要對其建立實體模型并進行仿真研究。游世明等[1]應用動力學仿真分析ADAMS軟件，建立了Stewart型并聯機構模型，并利用該樣機模型對并聯機器人進行運動學和動力學分析。賈小剛等[2]，羅建國等[3]，王南等[4]分別利用Pro/E軟件建立了虛擬樣機模型，通過接口程序將實體模型導入到ADAMS環境下，實現了3-RPC型、4自由度串并聯機器人機構的運動學與動力學性能仿真分析。

本文利用Pro/E軟件建立3-PRS并聯機構的實體模型，然后利用ADAMS軟件對3-PRS空間并聯機構的動力學進行了研究分析及仿真，在對末端執行器上無外力和施加恒力時，得到三個驅動電機的功率消耗。

1 3-PRS并聯機構描述與實體建模

圖13 -PRS機構簡圖

3-PRS并聯機構由靜平臺A1A2A3、動平臺R1R2R3以及3條PRS支鏈組成，如圖1所示。靜、動平臺中心為正三角形，中心 O1、O2與端點 Ri距離為 r。滑塊 Pi安裝在導軌上，動平臺由等長連桿Li連接，滑塊與連桿通過球鉸副Si連接，靜平臺與連桿通過旋轉副Ri連接。中心O2坐標作為輸出；滑塊Pi與zi為輸入。在Pro/E軟件中建立3-PRS并聯機構的實體模型如圖2所示。

2 應用ADAMS/View建立仿真模型

將在Pro/E軟件中建立的3-PRS并聯機構的實體模型導入到ADAMS/View中，對各個部件的各個關節處添加約束，對模型的重要參數：質量、質心、材料、顏色等和仿真環境進行設置。添加3-PRS并聯機構相互構件之間的運動關系：靜平臺與地之間通過固定副約束，靜平臺和滑塊之間通過移動副約束，滑塊與桿件之間用轉動副約束，球鉸鏈與動平臺之間通過球副約束。這樣就得到3-PRS并聯機構虛擬樣機如圖2所示。

圖23 -PRS機構虛擬樣機圖

3 仿真分析

虛擬樣機模型建立完畢，驗證結果顯示模型的自由度為3，各個構件之間的約束符合要求，沒有冗余約束。當給定3-PRS并聯機構額定外載作用和約束條件時，利用仿真軟件ADAMS中自帶的動力學仿真模塊對其仿真，測得各個驅動電機的功率消耗，預測其變化規律，對該機構的設計有較大的指導意義。下面規定末端輸出軌跡為螺旋曲線，其函數具體如下 ：x=5*sin(pi*time)，y=5*cos(pi*time)，z=8*time。

設置仿真時間為5s，步數為100，在末端無恒定外載荷和恒定外載荷為100N時，其三個驅動電機功率消耗曲線如圖3、4所示。

圖3 末端無恒定外載荷驅動電機功率消耗

圖4 末端外載荷為100N時，驅動電機功率消耗

4 結論

本文利用Pro/E軟件建立3-PRS并聯機構的實體模型，然后利用ADAMS軟件對3-PRS空間并聯機構的動力學進行了研究分析及仿真，在對末端執行器上無外力和施加恒力時，得到三個驅動電機的功率消耗。

[1]游世明,陳思忠,梁賀明.基于ADAMS的并聯機器人運動學和動力學仿真[J].計算機仿真,2005,22:181-185.

[2]賈小剛,袁志業,申東.基于 ADAMS和Pro/E的并聯機器人運動學仿真 [J].機床與液壓,2009,37:138-139.

[3]羅建國,何茂艷,陸震等.基于ADAMS和Pro/E的4自由度串并聯機器人運動學對比仿真分析[J].機械科學與技術,2009,26:31-33.

[4]王南,張慶恒,李偉等.基于 Pro/E和ADAMS的3-RPC并聯機器人運動學與動力學仿真 [J].機械設計與制造,2009.