基于ADAMS機械臂虛擬樣機開發(fā)分析

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術學校，江蘇 鹽城 224000）

基于ADAMS機械臂虛擬樣機開發(fā)分析

徐洪林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術學校，江蘇 鹽城 224000）

隨著社會的發(fā)展，科技的進步，現(xiàn)代工業(yè)智能化水平越來越高，而工業(yè)機器人作為當代工業(yè)智能化應用的一部分，以其自身獨特優(yōu)勢在工業(yè)各領域得到了越來越廣泛的應用。工業(yè)機器人在其生產(chǎn)應用過程中，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)過程實現(xiàn)不間斷持續(xù)運行。本文利用ADAMS軟件，實現(xiàn)了5R機械臂的虛擬樣機開發(fā)。首先，本文利用三維設計軟件Pro/E建立了機械臂的三維實體模型，并進行了裝配過程的靜、動態(tài)干涉檢查。其次，將無干涉的機械臂虛擬模型文件以Parasolid格式導入ADAMS軟件中，實現(xiàn)實際工況的情境模擬。最后，將情境模擬結(jié)果與實際工況要求進行對比，對虛擬樣機模型進行修改，最終獲得符合實際工況要求的機械臂虛擬樣機。

機械臂；ADAMS；仿真模擬；虛擬樣機

隨著時代發(fā)展、社會進步，國民經(jīng)濟與國防技術急需先進的生產(chǎn)技術推動其前行；而工業(yè)機器人以其獨特的優(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。

在實際工程設計中，復雜機械零部件設計往往涉及到多門學科，如靜力學、動力學等，這對相關工程設計人員提出了一定挑戰(zhàn)。虛擬樣機開發(fā)技術是一項可以通過人機界面來實現(xiàn)虛擬樣機開發(fā)的技術，該軟件能模擬實際靜、動態(tài)工況下產(chǎn)品的運行情況，是科研設計人員進行設計分析的強大輔助工具。

在設計制造領域，虛擬樣機技術（簡稱VPT）是一項新的研發(fā)設計技術，利用該技術可以在研發(fā)設計過程中進行涉及多學科的研發(fā)設計工作，如系統(tǒng)動力學研究、最優(yōu)計算方法應用、軟件工程等。該技術利用三維軟件建立三維實體模型或力學模型，依據(jù)實際工況（物體動力學特性），模擬模型實況下的狀態(tài)，并根據(jù)模擬結(jié)果對模型進行反復優(yōu)化，最終取得最優(yōu)解，為實際樣機設計與制造提供具有實際意義理論參考數(shù)據(jù)。本文采用三維設計軟件Pro/E對虛擬樣機進行建模，利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS對5R機械臂虛擬樣機進行分析，為其后續(xù)模型控制研究做好鋪墊。

1 五自由度機械臂簡介

本文研究的5R機械臂，如圖1所示，該機械臂由5個自由旋轉(zhuǎn)的關節(jié)組合而成（腕關節(jié)、臂關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)與腰關節(jié)，該5個關節(jié)都與連桿相連）。該機械臂傳動系統(tǒng)由齒輪與蝸輪蝸桿組合而成，在傳動過程中可以實現(xiàn)機械臂的自鎖（在機械臂斷電情況下可以保證機械臂位置不變），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機械臂驅(qū)動電機選用VEXTA公司生產(chǎn)的PMM33AH型步進電機。該電機有如下特點：輸出扭矩大、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、運行狀態(tài)穩(wěn)定等。該電機驅(qū)動模塊也采用該公司原廠設計的驅(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的驅(qū)動脈沖以實現(xiàn)步進電機的正常運行。

圖1 機械臂的實物圖

2 基于ADAMS虛擬樣機設計

ADAMS軟件由美國MDI公司研發(fā)設計，該軟件具有十分強大的系統(tǒng)動力學分析功能，可以進行虛擬樣機開發(fā)。該款軟件在進行仿真設計時只需將系統(tǒng)的實際性能指標（環(huán)境、力學性能等）輸入，就可以實現(xiàn)機械系統(tǒng)性能、碰撞點、運動范圍、力學分析結(jié)果的預測。目前，ADAMS在動力學分析軟件市場的市場占有率達70%以上，被汽車、航空航天、智能機器人、工程機械等領域廣泛應用。

ADAMS在進行虛擬樣機研發(fā)時應遵循如下步驟（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，或利用其他設計軟件（如CAD、PRO/E、SOLIDWORKS等）進行三位復雜模型的創(chuàng)建，創(chuàng)建完成后再導入到ADAMS軟件中；在ADAMS軟件中將上述創(chuàng)建好的模型進行約束、運動、作用力的施加。（2）模型測試。根據(jù)實際工況要求，對模型進行一系列仿真分析，查看模型創(chuàng)建的準確性。（3）模型檢驗。將實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析。（4）模型細化。根據(jù)實際工況，對模型仿真環(huán)境進行細化，加入一些更加復雜元素，使得虛擬仿真模型更加貼近現(xiàn)實。（5）仿真迭代。對設計參數(shù)實施動態(tài)變量的定義，模型仿真實現(xiàn)系統(tǒng)化。（6）優(yōu)化設計。對仿真數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化仿真模型。（7）界面制定。對菜單、對話框及仿真實施步驟可以進行定制。

圖2 ADAMS虛擬樣機設計的一般流程

3 基于ADAMS機械臂虛擬樣機的建立

這里首先將機械臂的虛擬實體模型通過三維設計軟件Pro/E建立，再將該實體模型導入到 ADAMS虛擬分析軟件中。

按照實際要求對所研究的5R機械臂進行實體裝配（這里的實體裝配全部在Pro/E下完成），如圖3所示。進行實體裝配前，首先創(chuàng)建基礎零部件（底座、電機、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，以實現(xiàn)與ADAMS軟件的數(shù)據(jù)傳遞。利用ADAMS軟件進行仿真模擬，可對其電機施加必要的扭矩與速度，實現(xiàn)運動動力學仿真，觀察模型動畫運動效果，如出現(xiàn)問題可返回對模型進行修改，直至虛擬樣機符合實際需求（模擬見圖4所示）。

4 結(jié)語

本文介紹了機械臂ADAMS虛擬樣機的建立。簡要介紹實驗室自行研發(fā)的五自由度機械臂、虛擬樣機技術、ADAMS軟件及其建模與仿真步驟。在Pro/E軟件中建立了機械臂的三維模型，進行靜態(tài)和動態(tài)的干涉檢查，并輸出為Parasolid格式文件。將此文件導入ADAMS軟件，設置工作環(huán)境，修改實體模型，創(chuàng)建運動約束，建立了機械臂的ADAMS虛擬樣機。

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

[2]高志慧．6自由度水下機器人動力學分析與運動控制[J]．機械工程學報,2013, 12(8):66-68．

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

[4]周兵．并串聯(lián)復合機器人的魯棒控制[J]．機械工程學報,2010,12:29-32．

[5]馬玲玲,鄭賓,李嬌．交流伺服系統(tǒng)模糊自適應控制研究[J]．機械工程與自動化,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,2009．

[7]張呈昆．空間6R機器人系統(tǒng)容錯規(guī)劃與實驗研究[D]．北京:北京郵電大學,2008．

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