基于ADAMS的機械臂仿真分析

張衡

摘 要：本文利用ADAMS/View模塊對液壓機械臂的虛擬樣機機械系統進行仿真，尤其針對其液壓機械臂機械手的轉角進行針對性分析，并進行結構優化設計，得出最優解，并將最優解參數導入程序進行仿真分析，給出優化建議，使其轉動角范圍符合各種工況需求。同時對機械臂姿態調整液壓缸進行了受力仿真分析，并給出了液壓機械手姿態調整桿最佳連接位置，為之后的選型和設計工作奠定了理論基礎。

關鍵詞：ADAMS 仿真分析 機械設計

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0076-02

近年來，功能多樣，高效的機械臂在工業生產漸漸普及，它的普及促進了工業生產向著自動化和智能化方向發展。該行業的國產化還存在較多問題，產品標準不統一，使用批量小，個配件的兼容性通用性差，生產裝配效率低，且成本較高，并且在可靠性方面還有很大改進空間。以上種種問題是我們研究的動力和努力的方向。本文主要在ADAMS 動力學仿真軟件中建立液壓驅動機械臂虛擬樣機系統。利用該系統，針對柔性液壓機械臂的工作范圍進行運動學仿真分析。

1 ADAMS軟件的應用

1.1 軟件簡介

ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） 是屬于MSC公司的一款模擬器仿真軟件，應用于全球各大廠商中，占機械系統動態仿真軟件市場份額的51%。工程設計人員使用ADAMS在計算機上建立和模擬仿真樣機，對機械可進行虛擬再現模擬，可以讓設計人員知道其設計的機械系統的運動性能。在運動學和動力學仿真領域，ADAMS是目前國際上應用最廣泛模擬電腦軟件之一。

1.2 設計流程

（1）構建組件（建立組件，設立應用條件，對施加的進行設計）建立系統的模型包括設立組件，然后將約束條件作用于組件并定義作用于它們的力。設計的機械組成中，其組件是具有物理特性的幾何形狀，如質量和轉動慣量。這些結構之間的約束也被用來確定構件之間的連接，并且闡明了結構之間的運動學關系。

（2）查證模擬結果（檢驗特征、模擬解析、生成三維圖形、查看模擬包絡線）。

（3）測試模擬結果（引入模擬參量、對比模擬結果包絡線進行），檢查模型是否適當。檢查模型包括測試特征、模擬結果、動畫回放和包絡線生成。對模型的檢驗步驟為導入數據和包絡線分析。

（4）改進參數（增減摩擦力，設立柔性體，時間力函數，創建操控）。

（5）多次模擬（增加模型，設置設計參數）基于正確的測試模型來驗正系統。若最終的模擬結果不理想，即與參量不相適應，則應在模擬過程中適當增減約束條件，改善模擬結果，設立影響因素中的摩擦力，設立柔性體、應用力函數并設立操控。若要進行重復性的多次模擬，應多次修約束條件和系統變量。

（6）完善系統（系統影響性預判、系統實際使用、提高系統完成度）使用該軟件的便捷之處在于，在某些特定的情況下，軟件本身可以根據系統需求自適應地改變系統參量，然后進行多次迭代求解，法找出最優解。完善系統包括系統參數影響因子大小的探究、試驗設計研究和完善系統參數分析。

（7）自適應規劃（設立用戶菜單，設立用戶對話窗口，記錄和重放模型宏），以讓設計人員的操作更加容易且能夠與設計要求兼容，操作人員可以自定義選項欄和對話框窗口，能夠使用宏命令完成較為困難和重復的任務，縮減任務完成時間。自定義設計包括創建自定義菜單、建立自定義窗口以及創建自適應的宏命令。

2 機械臂的仿真研究

2.1 液壓缸機械臂轉角分析優化

利用ADAMS進行機械結構的轉動范圍解析，改進擴大機械結構的轉動范圍，使其可以適應多種工作環境的要求。

根據工作條件要求，通過對液壓機械手分析可知，該結構的旋轉角范圍由兩個液壓機械手姿態調整桿和一個姿態調整液壓缸3個主要零件共決定。其中主要由兩個調整桿的長度，調整液壓缸的可伸縮距離，以及姿態調整桿與副液壓臂的接觸位置和姿態調整液壓缸的安裝位置這幾個因素決定。使用ADAMS軟件對上述模型進行分析，可知液壓機械手姿態調整桿的水平位置對于機械手旋轉角度的影響最大，接下來針對該變量進行機構優化設計。

該優化設計變量為DV_X，設計目標為一次驅動過程中，MEA_ANGLE_2及液壓機械手的旋轉角度的最大值[1]，假設轉動副臂的位置距離原點不得小于250mm。為此需要在副機械臂上標記一點，并測量轉動副到改點的距離.化過程中，系統將不斷改變設計變量DV_X的值，每一次設計變量的值更改后，就仿真一次機構的翻轉，獲取轉動角度的最大值。比較這些值，尋優，最終找到最合適的值[2]。

2.2 機械臂液壓缸受力分析

通過研究，已了解了各部分連桿對液壓機械臂旋轉角度的干涉，并通過算法解除了最優解。將以上數據作為已知條件，把控制機械手的液壓缸與副臂的栓接點位置參數化，對其坐標進行改進處理，同時，對液壓缸進行受力分析，了解液壓缸受力范圍，為選型工作打基礎。在畫出機械手實際工作中的狀態圖后，對機械結構進行仿真分析[3]。

由于液壓鋼的工作特殊性，需要其在絕大部分情況下都能正常工作，滿足要求，所以，要設計1.2的安全系數。同時，假定副機械臂垂直，保證機械結構的重量集中到夾持圓木上。

首先，在ADAMS中建立相應的參數化模塊，其中有連桿、機械手和液壓缸。在副機械臂上確定一初始坐標點（856）設計參數化值，將點與參數化值聯系起來。然后，建立各零件模型之間的相關聯系。設立負載的重力模型：安全系數*（機械手重力+負載重力）。同時建立機械手的角測量，設置轉動限制角度，使得仿真時的機械臂轉動角度限制在120°之內。設置好后進行仿真。

由仿真結果可知，隨著液壓缸的受力與轉動角度和伸縮長度之間并不是線性關系，在轉動角度為100°左右，伸長長度為68cm左右時，姿態調整液壓缸受力最大。這顯然不能達到我們的工作要求。經過我們的結構優化仿真分析發現，液壓缸與副機械臂交點的橫坐標為98cm時，液壓缸的受力最小。

3 結語

針對車載液壓機械臂，利ADAMS動力學仿真軟件中建立相應仿真仿真模型過ADAMS/View模塊對液壓機械臂的虛擬樣機機械系統的工作范圍進行運動學仿真分析，得到液壓機械手旋轉角度，并且針對機械臂的旋轉角，通過優化調整桿的鏈接位置，優化了旋轉角，使其達到理想旋轉范圍。同時，我們又對姿態調整液壓缸進行了受力仿真分析，得到包絡線，并進行了受力優化分析，得出最優解。為選型工作奠定理論基礎。

參考文獻

[1] 朱林，馮櫻，嚴運兵.基于響應面法的雙前橋轉向機構參數優化[J].湖北汽車工業學院學報，2013，27（1）：1-4.

[2] 何孔德，方子帆.基于虛擬樣機技術的裝載機工作裝置優化設計[J].拖拉機與農用運輸車，2010，37（3）：97-99.

[3] 董恩國，張蕾.基于ADAMS的汽車轉向機構全液壓系統設計[J].液壓與氣動，2015（11）：4-6.