基于proe和ADAMS的少自由度并聯機構運動仿真

2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

摘要:proe和ADAMS運動仿真一例

少自由度并聯機構是國際上機器人學研究的熱點之一,構造出具有良好性能的少自由度并聯機器人的眾多構型,以便根據應用要求選擇不同性能的機構,是并聯機器人機構中的一項重要任務,當前眾多研究人員的研究方向都集中于構建新型的少自由度并聯機構。根據理論研究出來的眾多的少自由度并聯機構還需要檢驗其運動的正確性,傳統的方法是通過試驗樣機制造實物來驗證,而近年計算機技術的廣泛應用提供了新的方法,那就是虛擬樣機技術,這包括了三維CAD建模技術和機械系統運動學等相關技術。

大型的商用動力學仿真軟件ADAMS、SIMPACT等集成了最新的多體系統動力學理論成果、各種方便的建模工具、高效的求解器、功能強大的后處理模塊以及可視化界面等,用它們來建立機械系統的仿真模型,可以將注意力放在改進模型設計上,而不必關心建立方程、求解方程這些在過去要耗費大量精力的工作,從而大大提高了機械系統仿真的效率。仿真首先要做的是建立少自由度并聯機構精確的三維模型,此時用動力學仿真軟件就有點力不從心了,特別是對于此類少自由度并聯機構,各個運動副的空間幾何結構和位置都對整個機構的運動有重大的影響,需要三維建模建立準確的模型。因此,需要借助于三維建模功能很強的CAD軟件來建模。

這里以PTC公司的三維建模軟件proe和MDI公司的動力學仿真軟件ADAMS相結合建立少自由度并聯機構的運動仿真模型。首先在proe中建立機構的三維模型,機構的安裝位置為機構運動的初始位置。然后利用兩個軟件的接口程序Mechanism/Pro生成剛體和基本的運動副,把三維模型導入ADAMS進行進一步的完善,添加驅動和約束,進行運動仿真。在整個過程中,需要對建立模型等前續工作進行不斷的修改和完善,才能生成所要求的少自由度并聯機構的仿真模型。

一、少自由度并聯機構的提出

少自由度并聯機構新構型的提出有著不同的理論方法,本文中采用的為利用螺旋理論來分析新型少自由度并聯機構。利用運動螺旋與力螺旋的對偶關系,以及運動與約束、運動螺旋與反螺旋的對應關系,建立復雜少自由度并聯機器人機構類型綜合的數學模型。因為并聯機器人機構是由支鏈、動平臺和靜平臺組成,其結構的設計關鍵在于其各支鏈的結構形式,各支鏈的設計是機構設計的重點,按機構對各分支約束條件的要求,設計出有能夠符合要求的所有支鏈結構形式,進而在考慮避免奇異位形的基礎上將所需的分支與平臺聯接成為所要求的少自由度并聯機器人機構。

在少自由度并聯機構中,三自由度移動并聯機構有著廣泛的用途。在很多工業應用中,三個方向的移動就已經滿足要求,而使用傳統的六自由度機構增加了機構的復雜性和控制的難度,因此直接應用三自由度移動并聯機構非常合適。此處利用螺旋理論提出一種純移動三自由度并聯機構,通過此機構來說明利用proe和ADAMS完成運動仿真的過程。如圖1所示,此機器人支鏈為三條對稱的RPC支鏈,通過螺旋理論和空間幾何分析可得此并聯機構動平臺應具有三個純移動自由度。

圖1 三支鏈并聯機構模型

二、三維建模

在Pro /E中建立此三支鏈并聯機構的三維模型。首先創建不同的零件模型,分別為靜平臺、動平臺以及各個連接支鏈。此時注意建立的模型的單位設置應該為“MKS”(Meter Kilogram Second),同樣在創建裝配圖時也要注意這個問題,這是因為把實體模型轉化到ADAMS軟件中時,只能辨認這種單位設置,設置成其他單位時會出錯。

分別創建完各個零件后,就需要把各個零件組裝成裝配圖,建立裝配圖時需考慮到各個構件運動的初始位置,最好是在最開始的裝配時就設置成構件運動的初始位置,減少以后調整的麻煩。

裝配完成后,就是利用proe和ADAMS軟件的接口程序Mechanism/Pro來生成ADAMS可以讀取的文件,這是這兩個軟件能無縫連接的關鍵所在。安裝好Mechanism/Pro后,在proe程序中,會出現MECH/Pro的級聯菜單,利用此菜單,可以指定機構的各個剛體,建立剛體之間的基本約束和一些參考的坐標,圖2即為建立了基本約束的實體模型。建立完成后,利用該接口程序可以直接把實體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

圖2 創建基本約束的三維模型

三、運動仿真

接下來就是在ADAMS程序中進行運動仿真。在ADAMS中導入利用Mechanism/Pro創建的ADAMS文件,其中基本的約束都已經創建完成。在ADAMS中需要進一步完善約束類型,例如在ADAMS中地面也作為一個剛體存在,因此要創建靜平臺和地面之間的固定連接。

然后設定驅的類型以及位置,在此機構中,分別在靠近靜平臺的轉動副處添加三個轉動作為驅動力。至此,就可以利用ADAMS來進行運動的模擬了,通過不斷的調整驅動的方向和大小,可以得到理想的運動狀態,圖3為動平臺運動的幾個不同位置。

利用ADAMS中的仿真結果后處理,可以創建仿真結果的數據曲線。如圖4所示,左圖中三條曲線分別代表動平臺三個方向的移動運動的線速度,可以看出三條曲線都具有很好的二次性,線速度的加速度非常穩定,具有很好的性能。右圖三條曲線分別為動平臺三個方向轉動的角速度,這三天曲線都為零,也就是說轉動角速度在整個運動過程中都為零。通過分析可知該動平臺只具有三個方向的移動,而角速度都為零,所以通過運動仿真驗證了該并聯機構動平臺只具有移動自由度,而不具有轉動自由度。