應(yīng)用Adams實現(xiàn)夾緊機構(gòu)動作的研究

賈海明+宋佳

摘 要：使用PRO/E軟件對爬管夾緊機構(gòu)進行了三維建模，在ADAMS軟件中進行動力學(xué)仿真工作。這里采用ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands解決了夾緊機構(gòu)在運行中既需要運行滑移副又需要運行轉(zhuǎn)動副的問題，使ADAMS函數(shù)成為仿真工作的高效輔助工具。

關(guān)鍵詞：ADAMS；仿真；函數(shù)

中圖分類號：TH164 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0017-02

引言

虛擬樣機技術(shù)作為一種計算機輔助工程技術(shù)，是一種嶄新的產(chǎn)品設(shè)計研究方法，可以用來替代物理樣機進行設(shè)計和研發(fā)工作。在爬升類的機器人機構(gòu)中，常常涉及到夾緊機構(gòu)的設(shè)計研發(fā)工作。ADAMS軟件在仿真過程中，由于夾緊機構(gòu)部分既涉及到夾緊動作，又需要傳送動力，增加了仿真工作的難度。而ADAMS在進行一些特殊的仿真工作時，往往只進行建模、添加約束、驅(qū)動不能夠滿足工作的需要，需要用傳感器或者仿真腳本的函數(shù)進行輔助工作才能實現(xiàn)目的。本文通過使用Adams的腳本函數(shù)實現(xiàn)了夾緊機構(gòu)的仿真工作，為它的應(yīng)用和設(shè)計提供了參考。

1 爬管機器人夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

爬管機器人夾緊機構(gòu)簡化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，機器人主體結(jié)構(gòu)包含了導(dǎo)向輪、滑塊、摩擦輪、推力桿等幾個零件。爬管機器人由導(dǎo)向輪和摩擦輪在機構(gòu)夾緊之后，靠摩擦輪與管產(chǎn)生的摩擦力在管上滾動。兩個導(dǎo)向輪與摩擦輪呈三角形分布，摩擦輪的軸處在滑塊中，而摩擦輪與管的夾緊，靠與它相連的滑塊在推力桿的作用下實現(xiàn)。摩擦輪的動力來源于兩端的電機。

2 參數(shù)設(shè)置與仿真

2.1 添加地面

在PRO/E軟件中建立機構(gòu)的三維模型，分析無干涉之后將組裝件保存為*.x_t文件，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件里。由于要進行動力學(xué)分析，因此分別賦予實體模型以相應(yīng)的材料和顏色信息。重力方向為-y，仿真工作中的單位為MMKS。

夾緊機構(gòu)是在豎直方向上，由于設(shè)置了重力，在仿真過程中會使得模型出現(xiàn)自由落體現(xiàn)象。因此，需要在模型的下面構(gòu)建一個地面。選擇setting菜單中的working grind，在打開的參數(shù)設(shè)置對話框中選擇set-location以及pick。選擇管的中心，選擇完畢，柵格就會出現(xiàn)在管中心處。然后，選擇setting菜單中的work grind，在參數(shù)對話框中選擇set-orientation以及global xz。在俯視圖視角繪制一個薄的長方體，就會成功建立一個地面。為了使地面發(fā)揮作用，模型與地面之間建立solid to solid的接觸類型，這樣自由落體的現(xiàn)象就不會出現(xiàn)了。

2.2 添加約束及載荷

機器人夾緊機構(gòu)導(dǎo)入之后，依次給各個活動關(guān)節(jié)添加運動副。其中，管與地面是固定副；摩擦輪與機器人之間是旋轉(zhuǎn)副；滑塊與機器人之間是滑移副；推力桿設(shè)置了滑移副；導(dǎo)向輪與機器人之間是旋轉(zhuǎn)副。涉及到接觸的部分設(shè)置了接觸力，推力桿設(shè)置了單向力，驅(qū)動為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

在模型設(shè)置完運動副及載荷之后，為了保證模型可以正常運行，需要對整體進行驗證。驗證結(jié)果顯示，13 Gruebler Count （approximate degrees of freedom），19 Moving Parts （not including ground），6 Revolute Joints， 9 Translational Joints，4 Fixed Joints，2 Motions，13 Degrees of Freedom for .MODEL_ROBOT4。There are no redundant constraint equations.Model verified successfully。因此，此模型無過約束的問題，符合動力學(xué)仿真分析的要求。

2.3 函數(shù)設(shè)置

由于仿真的類型多變，涉及到的仿真機構(gòu)復(fù)雜程度也不盡相同，因此ADAMS提供了較為豐富多樣的函數(shù)。即使是一些不能用具體表達式表示的函數(shù)，也可以通過數(shù)據(jù)元素來擬合出一個函數(shù)。在ADAMS中，函數(shù)主要分為設(shè)計過程函數(shù)和運行過程函數(shù)兩類。建立模型過程中使用的函數(shù)是設(shè)計函數(shù)，運行過程函數(shù)則只用于仿真計算過程。運行過程函數(shù)依賴于模型仿真過程的時間或模型在仿真過程中的狀態(tài)，它在不同時刻的仿真是不一樣的。ADAMS/Solver有以下幾項優(yōu)點：

（1）使用穩(wěn)定的建模方法可以對巨大的模型進行分析。

（2）可以對以機械部件、控制系統(tǒng)和柔性部件組成的多域問題進行分析。

（3）支持多種分析類型，其中包括運動學(xué)、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)、線性或非線性動力學(xué)分析。

（4）一個自動建立并解算用于機械系統(tǒng)運動仿真方程的，快速、穩(wěn)定的數(shù)值分析工具。

（5）提供一種用于解算復(fù)雜機械系統(tǒng)復(fù)雜運動的數(shù)值方法。

在ADAMS中，由于摩擦輪設(shè)置了旋轉(zhuǎn)副，在滑塊的作用下又要實現(xiàn)移動工作來實現(xiàn)夾緊動作，就會造成沖突，導(dǎo)致仿真失敗。ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands由于可以使運動副在某段時間失效，可以使旋轉(zhuǎn)動作與滑移動作在不同時間段出現(xiàn)，從而完成仿真工作。要求仿真過程5s，夾緊動作1s，剩余4s完成夾緊機構(gòu)的爬升動作。因此，仿真時間為5s，仿真步數(shù)steps=500。在仿真時，需要選擇腳本控制仿真。函數(shù)具體設(shè)置情況如圖2所示，其中，ID4為仿真模型中摩擦輪的旋轉(zhuǎn)副在ADAMS求解器中的標(biāo)記號。仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出ADAMS很好的完成了仿真工作。

3 結(jié)束語

文章通過設(shè)置ADAMS中腳本函數(shù)Adams/Solver Commands，實現(xiàn)了夾緊機構(gòu)在ADAMS軟件中的仿真工作。可以看出，只要合理使用ADAMS中的腳本函數(shù)，就可以實現(xiàn)復(fù)雜機構(gòu)或者復(fù)雜動作的仿真工作。在仿真中發(fā)現(xiàn)，這種機構(gòu)會使得仿真速度變慢，在設(shè)計工作中應(yīng)盡量避免。

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