基于ADAMS的舵機(jī)云臺運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析

王洪帥 樊春洋 陳清泉 何流洪

摘 要：針對自主設(shè)計的一種舵機(jī)云臺的運動學(xué)和動力學(xué)問題，采用ADAMS軟件仿真分析了其運動學(xué)和動力學(xué)特性，得到了該舵機(jī)云臺正常工作時的性能和裝配特性，為實物設(shè)計提供了有力參考。

關(guān)鍵詞：舵機(jī)云臺;ADAMS;柔性體;仿真分析

Kinematics and dynamics simulation analysis

of steering gear pan tilt based on ADAMS

Wang Hongshuai Fan Chunyang Chen Qingquan He Liuhong*

College of Mechanical EngineeringGuizhou University GuizhouGuiyang 550025

Abstract：Aiming at the kinematics and dynamics problems of a selfdesigned steering gear pan tilt，the kinematics and dynamics characteristics are simulated and analyzed by using ADAMS software.The normal working and assembly characteristics of the steering gear pan tilt are obtained，which provides a strong reference for the physical design.

Key words：Steering gear pan tilt;ADAMS;flexible body;simulation analysis

云臺是無人機(jī)各大組成中的重要部件，云臺的功能、結(jié)構(gòu)等對飛行器的影響是巨大的[1]。云臺是安裝在無人機(jī)上用來掛載相機(jī)等拍攝設(shè)備的機(jī)械構(gòu)件，一般云臺都能滿足相機(jī)的三個自由度的旋轉(zhuǎn)，每個軸心內(nèi)都安裝有電機(jī)，當(dāng)無人機(jī)傾斜時，同樣會配合陀螺儀給相應(yīng)的云臺電機(jī)加強(qiáng)反方向的動力，防止相機(jī)跟著無人機(jī)“傾斜”，從而避免相機(jī)抖動，大部分云臺需要三個無刷電機(jī)來控制三個關(guān)節(jié)，調(diào)整攝影云臺的方向，從而實現(xiàn)其功能。

現(xiàn)有云臺大都是使用無刷電機(jī)來控制的，具有反應(yīng)靈敏、精度高等優(yōu)點，本文研究的是自我設(shè)計的舵機(jī)云臺，舵機(jī)云臺雖然沒有高精度、高靈敏性，但成本低，結(jié)構(gòu)也相對簡單，我們使用ADAMAS仿真軟件對該舵機(jī)云臺進(jìn)行了運動學(xué)和動力學(xué)仿真[2]，并得出了簡單的一些性能和裝配要求結(jié)論。

1 舵機(jī)云臺三維模型的創(chuàng)建

Solidworks是專業(yè)的三維模型設(shè)計軟件，可以輕松方便的建立零件以及裝配體三維模型，自1995年問世以來，因其優(yōu)越可靠的性能受到了機(jī)械工程師以及同學(xué)們的廣泛歡迎。建立舵機(jī)云臺模型的過程如下所示：

（1）首先在軟件創(chuàng)建零件命令內(nèi)創(chuàng)建草圖，并通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等命令完成零件模型的設(shè)計，創(chuàng)建完成的零件三維模型如圖1所示，分別是上板、下板、減震球、舵機(jī)、舵盤、支架、相機(jī)架。

（2）將建立的零件導(dǎo)入裝配體，設(shè)置各零件之間的配合關(guān)系，創(chuàng)建舵機(jī)云臺的裝配體模型，裝配完成的模型如圖2所示。

2 舵機(jī)云臺仿真模型的創(chuàng)建

2.1 舵機(jī)云臺仿真模型

ADAMS軟件是美國機(jī)械動力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（現(xiàn)已并入美國MSC公司）開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。該軟件可以對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線等[3]。舵機(jī)云臺仿真模型創(chuàng)建過程如下：

（1）利用Solidworks的Parasolid格式數(shù)據(jù)接口，將創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中;

（2）對模型中的零件實行布爾操作，簡化模型;

（3）對簡化模型中的零件添加運動副;

（4）添加模型添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，并對驅(qū)動添加STEP函數(shù)運動[4];

（5）設(shè)置材料密度、重力等參數(shù)。ADAMS創(chuàng)建完成的仿真模型如圖3所示。

2.2 ADAMS柔性體

ADAMS可以對關(guān)鍵部件創(chuàng)建柔性體實現(xiàn)剛體和柔體相結(jié)合的方式實現(xiàn)對模型的更精確分析[5]，利用ADAMS/ViewFlex模塊生成mnf文件創(chuàng)建柔性體的過程如下[6]：

（1）選擇Buid→Flexible Bodies→ViewFlex，在Part to meshed一欄中選取創(chuàng)建柔性體的零件，并勾選Manual Replace和Stress Analysis，點擊OK，創(chuàng)建mnf文件;

（2）選擇Build→Flexible Bodies→Rigid To Flex，導(dǎo)入mnf文件。創(chuàng)建完成的柔性體如圖4所示。

3 舵機(jī)云臺運動學(xué)和動力學(xué)仿真

3.1 運動學(xué)仿真

對舵機(jī)云臺的上板施加外加驅(qū)動，其速度函數(shù)為STEP（time，0，0d，5，40d）+STEP（time，7，40d，12，40d）+STEP（time，14，40d，19，0），得到的運動學(xué)仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，圖5為x軸方向質(zhì)心位移曲線，圖6為x軸方向質(zhì)心速度曲線，其中實線為云臺上板的運動，虛線為相機(jī)架的運動，從圖中可看出，相機(jī)架為保持原狀態(tài)，當(dāng)上板以一定速度向某方向運動時，相機(jī)架總是向相反方向運動更大位移，且速度相對更快，與理論分析結(jié)果一致。

3.2 動力學(xué)仿真

影響舵機(jī)云臺工作的主要因素是自身重力以及安裝在相機(jī)架上的相機(jī)的重力影響，現(xiàn)假設(shè)相機(jī)重量集中在相機(jī)架中心位置，施加一集中力在相機(jī)架中心位置，仿真運行得x，y，z軸節(jié)點各方向的受力曲線，y方向的受力如圖6所示，從中可知，各節(jié)點出受到的力很小，以普通螺栓連接完全符合要求，取x和z軸的控制支架作應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果后處理，其應(yīng)力云圖如7、圖8所示，從中可知支架應(yīng)力集中在各連接處，在設(shè)計時只需考慮這幾處滿足應(yīng)力要求即可。

相機(jī)的質(zhì)心位置對舵機(jī)控制和支架受力有一定影響，所以在安裝相機(jī)時需要考慮相機(jī)的具體位置，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)平工作，下面通過調(diào)整力施加在相機(jī)架不同位置時的支架受力情況來模擬相機(jī)安裝不同位置時對支架受力的影響，為使效果更明顯，加大了具體施加的力的大小。結(jié)果如圖9、圖10所示，圖9為力施加在相機(jī)架上遠(yuǎn)離x軸舵機(jī)位置時z軸控制支架的結(jié)果，圖10為力施加在相機(jī)架上靠近x軸舵機(jī)位置時z軸控制支架的結(jié)果，從支架1各對應(yīng)關(guān)鍵點的受力狀態(tài)的比較可知，相機(jī)安裝在靠近x軸舵機(jī)的位置時為最優(yōu)狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過使用Solidworks建立舵機(jī)云臺三維模型，然后導(dǎo)入動力學(xué)仿真軟件ADAMS，進(jìn)而分析舵機(jī)云臺工作時的特性和狀態(tài)，為實物的搭建提供了理論支持，減少了問題的發(fā)生，極大地提高了效率，從仿真分析中發(fā)現(xiàn)舵機(jī)云臺工作時，相機(jī)架位移以及速度大于對上板施加的驅(qū)動位移和速度，支架上的應(yīng)力主要集中在連接處，相機(jī)安裝時，靠近x軸舵機(jī)時，支架受力更小，對云臺工作更有利。

參考文獻(xiàn)：

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[5]楊傳寧，董明曉，梁立為，馮潤輝，和大龍.基于ADAMS的塔式起重機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)[J].起重運輸機(jī)械，2020（16）：6264+70.

[6]劉靜，林沖，郭世財.基于ADAMS和ANSYS的機(jī)械臂剛?cè)狁詈线\動學(xué)分析[J].機(jī)床與液壓，2020，48（17）：2528+107.

基金項目：2019年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（AHZXY20200506003）

作者簡介：王洪帥（1999— ），男，本科，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院學(xué)生。

*通訊作者：何流洪（1986— ），男，碩士研究生，高級實驗師，貴州大學(xué)工程訓(xùn)練中心基礎(chǔ)制造實驗室、3D打印工作室、競創(chuàng)空間負(fù)責(zé)人，長期從事無人機(jī)及機(jī)器人的教學(xué)及研究工作。