实验设计基于adams的机械腿部机构运动仿真

目 录1实验目的12实验设备和工具13实验原理14实验步骤14.1启动ADAMS/View程序14.2检查和设置建模基本环境24.2.1背景设定24.2.2检查默认单位系统24.2.3设置工作栅格24.2.4动态调整活动窗口34.2.5检查重力设置34.2.6设置ADAMS默认存盘目录34.3几何建模34.3.1显示坐标窗口34.3.2定义连接点34.3.3连杆几何建模44.3.4滑块几何建模54.4施加运动副和驱动64.4.1施加铰接副64.4.2添加棱柱副64.4.3滑块固定74.4.4施加驱动74.4.5保存机械腿部机构模型84.5验证模型84.6机械腿部行走机构仿真分析84.6.1运动学仿真84.6.2动力学仿真124.7录制动画134.8保存数据145实验结果146实验对比147实验思考157.1建模和仿真的步骤157.2工作栅格的作用167.3参数End time和Steps的含义168实验总结1617基于ADAMS的机械腿部机构运动仿真 1实验目的（1）初步掌握多体动力学分析软件ADAMS中实体建模方法；（2）初步掌握ADAMS中施加约束和驱动的方法；（3）计算出在该驱动作用下连杆运动的位移、速度和加速度等相关参数。2实验设备和工具（1）ADAMS软件；（2）CAD/CAM机房。3实验原理设计一种机械腿部行走机构（如图1所示），并根据实际工况，在软件中建立相应的几何、约束及驱动模型，即按照该行走机构的实际尺寸，建立曲柄、连杆和滑块的几何实体模型；把曲柄和连杆、连杆和连杆之间的实际连接简化成铰链连接，从而在软件中建立其转动副模型；把连杆和滑块之间的实际连接简化成滑动杆连接，从而在软件中建立其移动副模型；把曲柄的驱动运动建立相应的驱动模型；然后利用计算机进行动力学模拟，从而可以求得曲柄、连杆和滑块零件在实际工况下的任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度等一系列参数。图1 结构示意图4实验步骤4.1启动ADAMS/View程序在windows XP的开始启动，选择所有程序，再选择MSC.software，然后选择MSC.ADAMS2005中的ADAMS-view，启动ADAMS/View程序；在欢迎对话框（如图2所示），选择Create a new model 项；在模型名称栏输入jixietui；重力设置选择Earth Normal（-Global Y）参数；单位设置选择MMKS系统（MM，KG，N，SEC，DEG，H）；图2 ADMAS欢迎对话框选择OK按钮关闭该对话框。4.2检查和设置建模基本环境4.2.1背景设定在Settings菜单中选择View Background Color命令，将弹出Edit Background Color对话框如图3所示，选中白色，单击OK关闭该对话框。图3 背景编辑对话框4.2.2检查默认单位系统在Settings菜单中选择Units 命令，显示单位设置对话框如图4所示，当前的设置应该为MM，KG，S系统。图4 单位设置对话框4.2.3设置工作栅格（1）在Settings菜单，选择Working Grid命令，显示设置工作栅格对话框如图5所示；（2）设置Size X=400mm， Size Y=400mm， Spacing X=10mm，Spacing Y=10mm， 勾选Show Working Grid，显示网格及坐标，若建模中直观分析，可将其勾去；（3）选择 OK按钮关闭该对话框。图5 工作栅格设置对话框4.2.4动态调整活动窗口在主工具箱中，选择工具 ，在窗口内上下拖动鼠标，使之显示整个工作栅格。4.2.5检查重力设置在Settings菜单，选择Gravity命令，显示设置重力加速度对话框如图6所示；当前的重力设置应该为X=0，Y=-9806.65，Z=0，Gravity=ON；选择OK按钮。图6 重力加速度设置对话框4.2.6设置ADAMS默认存盘目录在File菜单，选择Select Directory栏，显示寻找目录对话框；输入要存盘的路径，选择OK按钮。4.3几何建模4.3.1显示坐标窗口按F4键，界面右下方出现如图7所示框图。图7 位置坐标4.3.2定义连接点鼠标右击主工具箱的几何建模工具集，选取定义点工具；选择参数；Add to Ground，Dont attach，具体如图8；单击Point Table后，出现如图9所示表格编辑器，按照表1所示的坐标，分别定义A、B、C点，单击OK关闭该对话框。图8 Point对话框图9 表格编辑器表1 定义连接点及坐标坐标点变量名XYZAPOINT_1000BPOINT_20300CPOINT_3110300DPOINT_4200300EPOINT_5200-1200FPOINT_6200-37004.3.3连杆几何建模（1）在几何建模工具集，选取连杆建模工具；（2）在参数设置栏，选择New Part；Width=ON，Width=20mm，如图10所示；图10 Link参数设置（3）选择POINT_1点为起始绘图点，拖动鼠标POINT_2，释放鼠标键，完成建模；（4）依次按照上述步骤，分别建立POINT_2和POINT_4，POINT_4和POINT_6之间的连杆建模，完成后的连杆建模如图11所示。图11 完成连杆建模4.3.4滑块几何建模（1）在几何建模工具集，选取立方体建模工具；（2）在参数设置栏，选择New Part；Lenght=ON，Height=ON；Lenght=60mm，Height=40mm，如图12所示；图12 Box参数设置（3）选择POINT_3，产生滑块几何模型；（4）同理，在参数设置栏，选择New Part；Lenght=ON，Height=ON；Lenght=40mm，Height=60mm；选择POINT_5，产生滑块几何模型，滑块建模完成，如图13所示。图13 完成滑块建模4.4施加运动副和驱动4.4.1施加铰接副 曲柄在A点处通过铰接副同地面框架连接，在B、D点处分别通过铰接副将曲柄与连杆，连杆与连杆连接。（1）添加曲柄与地面框架铰接副。在主工具箱的连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择1Location，Normal To Grid；选择POINT_1点，完成设置。（2）添加曲柄与连杆铰接副。连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择2-Bod-1Loc，Normal to Grid，如图14所示；依次选择：曲柄、连杆、POINT_2，完成设置。图14 Revolute Joint参数设置（3）添加连杆与连杆铰接副。连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择2-Bod-1Loc，Normal to Grid； 依次选择：连杆、连杆、POINT_4，完成设置，如图15所示。图15 完成铰接副4.4.2添加棱柱副（1）在主工具箱，选择棱柱副工具。（2）在主工具箱参数设置栏，如图16所示，选择2-Bod-1Loc，Pick Feature。图16 Translation Joint参数设置（3）依次选择：连杆、滑块、POINT_3、方向指向曲柄，完成第一个棱柱副设置。（4）同理，按上述操作步骤，依次选择：连杆、滑块、POINT_5、方向指向POINT_4，完成第二个棱柱副设置，如图17所示。图17 完成棱柱副4.4.3滑块固定（1）添加滑块与地面框架铰接副。在主工具箱的连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择1Location，Normal To Grid；选择POINT_3点，完成第一个滑块固定地面设置。（2）同理，按上述操作步骤，选择1Location，Normal To Grid；选择POINT_5点，完成第二个滑块固定地面设置，设置完成后如图18所示。图18 完成滑块固定4.4.4施加驱动（1）在主工具箱的运动工具集，选择旋转运动工具图标，显示定义旋转运动如图19所示对话框；图19 Rot Joint Motion参数设置（2）选择 JOINT_1，完成转速设置。4.4.5保存机械腿部机构模型在File菜单，选择Save Database。当前模型的平面图如图20所示：图20 机械腿部机构模型4.5验证模型右击ADAMS窗口下方的Information（信息）按钮，弹出信息工具集，单击验证模型按钮，弹出“Information（信息）”窗口，如图21所示，模型验证无误后，关闭信息窗口。图21 “Information（信息）”窗口4.6机械腿部行走机构仿真分析4.6.1运动学仿真（1）在主工具箱中选择，再单击仿真工具。（2）在主工具箱参数设置栏，选择Kinematic，取End Time=40，Steps=80，单击，开始仿真，设置如图22所示。图22 仿真参数设置（3）选择SimulationScriped Control，在对话框中单击，并在随后的对话框中输入Kinematic，单击OK按钮关闭该对话框。（4）仿真回放，在主工具箱中单击，选择合适的回放方式进行操作。4.6.1.1建立测量（1）鼠标右键单击需要测量的部件（PART_4点的位移、速度、加速度），系统打开右键快捷菜单，选择Measure；（2）系统打开参数对话框，如图23，将Measure Name修改为Position_X，Characteristic设为CM Position，Component 设为X，测量X向位移；图23 设置参数（3）点击Apply，出现空白的测量窗口；（4）重复上述步骤，将Characteristic设为CM Velocity，新建测量速度；（5）重复上述步骤，将Characteristic设为CM Acceleration，新建测量加速度，具体曲线如图24所示。（6）如需测量其他部件的位移、速度、加速度以及力其测量方法相同。 位移X方向位移 位移Y方向位移 速度X方向速度 速度Y方向速度 加速度X方向加速度 加速度Y方向加速度图24 仿真结果4.6.2.2利用ADAMS/PostProcessor绘制测量曲线（1）在主工具箱，选择绘图工具，进入ADAMS/PostProcessor程序；（2）在图形控制区的Source栏中选择Objects，并按图25所示在Filter栏中选择boby；（3）在Object选择栏中选择构件PART_4；（4）按下Ctrl键，在Characteristic栏中选择CM_Position、CM_Velocity、CM_Acceleration，在Componer栏中选择X，然后单击Add Curves按钮，可看见如图25所示内容；图25 X方向上位移、速度、加速度曲线（5）同理，分析点（PART_4）的Y方向位移、速度、加速度曲线如下图26所示。图26 Y方向上位移、速度、加速度曲线（6）同理，分析点运动能量、平移运动能量、有尖角的运动能量曲线如下图27所示。图27 运动能量、平移运动能量、有尖角的运动能量曲线（6）类似的，分析点平动动量、有尖角动量和潜在能量曲线如下图28所示。图28 平动动量、有尖角动量和潜在能量曲线4.6.2动力学仿真（1）在主工具箱中选择，再单击仿真工具。（2）在主工具箱参数设置栏，选择Dynamic，取End Time=40，Steps=80，单击，开始仿真。（3）单击，选择合适的回放方式进行操作。4.6.2.1确定曲柄所需的驱动力矩用测量的方法确定曲柄所需的驱动力：用鼠标右键单击MOTION_1，再在下级菜单中选择Measure，在出现的驱动力矩测量创建对话框中，按图29所示的内容进行设置。单击OK按钮，出现驱动力矩测量曲线，如图30所示。选择SimulationScriped Control，在对话框中单击，并在随后的对话框中输入Dynamic，单击OK按钮。图29 驱动力矩测量创建 图30 驱动力矩测量曲线4.6.2.2保存分析结果选择SimulationScriped Control，在对话框中单击，并在随后的对话框中输入Dynamic，单击OK按钮。4.6.2.3绘制驱动力矩曲线在主工具箱中选择，然后单击，在绘制区单击鼠标右键，选择Load Plot，在Simulation中选择Dynamic，Source中选择Measure，单击Add Curves按钮，添加驱动力矩、角度曲线，结果如图31所示。图31 驱动力矩、角度曲线4.7录制动画在PostProcessor的工具栏单击，在曲线绘制区域单击鼠标右键，选择Load Animation，然后在File菜单中选择Select Directory，在出现的对话框中选择要录制动画的存放位置，单击，系统自动开始录制。4.8保存数据单击PostProcessor工具栏上的，返回ADAMS/View工作界面。在File菜单中选择Save Database，此时会出现一提示对话框，选择Yes，保存样机同时产生备份文件；选择No，则只保存样机文件。5实验结果由于该机械腿部结构是在X-Y平面运动，故不考虑Z方向所受作用力及其效果。其结构在PRO/E仿真中得出其腿部结构分析点（即与地面接触点）处的轨迹如图32所示，近似水滴状。其位置、速度、加速度最小、最大时刻分散，即其速度最大处并非加速度最大处。位置和速度的变化是一个缓慢的周期性曲线，而加速度在其中某一部位达到最大值和最小值，且在最大值处的冲击作用最为明显。图32 机械腿部机构分析点轨迹6实验对比对于该机械腿部机构，分别用ADAMS与PRO/E进行运动仿真分析，均可得出分析点位置、速度、加速度运动曲线和仿真动画，但分析过程中，明显感觉用ADAMS软件进行机械动力学仿真更方便快捷，且所得数据曲线更细腻可变。下图33、34为用PRO/E进行机械腿部机构仿真分析，求得X、Y方向上的位移、速度、加速度曲线，其与该机构用ADAMS软件分析结果可得出上述结论。图33 POR/E分析X方向位移、速度、加速度曲线图34 POR/E分析Y方向位移、速度、加速度曲线7实验思考7.1建模和仿真的步骤（1）建模(Build)：创建零件、约束零件、定义作用在零件上的力；（2）测试模型(Test)：测试特征、进行仿真、察看动画、察看结果曲线；（3）验证模型(Validate)：输入测试数据、在绘制的曲线图上添加测试数据；（4）模型优化(Refine)：添加摩擦、定义柔性体、施加作用力函数、定义控制；（5）迭代(Iterate)：增加参变量、定义设计变量；（6）优化分析(Optimize)：进行设计敏感性研究、完成试验设计、进行优化研究；（7）宏操作(Automate)：创建用户菜单、创建用户对话框、以宏的形式记录并重新进行模型操作。7.2工作栅格的作用建模时建立工作栅格的目的是对分析机构尺寸有个范围概念，以便建模的方便。7.3参数End time和Steps的含义End time：定义仿真分析停止的绝对时间；Steps：在整个分析过程中总共输出的步数，如对一个总共10s的分析过程，如定义200步输出，则每隔0.05s输出一次仿真结果。8实验总结 首先感谢XX老师在这一学期对我们的教育，使我们对高等动力学相关知识系统的学习和掌握提供了非常必要的帮助和指导。在这学期的学习中，基本了解了刚体运动学、刚体动力