毕业论文-地沟自动清淤机器人执行装置设计及动态模拟仿真

地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 I 摘 要 在大型的冶炼生产中，清理废渣是生产中的重要工序，但是目前国内外尚且没有技术成熟的自动清淤装置，通常是由传统的人工作业方法来完成，人工作业的弊端主要表现在工期长、工人安全得不到保证等。如果再清淤过程中采用先进的机器人去完成，将有利于提高清淤工作的效率。 本文在研究了实际情况的前提下，设计出了自动清淤机器人的执行装置，运用 UG 三维设计软件强大的建模功能建立了自动清淤机器人的虚拟样机，然后通过机械系统动力学仿真软件 ADAMS，将所建立的模型导入其中，对其进行了仿真。 关键词 ：清淤机器人 执行装置 ADAMS 仿真 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 II Abstract In a large smelting production, cleaning up the production of waste is an important process, but there is no mature technology for automatic dredging equipment both in our country and abroad, we usually use the traditional method-manual work to complete, the mainly shortcomings of manual operations are long duration, the safety of workers cannot be guaranteed and so on. If we use advanced robots to complete the re-dredging, it will improve the efficiency of the dredging work. In this paper, based on the actual situation, designed the device of the automatic dredging robot, used UG three-dimensional design softwares powerful modeling capabilities to establish an automatic dredging robot prototype, and then through the mechanical dynamics system of software ADAMS, put the model into the robot to make a simulation. Key words: dredging robot ， device of the automatic dredging robot， ADAMS simulation 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 III 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 内容 综述 . 3 1.3.1 工业机械手的国内外发展状况 . 3 1.3.2 日本契岛冶炼厂的铅清淤机 . 5 1.3.3 工业机器人执行装置的研究现状 . 5 1.4 本文的研究内容 . 6 第二章 执行装置结构设计 . 8 2.1 电动机的选择 . 8 2.2 减速器的选择 . 9 2.3 机器人结构设计 . 10 第三章 自动清淤机器人执行装置的 UG 建模 . 15 3.1. UG 软件介绍 . 15 3.2 零件图、装配图的绘制 . 16 第四章 自动清淤机器人的仿真 . 21 4.1 ADAMS 软件简介 . 21 4.1.1 用户界面模块（ ADAMS/View） . 21 4.1.2 求解器模块（ ADAMS/Solver） . 22 4.2 ADAMS/View 模块建立仿真模型的步骤 . 23 4.3 ADAMS 仿真过程中常用的函数 . 24 4.4 模型的导入及 ADAMS/VIEW 工作环境的设置 . 25 4.4.1 将 UG 模型导入 ADAMS. 25 4.4.2 ADAMS/View 工作环境的设置 . 31 4.4.3 添加约束 . 31 4.5 ADAMS 中的运动仿真 . 32 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 IV 第五章 结论与展望 . 39 一取得的成果 . 39 二存在的问题以及进一步改进的方向 . 39 第六章 经济性分析报告 . 40 6.1 经济效益分析 . 40 6.2 市场前景分析 . 40 第七章 毕业设计总结 . 41 参 考 文 献 . 42 致 谢 . 43 声 明 . 44 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 1 第一章 前 言 1.1 选题背景 作为大型冶炼生产中的重要工序，在线废渣清理仍然是有传统的施工方法 -人工作业来完成，人工作业的种种弊端日趋暴露例如，人工作业不仅清理的工期长 , 工人的 安全得不到有效的保障 , 由于受到周围环境严重的影响 , 而且还会影响车辆的正常行驶 , 甚至影响到工厂生产的正常运行。在这种严峻的形势下，国内外迅速开发技术成熟的自动请与设备日趋 重要。相比起传统的人工方法，采用先进的机器人去梳理地沟，在清理每一处死角上可以有效地提高地沟清淤 工作进程。这是一种采用新型机械结构和控制系统的机器人，利用它为更有效地完成地沟的清淤工作提供了解决方案 。 图 1-1 冶炼废渣 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 2 1.2 研究意义 人工 清淤 的弊端 : 主要是铅蒸汽的危害。由于铅熔沸点较低 (熔点 327.5 ，沸点 1740 )，并且属于重金属，浇注现场从高温的铸模中逸出大量铅蒸汽。 长期现场的工作使得铅蒸汽大量进入清淤作业工人体内 ， 很容易造成铅中毒，这也是冶炼工人的职业病之一 。冶炼工人每年都需要定期休假疗养，使用药物排毒。 另外， 又现场照片我们可以看到工作条件非常恶劣 ，表现为 : (l)不仅有 500 的高度，而且烟尘很重。 (2)铅液遇水汽易发生爆炸飞溅，对 清淤 工人有烫伤的危险 ; (3)劳动强度大，若由人工进行 清淤 ，操作者在铸模旁弯腰作业，逐模 清淤 ，动作频繁。因为在浇铸生产线上，铅模以工艺要求的速度传送，要保证 清淤 效率，工人需要每 8 秒钟需完成一次 清淤 、抛渣、清铲、返回等动作循环。 到目前，国内外还未研制出技术成熟、效果理想的自动 清淤 设备，在我国的电铅生产行业中，仍是由工人在恶劣的生产现场实行人工 清淤 ，严重损害了工人的身体健康。所以，实行机械化、自动化 清淤 是电铅生产行业中函待解决的技术问题。 清淤 机特征 : 它是由机械手与输送机相接合，采集和输送功能合二为一，采用电动液压控制系统的生产装置，具有安全环保、能耗小、效率高的特点。是矿山及小性遂洞必不可少的先进的采矿装备，是人工和其它机械的替代产品 . 清淤 机的优点 : 清淤 机包含液压行走，挖掘采集，输送，装车，清底五种功能。其中液压行走功能是通过液压马达，减速机，传动轴，再到减速机输送驱动车轮，液压马达具有前行，后退，自动刹车三种功；挖掘采集功能由机械手完成，机械手具有挖掘、伸臂、装料、卸料功能，大臂可上升、下降、左右回转，挖掘采集的 操纵由全液压控制，由两个手柄操作，操作方式于挖掘机类似，此技术综合采用大型挖掘机操作流程改进而成使用方便，易操作 .输送，装车功能由输送机系统完成，其输送架由液压缸控制升降，输送架下降时可将前轮支起，同时输送架前接料口与矿石接触面更加紧密，工作时稳定性更强，同时可以接合散料，平整常地，传送带宽度为 650-700mm,传送速度为 800-900mm/秒 ,传送带又一台 2.2kw电机带动减速机驱动主动滚筒 ,此方式传动性能更稳定 ,使用寿命更长 ,维修更方便 .另外 ,清淤 机改变了原来施工的半机械化、间断出渣装运并需大量人工协 同的低速度高地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 3 安全风险、高成本的状态。 清淤 机集扒、挖、耙、装、运、卸行走于一体，行走、挖掘、采集、输送、装车、清理场地六种功能，可连续高效生产 。 图 1-2 巷道扒装机 图 1-3 直铲履带式清淤机 1.3 内容 综述 1.3.1 工业机械手的国内外发展状况 机 械手是 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 4 或操作工具的自动操作装置。 作为最早出现的工业机器人以及现代机器人，机械手可以通过代替人的劳动来实现生产的自动化和机械化，特别是一些比较危险的环境，可以保护人的安全，所以它广泛应用于原子能，机械制造，冶金，电子等部门。 它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于 20 世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是 1946 年第一台数字电子计算机问世以 来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时， 自动化技术在生产需求的推动下不断大步发展，与此同时又为机器人的发展打下了基础。而在其他方面 ，核能技术的研 究 需要一些机器去处理放射性物质，以避免人去处理的危险 。在这一需求背景下，美国于 1947 年开发了遥控机械手，1948 年又开发了机械式的主从机械手。 机械手首先是从美国开始研制的。 1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机 器人差不多都采用这种控制方式。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是 1962 年美国 AMF 公司推出的 “VERSTRAN” 和 UNIMATION 公司推出的“UNIMATE” 。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成 ，这些机器人可以代替人去做一下生产过程中比较繁重的中作 ， 并且可以深入危险区域 ， 因而 广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。 1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制 和应用机械手。从第七个五年计划(1986 1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所 (SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服 电机，编码器， DC-PWM等等 随着工业装配线自动化程度的提高，并日趋向柔性化发展。自动化机械被越来越多的应用在各行业生产环节，机械手技术应用是因为它使用成本底 ,品质高 ,替代许多传统的设备，能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 5 运对象或操作工具的自动操作装置。同时也可代替人工的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在特殊环境下重复操作以保护人身安全，现已成为实现工业自动化的一种重要手段 ,并成为机械加工人员所需掌握的生产工具， 所以受到机械制造、冶金、电子、包装、塑料、轻工和原子能等众多行业 人士 的关注。 1.3.2 日本契岛冶炼厂的铅清淤机 清淤 机作为电铅冶炼生产线的辅助装置，目前还没有技术成熟的设备投入使用。国内外冶炼企业多是根据各自生产情况，制定了相关设计方案。 清淤 机布置在电铅铸锭机定量浇注机处， 清淤 机各部件设置在一个小车上，而集渣斗、渣斗设置在电铅铸锭机旁。 清淤 小车随铸定机的锭模同步运行，两个 清淤 机械手在气缸作用下张开，同时下降到铅液中，机械手合拢，将铅锭表面浮渣捞起后， 清淤小车脱离铅锭模返回时， 清淤 机械手在气缸作用下横向移到集渣斗上方后张开，铅渣落入集渣斗中，在气缸作用下集渣斗刮板将浮渣刮入渣斗之中。 该设备采用两 清淤 板合拢的方式除渣，尚未见投入生产应用以及工作情况的报道。该方案中实现 清淤 机械手的合拢运动较为困难，且由于机构复杂，其合拢精度和工作可靠性都难以保证。 1.3.3 工业机器人执行装置的研究现状 随着机器人研究的深入和各方面需求的巨大增长，机器人的应用领域在不断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限于搬运、焊接以及大批量作业的工业机器人， 人类已经研制成功或正在研制用于危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在机器人获得巨大发展的同时，机器人关键部件之一的机器人手爪也获得了长足的进步。作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，机器人手爪既是一个主动感知工作环境信息的感知器，又是最后的执行器，是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及机构学、仿生学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微 电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西，还能进行一些简单的操作。由于机器人手爪的重要性，美国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国研制成功了多种通用和专用的机器人手爪，手爪的灵活性和可靠性得到很大的提高，加上先进的感知系统，具备一定的自主能力，为机器人的灵地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 6 活抓取和操作奠定了坚实的基础。我国的机器人的研究开始于 70年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从 80年代至今，在国家 863计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展的主题，得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期。 1.4 本文的研究内容 目前，工程类的机械设计基本上有两种情况。其一，是根据具体加工对象的具体情况进行专门设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着我国机械行业的不断发展与成熟，广大机械设计者总结自己的理论与实践经验，将某些部件组合起来，有可能设计出具有新功能的通用部件。 由于现场情况的特殊性和复杂性，现有的机器都不适合现场工作。 图 1-4 清淤现场 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 7 图 1-5 清淤现场 本课题 是地沟清淤机器人的执行装置设计与动态仿真，基本是基于第一种情况而进行设计。鉴于执行装置的结构设计的特点，对本设计提出如下要求： （ 1） 快速稳定，能够快速又平稳的把废渣转移到传送 装置 上。 （ 2） 结构简单，造价便宜。 （ 3） 根据实际中的要求，在不用的时候应可以收回 。 根据以上要求，本设计拟解决以下几个问题： （ 1） 完成对执行装置的动力学分析。 （ 2） 完善并优化前爪的设计。 （ 3） 因为实际中要与传送装置配合清淤，所以设计时需适当考虑配合情况。 （ 4） 把理论应用到实际中，进一步完善清淤策略 。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 8 第二章 执行装置结构设计 2.1 电动机的选择 工 作 机 的 工 作 阻 力 F = G = vg = 7.8 103 1 0.065 0.3 3 10 =4563N 工作机所需要的功率 Pw = Fv = 4563 0.25 = 1140.75W 圆锥 -圆柱齿轮减速器的传动效率一般为 0.94 0.95，齿轮的传动效率一般为0.96 0.98，链传动的传动效率为 0.96。总传动效率为： = 1 2 33 = 0.94 0.96 0.963 0.80 所需电动机功率为： Pd = P/ = 1140.75/0.80 1426W 因载荷平稳，电机的额定功率 Ped 略大于 Pd即可。可选用 Y90L-4 型三相异步电动机。电动机以及电动机参数如下所示： 图 2-1 Y90L-4 三相异步电动机 型号 功率（ KW） 额定电流（ A） 额定转速（ rpm） 效率 功率因数（ cos） 堵转转矩 堵转电流 最小转矩 最大转矩 额定转矩Tst/TN 额定电流Lst/TN 额定转矩Tmin/TN 额定转矩Tmax/TN Y90L-4 1.5 3.7 1400 79.0 0.79 2.3 6.5 1.6 2.3 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 9 2.2 减速器的选择 减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式的传动装置，用来降低转速并相应的增大转矩。此外，在某些场合，也有用做增速的装置，称为增速器。减速器的种类有很多。如：齿轮减速器、蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器和谐波齿轮减速器等。这 5种系列减速器已有标准系列产品可以直接，使用时只需结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体的要求，从产品目录或有关手册中选择即可。只有在选不到合适的产品时才会自行设计。目前我国在制作和推广的还有滚子凸轮减速器、超环面蜗杆减速器等新型减速器。 考虑到齿轮减速器的 特点以及结合本次设计的要求，本次设计驱动主动轴所采用的 R77斜齿轮硬齿面减速机 ， 其参数如下 ： 图 2-2 R77 斜齿硬面减速机 图 2-3 减速机参数 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 10 2.3 机器人结构设计 地沟自动清淤机器人主要执行的任务是将通道中的废渣清理后传送到外部，而执行装置的任务主要是将通道中的废渣拾起并快速稳定的移动到传送装置部分。本文设计的地沟自动清淤机器人的执行装置主要包括三个滚轮，通过三个滚轮的传递把废渣稳定的转移到传送装置部分。 首先是最前端的滚轮，本文设计的最前端滚轮包含了四排滚齿，并且相邻两排互相交错，这样设计的目的是为了能够铲起尽量多的废渣。 前端滚轮的侧视图如下： 图 2-4 前端滚轮侧视图 滚轮的中间为空，四排滚齿的大小可根据实际情况加以修改。前滚轮的旋转方向和车轮相反。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 11 由于传送到传送装置需要一定的距离，所以这里设计两个滚轮来将废渣移动到传送装置，这两个滚轮设计结构相同。 中间滚轮侧视图如下 ： 图 2-5 中间滚轮侧视图 中间滚轮中间为空，是又中心滚轮和两个挡板构成，中间滚轮的旋转方向和前端滚轮相反。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 12 车体的设计按照实际地形和需求来进行，在能满足要求的情况下尽量减少所占空间。 本文设计的车体侧视图如下： 图 2-6 车体侧视图 之后就是将滚轮撞到车体上去，并加上车轮 。 由于前端齿滚轮和中间滚轮转动方向不同，因此需要一个齿轮过度来达到这个效果。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 13 组装后的三视图如下所示： 图 2-7 完整三视图 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 14 本章小结 本章主要完成的是自动清淤机器人结构的设计，绘制出了机器人的三视图，为下一章的三维模型建模打下基础 。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 15 第三章 自动清淤机器人执行装置的 UG 建模 本次采用 UG 来完成执行装置的建模， UG 有灵活的装配能力，并且 UG 与后面的仿真软件 ADAMS 有专用接口模块，可以进行图形的传递。再设计过程中，我应该尽量简化所设计的模型， 使得 后面 可以 取得更好的仿真效果 。 3.1. UG 软件介绍 UG 是 Unigraphics 的缩写，这是一个交互式 CAD/CAM(计算机辅助设计 与计算机辅助制造 )系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着 PC 硬件的发展和个人用户的迅速增长，在 PC 上的应用取得了迅猛的增 长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。 EDS 公司的 Unigraphics NX 是一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。 Unigraphics NX 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。 Unigraphics NX为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。 Unigraphics NX 能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证明为企业带来了 战略性的收益。 来自 UGS PLM 的 NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。 NX 包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。 如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。 NX 是 UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程 变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。 NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新， NX 的成功已经得到地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 16 了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成 到一个实现数字化管理和协同的框架中。 工业设计和风格造型 : NX 为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX 建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。 产品设计 : NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专 用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 仿真、确认和优化 : NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。 3.2 零件图、装配图的绘制 UG 软件的装配图是由各个零件图装配起来的，所以首先要绘制各个零件部分。零件图均根据实际尺寸及需要进行绘制，且各零件之间应当把关系调整好，以方便后面的装配。 装配图的绘制是在零件图的基础上进行的，将画好的零件图根据设计方案进行装配，执行装置的装配思路主要是：首先装配好车体，再将车前的滚轮装配到车体上面去。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 17 图 3-1 前滚轮 图 3-2 中间滚轮 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 18 图 3-3 车体 图 3-4 收集装置 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 19 图 3-5 车轮 图 3-6 车上盖 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 20 图 3-7 自动清淤机器人整体装配图 本章小结 这一章完成了自动清淤机器人在 UG 中的三维建模，通过利用 UG 建模软件强大的装配能力，对自动清淤机器人的结构进行了进一步的优化，并为之后的仿真打下了基础。 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 21 第四 章 自动清淤机器人的 仿真 4.1 ADAMS 软件简介 ADAMS 软件，即机械系统动力学自动分析软件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美国 MDI 公司 (Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前， ADAMS 己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近 8 千万美元、占据了 51%的份额。 ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构 和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 ADAMS 软件有两种操作系统的版本：UNIX 版和 Windows NT/2000 版。本书将以 Windows 2000 版的 ADAMSl2.0 为蓝本。 4.1.1 用户界面模块 （ ADAMS/View） ADAMS/View 是 ADAMS 系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、 X-Y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ADAMS/View 采用 简单的分层方式来完成建模工作。 Parasolid 内核包含了大量的零件几何图形库、约束库和力 /力矩库，并用其进行实体建模，它支持布尔运算、支持 FORTRAN/77 和 FORTRAN/90 中的函数。另外，还具备了给种各样的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力 /力矩函数、合力 /力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。 ADAMS/View 新版采用了改进的动画 /曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦 的二维点曲线、圆曲线、平面曲线、以及曲线曲线、实体实体等碰撞副地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 22 自动定义接触力；具有实用的 Parasolid 输入 /输出功能，可以输入 CAD 中生成的 Parasolid 文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个 Parasolid 文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束 (运动副或力 )后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的 20 倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同 一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持 lntel Windows NT 平台的快速图形加速卡，确保 ADAMS/View 的用户可以利用高性能 OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。 4.1.2 求解器模块 （ ADAMS/Solver） ADAMS/Solver 是 ADAMS 系列产品的核心模块之一，是 ADAMS 产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 ADAMS/Solver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。 ADAMS/Solver 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 ADAMS/Solver 新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数，仿真计算速度提高了 30%；采用新的 S12 型积分器（ Stabilized Index 2 intergrator），能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性，提高复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元 (梁、衬套、力场、弹簧 -阻尼器 )的新算法，可提高 S12 型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便，并且 spline 语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定义的数据 格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在 Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal 等约束中可定义各种摩擦特性。 4.1.3 后处理模块 （ ADAMS/Postprocessor） MDI 公司开发的后处理模块 ADAMS/Postprocessor，用来处理仿真结果数据、地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 23 显示仿真动画等。既可以在 ADAMS/View 环境中运行，也可脱离该环境独立运行。 ADAMS/Postprocessor 的主要特点是，采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象；具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能支持模态形状 动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有： *.gif， *.jpg， *.bmp， *.xpm， *.avi 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示。 ADAMS/Postprocessor 的主要功能包括： ADAMS/Postprocessor 为用户观察模型的运动提供了所需的环境， 用户可以随意播放动画，随时随刻停止播放动画，多种视角可供选择，使得用户可以更容易地完成模型排错任务；用户可以输入测试数据，绘图比较测试数据与仿真结果数据，对数据结果进行数学运算、对输出进行 统计分析来验证 ADAMS 仿真分析结果数据的有效性；用户可以输入测试数据，绘图比较测试数据与仿真结果数据，对数据结果进行数学运算、对输出进行统计分析来验证 ADAMS 仿真分析结果数据的有效性；用户可以图解比较多个模拟结果，从而选择合理的设计方案；为了提高设计报告的质量，可以再现ADAMS 中的仿真分析结果数据 ，也可以添加标题和注释； 为了加强仿真分析结果数据的表达效果可以载入实体动画；还可以实现同时播放三维动画和显示曲线的数据 位置，从而可以观察运动与参数变化的对应关系。 4.2 ADAMS/View 模块建立仿真模 型的步骤 （ 1）几何建模 几何建模是 ADAMS/View 仿真分析的第一步。首先要建立好几何模型，然 后通过约束和载荷等条件的添加完成虚拟样机模型，以进行仿真分析。 （ 2）对零件施加约束和运动 约束是用来限制和定义 ADAMS 中各 零件的位置和运动，模拟机械的实际运行状况，为准备后续分析组成完整的机械系统。零件的几何模型建立好后，然后就要定义约束。 ADAMS/View 的约束有四种：运动副约束 (Joints )、 基本约束 (Joint Primitives)、运动约束 (Motion Generators)、高副约束 (Higher Pair 地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 24 Constraints )。 （ 3） ADAMS/View 中的载荷 ADAMS/VIEW中的载荷主要指对模型施加力，不同于运动约束力，模型的运动不一定会受添加力的影响，自由度不可从模型中去掉。在 ADAMS/VIEW中有四种力接触力，特殊力，柔性连接力，一般作用力。 根据设定力的大小和方向定义，有 3种方法设定力的大小：输入子程序的传递参数，利用函数，直接输入数据，可以用过两点之间的连线确定力的方向， 也可以沿坐标轴定义。 （ 4） ADAMS/VIEW模块对模型进行仿真操作 模型建立完成后要对其进行仿真分析，这种分析与实际样机的运行测试相似，ADAMS/Solver根据自行运算得到移位，作用力，反作用力，速度，加速度等数据，并获得计算过程中的每一步息，并根据需要自行设定输出结果。 ADAMS/VIEW的计算内核 ADAMS/Solver共有动力学分析（ Dynamic），运动学分析（ Kinematic），静力学分析（ Static），装配分析（ Assemble），线性分析（ Linear）五种仿真分析，点击工具箱中的 Interactive Simulation Control图标进入仿 真对话框，选择 Default框中的仿真类型，在默认情况下模型可以进行自由度不为零的动力学分析和自由度为零的运动学分析，仿真时间和步数可在End Time和 Steps中设定。 4.3 ADAMS 仿真过程中常用的函数 ADAMS 常用函数主要包括以下 8 方面内容： （ 1） 数学函数 ：用于对标量和矩阵进行数学计算 （ 2） 位置 /方向函数：用于根据不同输入变量计算有关位置或方向的参数； （ 3） 建模函数：运动学建模函数返回 marker 点或构件之间位移的度量； （ 4） 矩阵 /数据函数：完成针对矩阵 /数组的操作； （ 5） 字符串函数：允许对字符串进行操作； （ 6） 数 据库函数：方便用户访问数据库； （ 7） GUI 函数组：用来进行图形用户界面的操作； （ 8） 系统函数组：提供针对 ADAMS 系统的操作； 在动力学模型建立和仿真过程中，模型相互关系的确定，运动关系的描述等情况，都要 涉及到在本质上有不同的两种函数形式，具体在仿真过程中是设计时间函数和随时间变化的函数。 设计时间函数以优化设计成进行敏感性研究为目的，并参数化描述概况。具地沟自动清淤机器人清淤执行装置设计及动态模拟仿真 25 体在 ADAMS的设计过程中评估设计时间函数，但是其仿真过程与优化设计相关。 设计时间函数参数化描述模型概况，其目的是为了优化设计成进行敏感性研究。 ADAMS 在设计过程中评估设计时间函数，而在仿真过程中只和优化设计有关。 随时间变化函数能够在系统定义的仿真状态之间建立数学关系，仿真过程中，许多系统的状态都要改变，例如，时间线性增加；部件在移动；外力随时间非线性变化。使用随时间变化的函数，就可以在这些变化的物理量之间