基于ADAMS的機械臂仿真分析

張衡

摘 要：本文利用ADAMS/View模塊對液壓機械臂的虛擬樣機機械系統(tǒng)進行仿真，尤其針對其液壓機械臂機械手的轉角進行針對性分析，并進行結構優(yōu)化設計，得出最優(yōu)解，并將最優(yōu)解參數(shù)導入程序進行仿真分析，給出優(yōu)化建議，使其轉動角范圍符合各種工況需求。同時對機械臂姿態(tài)調(diào)整液壓缸進行了受力仿真分析，并給出了液壓機械手姿態(tài)調(diào)整桿最佳連接位置，為之后的選型和設計工作奠定了理論基礎。

關鍵詞：ADAMS 仿真分析 機械設計

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0076-02

近年來，功能多樣，高效的機械臂在工業(yè)生產(chǎn)漸漸普及，它的普及促進了工業(yè)生產(chǎn)向著自動化和智能化方向發(fā)展。該行業(yè)的國產(chǎn)化還存在較多問題，產(chǎn)品標準不統(tǒng)一，使用批量小，個配件的兼容性通用性差，生產(chǎn)裝配效率低，且成本較高，并且在可靠性方面還有很大改進空間。以上種種問題是我們研究的動力和努力的方向。本文主要在ADAMS 動力學仿真軟件中建立液壓驅(qū)動機械臂虛擬樣機系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，針對柔性液壓機械臂的工作范圍進行運動學仿真分析。

1 ADAMS軟件的應用

1.1 軟件簡介

ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） 是屬于MSC公司的一款模擬器仿真軟件，應用于全球各大廠商中，占機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件市場份額的51%。工程設計人員使用ADAMS在計算機上建立和模擬仿真樣機，對機械可進行虛擬再現(xiàn)模擬，可以讓設計人員知道其設計的機械系統(tǒng)的運動性能。在運動學和動力學仿真領域，ADAMS是目前國際上應用最廣泛模擬電腦軟件之一。

1.2 設計流程

（1）構建組件（建立組件，設立應用條件，對施加的進行設計）建立系統(tǒng)的模型包括設立組件，然后將約束條件作用于組件并定義作用于它們的力。設計的機械組成中，其組件是具有物理特性的幾何形狀，如質(zhì)量和轉動慣量。這些結構之間的約束也被用來確定構件之間的連接，并且闡明了結構之間的運動學關系。

（2）查證模擬結果（檢驗特征、模擬解析、生成三維圖形、查看模擬包絡線）。

（3）測試模擬結果（引入模擬參量、對比模擬結果包絡線進行），檢查模型是否適當。檢查模型包括測試特征、模擬結果、動畫回放和包絡線生成。對模型的檢驗步驟為導入數(shù)據(jù)和包絡線分析。

（4）改進參數(shù)（增減摩擦力，設立柔性體，時間力函數(shù)，創(chuàng)建操控）。

（5）多次模擬（增加模型，設置設計參數(shù)）基于正確的測試模型來驗正系統(tǒng)。若最終的模擬結果不理想，即與參量不相適應，則應在模擬過程中適當增減約束條件，改善模擬結果，設立影響因素中的摩擦力，設立柔性體、應用力函數(shù)并設立操控。若要進行重復性的多次模擬，應多次修約束條件和系統(tǒng)變量。

（6）完善系統(tǒng)（系統(tǒng)影響性預判、系統(tǒng)實際使用、提高系統(tǒng)完成度）使用該軟件的便捷之處在于，在某些特定的情況下，軟件本身可以根據(jù)系統(tǒng)需求自適應地改變系統(tǒng)參量，然后進行多次迭代求解，法找出最優(yōu)解。完善系統(tǒng)包括系統(tǒng)參數(shù)影響因子大小的探究、試驗設計研究和完善系統(tǒng)參數(shù)分析。

（7）自適應規(guī)劃（設立用戶菜單，設立用戶對話窗口，記錄和重放模型宏），以讓設計人員的操作更加容易且能夠與設計要求兼容，操作人員可以自定義選項欄和對話框窗口，能夠使用宏命令完成較為困難和重復的任務，縮減任務完成時間。自定義設計包括創(chuàng)建自定義菜單、建立自定義窗口以及創(chuàng)建自適應的宏命令。

2 機械臂的仿真研究

2.1 液壓缸機械臂轉角分析優(yōu)化

利用ADAMS進行機械結構的轉動范圍解析，改進擴大機械結構的轉動范圍，使其可以適應多種工作環(huán)境的要求。

根據(jù)工作條件要求，通過對液壓機械手分析可知，該結構的旋轉角范圍由兩個液壓機械手姿態(tài)調(diào)整桿和一個姿態(tài)調(diào)整液壓缸3個主要零件共決定。其中主要由兩個調(diào)整桿的長度，調(diào)整液壓缸的可伸縮距離，以及姿態(tài)調(diào)整桿與副液壓臂的接觸位置和姿態(tài)調(diào)整液壓缸的安裝位置這幾個因素決定。使用ADAMS軟件對上述模型進行分析，可知液壓機械手姿態(tài)調(diào)整桿的水平位置對于機械手旋轉角度的影響最大，接下來針對該變量進行機構優(yōu)化設計。

該優(yōu)化設計變量為DV_X，設計目標為一次驅(qū)動過程中，MEA_ANGLE_2及液壓機械手的旋轉角度的最大值[1]，假設轉動副臂的位置距離原點不得小于250mm。為此需要在副機械臂上標記一點，并測量轉動副到改點的距離.化過程中，系統(tǒng)將不斷改變設計變量DV_X的值，每一次設計變量的值更改后，就仿真一次機構的翻轉，獲取轉動角度的最大值。比較這些值，尋優(yōu)，最終找到最合適的值[2]。

2.2 機械臂液壓缸受力分析

通過研究，已了解了各部分連桿對液壓機械臂旋轉角度的干涉，并通過算法解除了最優(yōu)解。將以上數(shù)據(jù)作為已知條件，把控制機械手的液壓缸與副臂的栓接點位置參數(shù)化，對其坐標進行改進處理，同時，對液壓缸進行受力分析，了解液壓缸受力范圍，為選型工作打基礎。在畫出機械手實際工作中的狀態(tài)圖后，對機械結構進行仿真分析[3]。

由于液壓鋼的工作特殊性，需要其在絕大部分情況下都能正常工作，滿足要求，所以，要設計1.2的安全系數(shù)。同時，假定副機械臂垂直，保證機械結構的重量集中到夾持圓木上。

首先，在ADAMS中建立相應的參數(shù)化模塊，其中有連桿、機械手和液壓缸。在副機械臂上確定一初始坐標點（856）設計參數(shù)化值，將點與參數(shù)化值聯(lián)系起來。然后，建立各零件模型之間的相關聯(lián)系。設立負載的重力模型：安全系數(shù)*（機械手重力+負載重力）。同時建立機械手的角測量，設置轉動限制角度，使得仿真時的機械臂轉動角度限制在120°之內(nèi)。設置好后進行仿真。

由仿真結果可知，隨著液壓缸的受力與轉動角度和伸縮長度之間并不是線性關系，在轉動角度為100°左右，伸長長度為68cm左右時，姿態(tài)調(diào)整液壓缸受力最大。這顯然不能達到我們的工作要求。經(jīng)過我們的結構優(yōu)化仿真分析發(fā)現(xiàn)，液壓缸與副機械臂交點的橫坐標為98cm時，液壓缸的受力最小。

3 結語

針對車載液壓機械臂，利ADAMS動力學仿真軟件中建立相應仿真仿真模型過ADAMS/View模塊對液壓機械臂的虛擬樣機機械系統(tǒng)的工作范圍進行運動學仿真分析，得到液壓機械手旋轉角度，并且針對機械臂的旋轉角，通過優(yōu)化調(diào)整桿的鏈接位置，優(yōu)化了旋轉角，使其達到理想旋轉范圍。同時，我們又對姿態(tài)調(diào)整液壓缸進行了受力仿真分析，得到包絡線，并進行了受力優(yōu)化分析，得出最優(yōu)解。為選型工作奠定理論基礎。

參考文獻

[1] 朱林，馮櫻，嚴運兵.基于響應面法的雙前橋轉向機構參數(shù)優(yōu)化[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2013，27（1）：1-4.

[2] 何孔德，方子帆.基于虛擬樣機技術的裝載機工作裝置優(yōu)化設計[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010，37（3）：97-99.

[3] 董恩國，張蕾.基于ADAMS的汽車轉向機構全液壓系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動，2015（11）：4-6.