（机械设计及理论专业论文）六连杆机器人运动轨迹模拟仿真的研究.pdf

警 at h e s i si nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y r e s e a r c ho ns i xj o i n t k i n e m a t i cp a t hs i m u l a t i o n b yw a n gm i n g k e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gd a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 i 1 一 本人声明，所呈交 前研究成果除加以标注 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：王_ 5 l c i 坪 日期：。侈d 矿多i 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 土 l y i 二j 东北大学硕士学位论文 摘要 六连杆机器人运动轨迹模拟仿真的研究 摘要 ，一 核酸扩增基因芯片杂交检测仪的一个重要过程是芯片按规定的轨迹运动，并按特 定的时间定位在预期位置。控制系统在整个检测仪的机械系统中起到很重要的作用， 精确的运动控制算法可以保证机械手按规定的轨迹运动，并能准确的定位。 本文将六连杆串联机器人应用到检测仪中，并利用a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m a i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 与m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 研究本检测仪机械系 统的虚拟控制技术，六连杆串联机器人虚拟样机轨迹规划控制。 ( 1 ) 制定工具手位置运动轨迹曲线及其姿态。依据机器人技术的运动学问题，建立 机器人机构运动学方程，构件坐标系，求解机器人机构运动学方程的解。另外，用解 析几何方法求各个关节变量解。 ( 2 ) 利用m a t l a b 建立轨迹曲线数组，求关节变量数组。并绘制运动学正运动运 动轨迹曲线，验证关节变量解的正确性。 ( 3 ) 利用a d a m s 建立虚拟样机模型，添加约束，驱动，轨迹规划仿真。 ( 4 ) 将m a t l a b 中计算得到关节变量数组在a d a m s 中以曲线模式存储数据，各 关节的驱动变量按数据曲线变化，达到工具点按预期位姿轨迹运动。并在这两种环境 下联合仿真，分析获得的机电联合仿真结果。 通过本文对六连杆串联机器人运动学的研究，得到可以将其应用到基因芯片检测 仪中的可行性，并对建立真实样机有一定参考价值。 关键词：机器人；逆运动；运动轨迹；a d a m s ：m a t l a b f f t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns i xj o i n t r o dr o b o t ，s k i n e m a t i cp a t hs i m u a l t i o n a bs t r a c t t h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s so fg e n ec h i pi n s p e c t i o ni n s t r u m e n ti st h a tt h ec h i pm u s tr u n f o rat r a c ew h a tw ed e s i g n e d ，a n dp o s ei ti no n ef i x e dp o s i t o no nt i m e c o n t r o ls y s t e mi st h e m o s ti m p o r t a n tp a r to nt h ew h o l eg e n ec h i pi n s p e c t i o ni n s t r u m e n t ，c o r r e c tc o n t r o l l i n g a r i t h m e t i cc a na s s u r eg e n ec h i pr u n n i n gf o rat r a c ew h a tw eh a v ed e s i g n e da n df i x e di na p o s i t i o nc o r r e c t l y t h i sp a p e ra p p l ys i xr o ds e r i e si nt h i si n s t r u m e n t u s ea d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m a i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) s o f t w a r ea n dm a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) t os t u d yt h e s p e c t i o ni n s t r u m e n t sc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dr e s e a r c ho ns i xr o ds e r i e sv i r t u a lr o b o t s c o n t r o ls y s t e mo fd e s i g n e dt r a c e ( 1 ) d e s g i no n et r a c ec u r v ea n dp o s ef o rt h i sr o b o t sm e c h a n i c a lt 0 0 1 b u i l dar o b o t s k i n e m a t i c se q u a t i o n ，c o o r d i n a t e sa c c o r d i n gt or o b o t si n v e r s ek i n e m a t i c sa n da n dr e s o l v e e q u a t i o nf o re v e r yv a r i a b l eo f j o i n t i na d d i t i o n ，u s ea n a l y t i cg e o m e t r yt or e s o l v ei t ( 2 ) u s em a t l a bs o f t w a r et ob u i l dt r a c ec u r v ea r r a y s ，b u i l dv a r i a b l e so fj o i n ta r r a y p o r t r a c tk i n e m a t i c sr u n n i n gc u r v e ，a n dc o n f i r mt h ec o r r e c t n e s so fv a l u ew h a tw eh a v e r e s o l v e d ( 3 ) u s ea d a m s s o f t w a r et ob u i l do n ev i r t u a lm e c h a n i c a lm o d e l a d dr e s t r a i n t sa n d d r i v e sa n dg ot os i m u l a t e ( 4 ) m a k ed a t a sw h a tw eh a v eg a i n e di nm a t l a bc i r c u m s t a n c eu s ei nm e c h a n i c a l m o d e li na d a m sc i r c u m s t a n c e ，a n dm e m o r yt h e s ed a t a si nc t u v e s e v e r yv a r i a b l e so f j o i n t i sa l t e r a t e db yt h e s ec t l r v e s a c h i e v et or u nf o rt h ef i x e dc u r v e sa n dp o s e s t h em e c h a n i c a l a n de l e c t r o n i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e d t h er e s u l to ft h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a l s i m u l a t i o nw a sa n a l y s i s e d b yt h er e s e a r c ho ns i xj o i n t - r o dr o b o t sk i n e m a t i c sp a t h ，i ti n d i c a t e dt h a tw ec a na p p l y t h es i xj o i n t - r o dr o b o ti ng e n ec h i pi n s p e c t i o ni n s t r u m e n t a n dt h i si sv a l u a b l et ob u l i dar e a l p r o t o t y p e k e yw o r d s ：r o b o t ；i n v e r s ek i n e m a t i c s ；k i n e m a t i cs c h e m e ；a d a m s ；m a t l a b 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 选题依据和背景l 1 2 课题的意义2 1 3 课题的总体要求及内容4 第二章a d a m s 与m a t l a b 5 2 1a d a m s 软件介绍5 2 2 常用a d a m s 模块介绍7 2 3m a t l a b 软件简介1 l 第三章原基因芯片检测仪数学模型1 5 3 1 机器人模型的建立l5 3 1 1d h 参数的确定1 5 3 1 2 从关节变量到手部位姿一运动学正问题。1 7 3 1 3 机械手的工作范围及运动轨迹1 8 3 1 4 机械手的工作姿态2 1 3 2 本机器人模型局限性2 3 3 3 本章小结2 4 第四章六连杆串联机器人运动分析2 5 4 1 串联机器人机构简介2 5 4 2 本机器人的简介2 6 4 3 机器人机械模型设计2 7 4 4 机器人数学模型设计2 9 4 4 1 构件坐标系的建立2 9 4 4 2 建立机器人机构运动学方程3 0 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 3 机器人机构运动学方程的解3 3 4 4 3 1 机器人机构运动学方程的几何解析法求解3 4 4 4 3 2 机器人机构运动学方程的机器人学求解3 5 4 5 机器人关节变量m a t l a b 求解及确认4 0 4 6a d a m s 仿真及与m a t l a b 联合仿真4 3 4 7 本章小节5 5 第五章结论与展望5 6 参考文献5 7 致谢6 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 从2 0 世纪7 0 年代工业用关节型机器人出现至今的几十年时间，随着技术进步， 特别是随着计算机和光机电一体化等高新技术同新月异的突飞猛进，而且汽车工业、 电气电子、民用家电、航空航天、特别是高新技术产业的发展，对各种类型的机器 人，特别是关节型机器人的需求也越来越倾向于更高级的方向拓展。因而机器人的 研究、开发和应用面对用户是一个尤为重要的问题，机器人技术已被世界各国关注。 随着各种前沿科学的发展，特别是今年来开始研究的计算机硬件的另一种工艺生 物工艺的发展，使得脱氧核糖核酸( d n a ) 重组技术制造生物计算机已成为可能。预 计这种生物计算机的体积只有现在的微型计算机的十亿分之一，而计算功能却要大 十亿倍。不远的将来，人们就会把它安置在机器人的头脑中，起着与人类大脑相近 的作用，制成真正的智能机器人 i , 2 1 。 1 1 选题依据和背景 机器人( r o b o t s ) 源于2 0 世纪2 0 年代某科幻作家笔下的产物，意为“工作超人 。 是一种在外形和功能上均能仿真人类智能，无所不能的“超人( 机器) 。1 9 5 4 年美国 的戴沃尔( c e o r g e g d e v 0 1 ) 根据自己的设想设计制造第一台机器人实验装置；1 9 6 0 年， 美国u n i m a t i n n 公司，根据d e v o l 的技术专利研制出第一台机器人u n i m a t e ( 意为“万 能自动”机器人) 。机器人技术及其产品发展很快，它对于提高生产自动化水平、劳 动生产率和经济效益，实现劳动作业省力化，保证产品质量，改善劳动条件，提高 企业的市场竞争力，扩大就业机会、提高技术创新能力等方面作用日益显著。工业 机器人代替人力劳动是必然发展趋势，和计算机一样，工业机器人的广泛应用，正 在日益改善着人类的生产方式和生活方式，为提高人类的生活质量发挥着重要的作 用。高性能的通用型工业机器人一般采用关节型的机械结构，每个关节中独立安装 驱动电机，通过计算机对驱动单元的功率放大电路进行控制，实现机器人的操作。 挪威生产的t r a l i f a 喷漆机器人，其手臂是关节式的，用电液伺服机构驱动，由 微机控制，是一种示教再现控制式的工业机器人。其特点是动作灵活，操作轻便， 可伸入到狭窄空间进行工作，存储装置存储容量大( 点位控制3 8 0 0 0 点，连续控制 4 1 2 8 分钟，最大程序数6 4 ) ，不仅可以进行点位控制和连续轨迹控制，而且可以 采用不同频率进行示教。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 美国生产的p u m a ( 美洲虎) 型装配机器人有小型( 2 0 0 ) 、中型( 5 0 0 ) 和大 型( 7 0 0 ) 三种。它有六个自由度，各轴均由直流伺服电机驱动，采用齿轮减速机构。 控制装置采用l s l l1 2 型微机，串行接口在微机与终端、外部存储器、示教盒之间 建立通讯，并行接口与机器人本体控制回路相连。p u m a 适用于点位式、连续轨迹 式工件方向控制等多种控制方式，重复定位精度为0 0 5 m m ，动作速度可达1 5 m s ， 具有视觉、触觉、力觉等传感器，可以协同控制。机构具有顺应性，可以吸收装配 中的水平误差和倾角误差。 日本国也在1 9 6 7 年开始进口机器人，当时任本经济大发展，许多企业一齐开 始了对机器人的开发，日本梨山大学研制成功了s c a r a - 水平关节结构机器人。 我国机器人技术研究起步于7 0 年代初期，经过3 0 多年的发展，大致经历了三 个阶段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年代的适用化期。我国于1 9 7 2 年开始了研制自己的工业机器人和水下攻关计划，并取得了一定的成绩。进入八十 年代后，我国机器人技术的开发与研究在政府的重视与支持下，1 9 8 6 年国家高技术 研究发展计j 趋 ( 8 6 3 计划) 开始实施，先后研制了水下机器人、机器人压路机、农林业 机器人、微操作机器人等。从跟踪世界先进水平机器人技术角度出发，经过几年努 力研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。 9 0 年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、 弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一 批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。国产机器人走向实用化阶段。 例p l ：h 在蔡鹤皋院士主持下，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所设计制造h t - 1 0 0 a 点 焊机器人；1 9 9 8 年2 月第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊，1 9 9 8 年5 月第 二台上线应用于红旗轿车焊接线上。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的便携式机 器人，可实现六自由度弧焊机器人的全部功能，同时可作为通用机器人完成其它工 作，可在任意位置安装。沈阳新松公司为嘉陵集团摩托车车身生产线设计制造的6 公斤轻型弧焊机器人。 生物芯片在美国最早应用到医疗领域。我国在9 7 年末正式起步，生物芯片的 科研、开发、生产、应用的相关技术在我国已得到突飞发展，已经有5 0 多家单位投 入到科学研究和生产开发中。目前，国内外多家公司已有p c r 仪有关的专利达千余 项。美国的a b i 应用生物公司是老牌的生物公司，在中国拥有自己的办事处和销售 人员。现今，各大公司研制开发多种类型的杂交检测仪主要由微量泵、流量传感器、 加热器、温度传感器和微量阀、微量注射器构成。多数及芯片检测仪的多个工位都 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 需要p c r 仪与人工操作一起完成，仍然存在价格昂贵、过程集成程度不高、操作复 杂、自动化程度低、灵敏度不足和灵活性差的不足。这些都是基因芯片在应用过程 中所遇到的一些问题。如图1 1 。 1 2 课题意义 图1 1 基因芯片检测仪 f i g 1 1g e n ec h i pi n s p e c t i o ni m m a n e n t 机器人技术是一门最近三十多年间发展起来的科学技术，随着机器人的普及与 应用领域的不断扩大，对机器人的性能要求( 如实时控制、动作精度、可靠性等) 也不断提高。因此，为了能快速对机器人进行运动学分析，实现机器人机构和控制 器的优化设计以及规划出优化的机器人运动轨迹，研究机器人的虚拟仿真是一个重 要的手段。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、 机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制等，是一 项具有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段， 模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，揭示机 构的合理的运动方案和控制算法，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问 题，避免了直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。一个机器人应用项目开 发之前，如果利用机器人仿真软件先制作出设计方案中的机器人模型，为机器人本 体方案设计提出依据，并在这台“机器人 上模拟能够实现的功能，使用户直接看 到设计效果，及时找出缺点和不足，进行改进，这将使机器人的研究和生产进入一 个可预知的新时代。一个新的机器人工作程序编制完成后，先在仿真软件中观察运 行结果，分析检验轨迹规划和作业规划的正确性和合理性，为离线编程的技术的研 究提供已知有效的验证手段【3 l 。 本生物芯片检测仪的机械系统是一个多关节的串联机构系统，其机械控制系统 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是一个机器人运动系统，通过对这个控制系统的研究可以拓展到其他机械控制领域， 如机器人的控制。对本检测仪的控制系统的研究可以得到检测仪机械手的可工作范 围，从而设计检测仪的各个工位部件的位置及其姿态。包括杂交、清洗、检测、p c r 扩增工位的具体位置【4 j 。国内外现有的产品都是分立的p c r 仪、杂交仪和芯片扫描 仪。这些进口仪器不仅价格昂贵，使大多数使用单位难以承受，同时由于操作过程 需要大量的人工干预，完成检测耗费大量时间，影响了基因芯片技术的推广应用。 根据机器人学运动学，将六连杆机器人应用到基因芯片检测仪中，能够让基因芯片 检测仪更加灵活。 1 3 课题的总体要求及内容 本课题是源于万林生物芯片科技有限公司的核酸扩增基因芯片杂交检测仪。论 文要求按机器人学理论设计原基因芯片检测仪的各个工位装置的位置和姿态，计算 机器人的工作范围，计算工具端运动轨迹，保证机械手夹持芯片在运动过程中绕开 障碍，不发生干涉。 要求：将六连杆机器人技术应用到基因芯片检测仪中，并把对机器人的控制技 术应用到基因芯片检测仪中。能够建立六连杆机器人机械模型、数学模型，求各个 关节变量的解。能够在a d a m s 环境下模拟运动，在a d a m s 和m a t l a b 环境下 机电联合仿真，使得输入输出变量达到闭环控制。 本论文研究的主要内容是改进原基因芯片检测仪的机械模型，根据基因芯片检 测仪的工作原理、工作过程，求出原基因芯片检测仪，各个工位检测装置的位置及 其姿态，绘制芯片可达到运动范围和实际运动轨迹，建立机器人的控制系统。再把 六连传连杆机器人应用到基因芯片检测仪中，做运动学问题分析，运用机器人学技 术求解六个主要的关节变量，提出一个规定轨迹，按轨迹做四轴联动。运用a d a m s 软件对改进后的机器人做运动轨迹的仿真模拟，并在a d a m s 和m a t l a b 环境下 。 机电联合仿真，分析获得的机电联合仿真结果。 东北大学硕士学位论文 第二章相关软件简介 第二章相关软件简介 对于特定的机电一体化机械产品，要保证设计获得预期性能，就需要对机械的 运动和动力性能及运动、姿态、位置的控制系统进行整体分析。传统的设计制造过 程中机械结构和运动性能及控制系统是分别进行的，实物样机完成后进行试验，根 据实验情况来改进设计，经过反复调试达到预期目标，产品方可基本定型。虚拟样 机技术提供了在设计阶段除了对机械结构性能和运动控制系统两个方面进行设计、 仿真以外，还可以对两个方面作联合整体的数字仿真。通过联合仿真，可以在虚拟 环境下对设计的机械模型和控制系统进行修改，达到预期功能和性能，这样就可以 避免传统设计制造中对实物物理样机的反复修改，从而加快研制周期和降低费用。 要运用虚拟样机技术对目标机电产品进行虚拟仿真，需要建立表征实物系统的数学 物理方程，也就是数学模型，并使可视化。当前已经有进行虚拟样机建模和仿真的 通用软件，a d a m s 和m a t l a b 是当前流行的功能比较强大的通用研究虚拟样机的 软件系统。本文采用a d a m s 2 0 0 5 与m a t l a b 7 1 研究机器人虚拟样机实现技术。 a d a m s 软件来建立机器人的机械力学模型，研究其运动、工作空间和干涉检验等； 用m a t l a b 建立机器人的运动、位置和姿态控制系统。 2 1a d a m s 软件介绍 2 1 1a d a m s 概述 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随 着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动 力学仿真技术，同时还包括三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术 和最优化技术等相关技术。目前，国际上已经出现一些虚拟样机技术的商业软件， 其中最优秀的是美国的m d i 公司开发的a d a m s 软件。a d a m s 软件已经被全世界各 行各业的成百上千家主要的制造商采用。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国 际市场份额的统计资料，a d a m s 软件占据了销售总额近8 千万美元的5 1 的份额。 国外的一些著名大学也开设介绍a d a m s 的课程，而将三维c a d 软件、有限元软件 和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。a d a m s 软件使用交互式 东北大学硕士学位论文第二章相关软件简介 图形环境和零件库、约束库、作用力库，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朗日方程方法，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。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检 测和峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。a d a m s 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的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，又是虚拟样机分析的开发工具，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。 a d a m s 2 0 0 5 软件广义上分为四类：核心产品、扩展产品、专业产品和c a d 集成产 品。核心模块是应用其他各产品的基础，包括通用建模环境a d a m s v i e w 、高级解 算器a d a m s s o l v e r 和后处理环境a d a m s p o s t p r o c e s s i n g 等。扩展产品增加和扩展 了核心产品的建模能力，增加了模型中零件柔性、控制、液压等，并具备了振动、 可靠性分析功能。此外，在虚拟样机这一极其精密的分析工具帮助下，用户能够对 实验进行分析。扩展模块有a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d a m s l i n e a r ( 系统模 态分析模块) 、a d a m s a u t o f l e x ( 柔性自动分析模块) 、a d a m s i n s i g h t ( 试验设 计模块) a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、a d a m s v i b r a t i o n ( 振动分析模块) 和a d a m s d u r a b i l i t y ( 可靠性分析) 等。专业应用模块是专为汽车、航空航天和铁道行业准备 的分析工具，是集行业标准和用户化特点于一体的模版化工具，为用户快速建模及 验证设计方案提供了成套的方法。专业应用模块包括a d a m s c a r ( 轿车模块) 、 a d a m s r a i l ( 机车模块) 、a d a m s t h - e ( 轮胎模块) 、a d a m s c h a s s i s ( 底盘模块) 、 a d a m s d r i v e r ( 驾驶员模块) 、a d a m s 3 dr o a d ( - - 维路面模块) 、a d a m s e n g i n e p o w e r e db yf e v ( 发动机设计模块) 、a d a m s d r i v e l i n e ( 动力传动系统模块) 和 a d a m s a i r c r a f t ( 飞机模块) 等。c a d 集成模块使用户不必离开自己熟悉的c a d 环境 即可进行运动分析，同时也可以从c a d 软件中转换到a d a m s 进行深入分析。c a d 集 成模块包括和a d a m s e x c h a n g e ( 图形接口模块) 。随着版本的不断升级，a d a m s 的模块及功能正在不断的加强与完善【6 1 。 由于机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学 分析时，还需要融合其他相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长，有时 可能希望虚拟样机软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程( m c a e ) 软件，或者反 过来，虚拟样机软件的输入数据可以由其他的专用软件产生，所以一个优秀的虚拟 样机分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学分析，还应该包含以下技术： 东北大学硕士学位论文 第二章相关软件简介 ( 1 ) 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建模， 或者用来展现机械系统的仿真结果。 ( 2 ) 有限元分析( f e a ) 软件和技术。可以利用机械系统运动学和动力学分析结果， 确定进行机械系统有限元分析( f e a ) 所需的外力和边界条件。或者利用有限元分析对 构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件编 程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适应各种 机械系统的要求。 ( 4 ) 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处理 输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的 控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者，可以应用其他专用的控制系统分 析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 ( 6 ) 优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和 分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机械 系统获得最佳的综合性能。a d a m s 是一个功能比较完善的集建模、求解、可视化 技术于一体的虚拟样机环境，利用a d a m s 软件，用户可以快速、方便的创建完全 参数化的机械系统几何模型。该模型既可以是在a d a m s 软件中直接建造的简化几 何模型，也可以是从其他c a d 软件中传过来的造型逼真的几何模型。最后执行一组 与实际情况十分接近的运动仿真测试，所得到的测试结果就是机械系统工作过程的 运动仿真。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利 用a d a m s 软件仅需几个小时就可以完成。 2 1 2 常用a d a m s 模块介绍【7 1 2 1 2 1a d a m s v i e w ( 基本环境) a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，是以用户为中心的交互式 图形环境。它提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处 理功能，其中包括样机的建模和各种工具、样机模型的数据的输入与编辑、与求解 器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、 同其他应用程序的接口等。该模块使用户将便捷的图标操作、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、x y 曲线图处理、结果分析和数据 东北大学硕士学位论文第二章相关软件简介 打印等功能完美地集成在一起。自a d a m s 9 0 版本开始，a d a m s v i e w 采用了 w m d o w s 风格的操作界面和各种操作习惯，使得a d a m s 厂v i e 、9 0 版以后的程序操作 界面非常友好。a d a m s 厂e 、v 采用简单的分层方式完成建模工作，提供了丰富的零 件几何图形库、约束库和力力矩库，并且支持布尔运算，采用p a r a s o l i d 作为实体建 模的核，支持f o r t r a n 7 7 和f o r t r a n 9 0 中所有函数。a d a m s v i e w 采用用户熟悉的m o t i f 界面( u n i x 系统) 和w i n d o w s 界面( n t 、2 0 0 0 、x p 系统) ，提供了相对任意参考坐 标系方便定位的功能，从而大大提高了快速建模能力。在a d a m s v i e w 中，用户利 用t a b l ee d i t o r ，可像用e x c e l - - 样方便地编辑模型数据；同时还提供了p l o tb r o w s e r 和f u n c t i o nb u i l d e r 工具包；具有d s ( 设计研究) 、d o e ( 实验设计) 、o p t i m i z e ( 优化) 功能，可使用户方便地进行优化工作。剐w d s 厂v i e w 有自己的高级编程语言，支持 命令行输入命令和c + + 语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框 创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。 2 1 2 2a d a m s s o l v e r ( 求解器) a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，是a d a m s 产品系列中处 于心脏地位的仿真发动机。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。a d a m s s o l v e r 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。完成样机分析的准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可 以自动的调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学问 题，完成仿真分析以后再自动返回a d a m s v i e w 操作界面。因此，一般用户可以 将a d a m s s o l v e r 的操作视为一个黑匣子，只需熟悉a d a m s v i e w 的操作，既可完 成建模和整个分析过程。a d a m s s o l v e r 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，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要 求外，还可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，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。 2 1 2 3a d 蝴s p o s t p r o c e s s o r ( 专用后处理模块) 为了提高a d a m s 软件的仿真结果后处理能力，使结果能更直观地显示给使用 者，m s c s o f t w a r e 公司开发了a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块。该模块具有相当强的 后处理功能，它可以用来输出高性能的仿真动画，绘制各种数据曲线，该模块还可 以进行曲线编辑和数字信号处理等，使用户可以方便、快捷的对a d a m s 的仿真结 果进行观察、研究和分析。a d a m s r 模块既可以在剐) a m s 厂v i e w 吓境中运 东北大学硕士学位论文第二章相关软件简介 行，也可脱离a d a m s 环境独立运行。主要特点如下： ( 1 ) 快速高质量动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性； ( 2 ) 使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象； ( 3 ) 丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能； ( 4 ) 灵活多变的窗口风格，多窗口画面分割显示及多页面存储； ( 5 ) 多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件： ( 6 ) 完备的曲线数据统计功能，如均值、均方根、极值、斜率等： ( 7 ) 丰富的数据处理功能，曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑、f f r 变 换、滤波和波特图等。 2 1 2 4 a d a m s e x c h a n g e ( 图形接口模块) a d a m s e x c h a n g e 是_ a d a m s - - 个集成可选模块，其功能是利用i g e s 、s t e p 、s n 和d w g d x f 等产品数据交换库的标准文件格式完成a d a m s 与其他c a d c a m c a e 软 件之间的数据双向传输，从而使a d a m s 与c a d c a m c a e 软件更紧密的集成在一起。 a d a m s e x c h a n g e 可保证传输精度、节省用户时间和增强仿真能力。当用户将 c a d c a m c a e 软件中建立的模型向a d a m s 传输，a d a m s e x c h a n g e 自动将图形文件 转换成为一组包含外行、标志和图线的图形要素，通过控制传输时的精度，可获得 较为精确的几何形状，并获得质量、质心和转动惯量等重要信息；用户可在其上添 加约束、力和运动等，这样就减少了在a d a m s 中重建零件几何外行的要求，节省 建模时间，增强了用户观察虚拟样机仿真的能力。 2 1 2 5a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) a d a m s c o n t r o l s ；是：a d a m s 的一个集成可选模块，在a d a m s c o n t r o l s 中，设计 师既可以通过简单的继电器、逻辑与t f - j 和阻尼线圈等建立简单的控制机构，也可 以利用在通用控制系统软件( 如：m a t l a b 、m a t r i x 和e a s y 5 ) 中建立的控制系统框 图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的仿真模型。 在仿真计算过程中，a d a m s 采用两种模式工作方式。其一，机械系统采用 a d a m s 解算器，控制系统采用控制软件解算器，二者之间通过状态方程进行联系； 其二，利用控制软件书写描述控制系统的控制框图，然后将该控制框图提交给 a d a m s ，应用a d a m s 解算器进行包括控制系统在内的复杂机械系统虚拟样机的同 步仿真计算，例如汽车自动防抱死系统( a b s ) 、主动悬架、起落架助动器和卫星姿 态控制等。该计算可以是线形的，也可以是非线性的。在使用c o n t r o l s 模块中最重要 的是确定输入和输出变量，确定之后可以在a d a m s 和控制软件之间形成闭环回路， 东北大学硕士学位论文第二章相关软件简介 如图2 1 出 图2 1 输入输出变量 f i g 2 1v a r i a b l eo fi n p u ta n do u t p u t 2 1 2 6a d 剐s f l e x ( 柔性分析模块) a d a m s f l e x 是_ a d a m s 软件包中的一个集成可选模块，提供a d a m s 与有限元 分析软件之间的双向数据交换接口。利用它与a n s y s 、m s c n a s t r a n 、a b a q u s 和i - d e a s 等软件的接口，可以方便的考虑零部件的弹性特性，建立多体动力学模型，以提高 系统仿真的精度。a d a m s f l e x 模块支持有限元中的m n f ( 模太中性文件) 格式， 可结合a d a m s l i n e a r 模块可以对零部件的模态进行适当的筛选，去除对仿真影响 极小的模态，并可以认为控制各阶段模态的阻尼，进而大大提高仿真的速度。同时， 利用a d a m s f l e x 模块，还可以方便的向有限元软件输出多体系统仿真后的s 载荷谱 信息，利用有限元软件进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究。 2 1 2 7a d 舢s l i n e a r ( 系统模态分析模块) a d a m s l i n e a r l y _ a d a m s 的一个集成可选模块，可以在进行系统仿真时将系统 非线性的运动学或动力学方程进行线形化处理，以便快速计算系统的固有频率( 特 征值) 、特征向量和状态空间矩阵，使用户能更快而较全效的了解系统的固有特性。 其功能有： ( 1 ) 利用该模块可以给工程师带来许多帮助；可以在大位移的时域范围和小位 移的频率范围间提供一座! 桥梁! ，方便的考虑系统中零部件的弹性特性； ( 2 ) 利用它生成的状态空间矩阵可以对带有控制元件的机构进行实时控制仿 真； ( 3 ) 利用求得的特征值和特征向量可以对系统进行稳定性研究。 2 1 2 8m e c h a n i s m p m ( p m e 接口) m e c h a n i s m p r o 是连接p r o e 与a d a m s 之间的桥梁。二者采用的是无缝隙连接的 东北大学硕士学位论文 第二章相关软件简介 方式，使p r o e 用户不必退出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动学关系定 义为机构系统，进行系统运动学仿真，并进行干涉检验、确定运动锁止的位置、计 算运动副的作用力。 m e c h a r f i s r r c p r o 是采用p r o d e v e l o p i 具创建的，因此p r o e 用户可以在熟悉的 c a d 环境中建立三维机械系统的模型，并对其运动性能进行仿真分析。通过一个按 键操作，就可以将数据传送到a d 蝴s 中，进行全面的动力学分析。 2 2m a t l a b 软件简介 m a t l a b 语言是当今国际上自动控制领域的首选计算机语言，也是很多理工科 专业最合适的计算机数学语言。目前，m a t l a b 已经成为国际上最流行的科学与工 程计算的软件工具，现在的m a t l a b 已经不仅仅是一个矩阵实验室了，它已经成