多體動力學(xué)讀書報(bào)告

計(jì)算機(jī)輔助工程與分析課程讀書報(bào)告課程名稱：計(jì)算機(jī)輔助工程與分析報(bào)告題目：多體系統(tǒng)動力學(xué)及ADAMS軟件學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：2023機(jī)械工程姓名：學(xué)號：任課老師：王立華提交日期：2023年6月29日目錄TOC\o"1-3"\f\h\u20401.多體動力學(xué)理論-4-17441.1多體動力學(xué)研究對象-4-149621.2多體動力學(xué)研究現(xiàn)狀-4-187521.3多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模-4-125801.3.1多體系統(tǒng)動力學(xué)根本概念-5-184921.3.2計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解一般過程-5-132121.3.3多剛體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)[3]-5-186101.3.4多剛體系統(tǒng)動力學(xué)-6-21101.4多柔體系統(tǒng)動力學(xué)建模[4]-6-327391.4.1多柔體系統(tǒng)坐標(biāo)系-6-76891.4.2多柔體系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立-6-318821.4.3多柔體動力學(xué)方程-7-75811.5多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的求解-7-36621.6多體系統(tǒng)動力學(xué)中的剛性〔Stiff〕問題-8-254481.6.1微分方程剛性〔Stiff〕問題-8-178631.6.2多體系統(tǒng)動力學(xué)中Stiff問題-8-133331.7多體系統(tǒng)仿真模型-8-147442.ADAMS軟件簡述-9-178552.1ADAMS軟件-9-249382.2主要內(nèi)容-9-193173.總結(jié)-9-76424.四自由度機(jī)械手的總體方案-9-240764.1機(jī)械手自由度的選擇 -9-318784.2三維造型-10-133964.2.1三維設(shè)計(jì)軟件proe簡介-10-4864.2.2機(jī)械手關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)-10-282054.2.3機(jī)械手其它零部件設(shè)計(jì)-11-202394.3Adams仿真模型-12-43665.學(xué)習(xí)心得-14-256566.學(xué)習(xí)筆記-14-25576.1pro/e與adams之間的轉(zhuǎn)化-14-117966.2力與驅(qū)動的關(guān)系-15-266333.Marker點(diǎn)與Pointer點(diǎn)區(qū)別-15-215457.課程反應(yīng)意見-15-23488參考文獻(xiàn)-15-TOC\o"1-3"\h\u多體系統(tǒng)動力學(xué)及ADMS軟件摘要：本文通過對機(jī)械多體動力學(xué)根本理論的綜合和總結(jié)，簡述ADAMS軟件，并結(jié)合實(shí)際工程問題：四自由度機(jī)械手總體設(shè)計(jì)，運(yùn)用adms軟件對其進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)分析，然后談?wù)勛约簩W(xué)習(xí)本課程的學(xué)習(xí)心得,并列舉3個(gè)困擾自己的三個(gè)問題，最后對本課程提出意見。關(guān)鍵字：多體系統(tǒng)動力學(xué)，ADMS軟件，學(xué)習(xí)心得多體動力學(xué)理論多體系統(tǒng)動力學(xué)的根本理論，核心問題是建模和求解問題，包括多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)建模、多體系統(tǒng)動力學(xué)方程求解及多體系統(tǒng)動力學(xué)中的剛性〔Stiff〕問題。多體動力學(xué)是基于經(jīng)典力學(xué)理論的，多體系統(tǒng)最簡單的情況--自由質(zhì)點(diǎn)和一般簡單的情況--少數(shù)多個(gè)剛體。通過對此的學(xué)習(xí)可以對多體系統(tǒng)動力學(xué)的根本理論有較深入的了解，為具體軟件adams的學(xué)習(xí)打下良好的理論根底。1.1多體動力學(xué)研究對象多體系統(tǒng)動力學(xué)是研究由多個(gè)柔性體和〔或〕剛性體所構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科。它主要研究系統(tǒng)的動力學(xué)建模、分析、求解和控制等問題。隨著科技的開展，在航空、航天、機(jī)器人、車輛等工程領(lǐng)域，對一些較為復(fù)雜的多體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析提出來更高的要求。例如：如何較準(zhǔn)確地預(yù)測系統(tǒng)在一定輸入條件下的動態(tài)響應(yīng)以及如何使系統(tǒng)滿足人們預(yù)先給定的運(yùn)動要求等，尤其是當(dāng)采用了更輕更柔的材料，并且所要求的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和運(yùn)動精度更高時(shí)，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性愈加困難。多體系統(tǒng)動力學(xué)的產(chǎn)生為解決這種多維、時(shí)變、高度非線性的復(fù)雜動力學(xué)問題提供了一種新的理論分析方法[1]。1.2多體動力學(xué)研究現(xiàn)狀[1]經(jīng)過30多年的努力，現(xiàn)在有許多大型通用多體動力學(xué)軟件可以對汽車進(jìn)行分析和計(jì)算。在各大汽車廠家及研究機(jī)構(gòu)中，多體軟件的使用呈直線上升趨勢。其中，美國MDI〔MechanicalDynamicsInc.〕公司〔現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司〕開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件Adams〔AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem〕，目前在全球市場占有率最高。該軟件在汽車技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比例為43%。目前，多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件已成為工業(yè)興旺國家汽車界CAE〔計(jì)算機(jī)輔助工程〕系統(tǒng)中不可缺少的組成局部。在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮了重要的作用。多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件分析的范圍包括：運(yùn)動分析、靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)〔瞬時(shí)動態(tài)〕分析、動力學(xué)分析等。一些軟件還可以與有限元分析、模態(tài)分析、優(yōu)化分析等模塊化程序進(jìn)行相互調(diào)用，完成對整車及各零部件的性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的推導(dǎo)一般采用拉格朗日、牛頓-歐拉或appell方程。在appell方程中引入了加速度函數(shù)，使其方程的形式非常簡單。雖然其求加速度函數(shù)的過程比拉格朗日方程中求動能的過程復(fù)雜得多，但對解非完整約束問題是很有效的，所以可用該方程解汽車輪胎與地面的非完整約束問題。柔體與剛體的最大區(qū)別是參照系的選擇不同，柔體應(yīng)用所謂浮動參照系。在描述浮動參照系的運(yùn)動時(shí)可采用慣性坐標(biāo)或相對坐標(biāo)。采用相對坐標(biāo)或混合坐標(biāo)更方便，更適用于汽車專用程序的編制。對于多體系統(tǒng)動力學(xué)問題的剛性方程的求解，重點(diǎn)是數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性問題。1.3多剛體系統(tǒng)動力學(xué)建模[1]計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)分析，首先在于提供一個(gè)友好方便的界面以利于建立多體系統(tǒng)的力學(xué)模型，并在系統(tǒng)內(nèi)部由多體系統(tǒng)力學(xué)模型得到動力學(xué)數(shù)學(xué)模型；再者需要有一個(gè)優(yōu)良的求解器對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，求解器要求效率高、穩(wěn)定性好，并具有廣泛的適應(yīng)性；最后還需要對求解結(jié)果提供豐富的顯示查詢手段。這其中的關(guān)鍵技術(shù)就是自動建模技術(shù)和求解器設(shè)計(jì)，所謂自動建模就是由多體系統(tǒng)力學(xué)模型自動生成其動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，求解器的設(shè)計(jì)那么必須結(jié)合系統(tǒng)的建模，以特定的動力學(xué)算法對模型進(jìn)行求解。多體系統(tǒng)動力學(xué)根本概念包括物理模型,拓?fù)錁?gòu)型，物體：剛體定義為質(zhì)點(diǎn)間距離保持不變的質(zhì)點(diǎn)系，柔體定義為考慮質(zhì)點(diǎn)間距離變化的質(zhì)點(diǎn)系，約束，鉸，力元，外力〔偶〕，數(shù)學(xué)模型機(jī)構(gòu)，運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)，靜平衡，逆向動力學(xué)，連體坐標(biāo)系，廣義坐標(biāo)，自由度，約束方程。計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解一般過程[3]一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，從初始的幾何模型，到動力學(xué)模型的建立，經(jīng)過對模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果，其流程如圖1.1所示。計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)分析的整個(gè)流程，主要包括建模和求解兩個(gè)階段。建模分為物理建模和數(shù)學(xué)建模，物理建模是指由幾何模型建立物理模型，數(shù)學(xué)建模是指從物理模型生成數(shù)學(xué)模型。幾何模型可以由動力學(xué)分析系統(tǒng)幾何造型模塊所建造，或者從通用幾何造型軟件導(dǎo)入。對幾何模型施加運(yùn)動學(xué)約束、驅(qū)動約束、力元和外力或外力矩等物理模型要素，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型。物理建模過程中，有時(shí)候需要根據(jù)運(yùn)動學(xué)約束和初始位置條件對幾何模型進(jìn)行裝配。由物理模型，采用笛卡爾坐標(biāo)或拉格朗日坐標(biāo)建模方法，應(yīng)用自動建模技術(shù)，組裝系統(tǒng)運(yùn)動方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)情況應(yīng)用求解器中的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、靜平衡或逆向動力學(xué)分析算法，迭代求解，得到所需的分析結(jié)果。聯(lián)系設(shè)計(jì)目標(biāo)，對求解結(jié)果再進(jìn)行分析，從而反應(yīng)到物理建模過程，或者幾何模型的選擇，如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。在多體系統(tǒng)建模與求解過程，求解器是核心，這其中涉及的所有運(yùn)算和求解，如初始條件計(jì)算、方程自動組裝、各種類型的數(shù)值求解等等都由求解器所支持，它提供了所需的全部算法。實(shí)際上，結(jié)果分析是需要有專門的數(shù)值后處理器來支持的，以提供曲線和動畫顯示以及其它各種輔助分析手段。但相比于多體系統(tǒng)建模與求解，數(shù)值后處理器相對簡單，不存在什么理論上的重要問題[2]。圖1.1計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)建模與求解一般過程多剛體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)[3]對于多體系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)分析，傳統(tǒng)的理論力學(xué)是以剛體位置、速度和加速度的微分關(guān)系以及矢量合成原理為根底進(jìn)行分析的，而計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)中的運(yùn)動學(xué)分析那么是以系統(tǒng)中連接物體與物體的運(yùn)動副為出發(fā)點(diǎn)，所進(jìn)行的位置、速度和加速度分析都是基于與運(yùn)動副對應(yīng)的約束方程來進(jìn)行的?；诩s束的多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)，首先尋求與系統(tǒng)中運(yùn)動副等價(jià)的位置約束代數(shù)方程，再由位置約束方程的導(dǎo)數(shù)得到速度、加速度的約束代數(shù)方程，對這些約束方程進(jìn)行數(shù)值求解，可得到廣義位置坐標(biāo)及相應(yīng)的速度和加速度坐標(biāo)，最后根據(jù)坐標(biāo)變換就可以由系統(tǒng)廣義坐標(biāo)及相應(yīng)導(dǎo)數(shù)得到系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的位置、速度和加速度。由于機(jī)械系統(tǒng)在二維空間運(yùn)動時(shí)，廣義坐標(biāo)、約束方程、問題規(guī)模以及問題求解都相對簡單，故本節(jié)先討論二維多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)以解釋多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)根本理論，在此根底上再給出三維多體系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)方程。多剛體系統(tǒng)動力學(xué)對于受約束的多體系統(tǒng)，其動力學(xué)方程是先根據(jù)牛頓定理，給出自由物體的變分運(yùn)動方程，再運(yùn)用拉格朗日乘子定理，導(dǎo)出基于約束的多體系統(tǒng)動力學(xué)方程。與運(yùn)動學(xué)分析類似，先考慮二維多體系統(tǒng)，再討論三維多體系統(tǒng)，并對動力學(xué)三種類型的分析：正向動力學(xué)、逆向動力學(xué)和靜平衡分析1.4多柔體系統(tǒng)動力學(xué)建模[4]多柔體系統(tǒng)坐標(biāo)系柔性體系統(tǒng)中的坐標(biāo)系如下圖，包括慣性坐標(biāo)系〔〕和動坐標(biāo)系〔〕。前者不隨時(shí)間而變化，后者是建立在柔性體上，用于描述柔性體的運(yùn)動。動坐標(biāo)系可以相對慣性坐標(biāo)系進(jìn)行有限的移動和轉(zhuǎn)動。動坐標(biāo)系在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)〔移動、轉(zhuǎn)動〕稱為參考坐標(biāo)。與剛體不同，柔性體是變形體，體內(nèi)各點(diǎn)的相對位置時(shí)時(shí)刻刻都在變化，只靠動坐標(biāo)系不能準(zhǔn)確描述該柔性體在慣性坐標(biāo)系中的位置，因此，引入彈性坐標(biāo)來描述柔性體上各點(diǎn)相對動坐標(biāo)系統(tǒng)的變形。這樣柔性體上任一點(diǎn)的運(yùn)動就是動坐標(biāo)系的“剛性〞運(yùn)動與彈性變形的合成運(yùn)動。由于柔體上各點(diǎn)之間有相對運(yùn)動，所以動坐標(biāo)系的選擇不是采用連體坐標(biāo)系，而需要采用隨著柔性體形變而變化的坐標(biāo)系，即“浮動坐標(biāo)系〞。在研究多柔體系統(tǒng)時(shí)，適宜的坐標(biāo)系是非常重要的。在確定浮動坐標(biāo)系時(shí)有兩點(diǎn)準(zhǔn)那么：1、便于方程建立求解；2、柔性體剛體運(yùn)動與變形運(yùn)動的耦合盡量小。目前常見的浮動坐標(biāo)系大致有如下5種，局部附著框架、中心慣性主軸框架、蒂斯拉德框架、巴克凱恩斯框架以及剛體模態(tài)框架。采用何種需因?qū)嶋H情況而定。圖1.3圖1.3柔性體變形模型圖1.2柔性體上節(jié)點(diǎn)的位置多柔體系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立外加載荷在ADAMS軟件中，外加載荷包括單點(diǎn)力與扭矩、分布式載荷以及剩余載荷三局部。2．多柔體系統(tǒng)的能量:〔1〕動能和質(zhì)量矩陣〔2〕勢能和剛度矩陣〔3〕能量損失和阻尼矩陣多柔體動力學(xué)方程〔1〕其中，為約束方程；為對應(yīng)于約束方程的拉氏乘子；為如式〔2.3-19〕定義的廣義坐標(biāo)；為投影到上的廣義力；為拉格朗日項(xiàng)，定義為，和分別表示動能和勢能；表示能量損耗函數(shù)。將求得的代入式〔2.3-29〕，得到最終的運(yùn)動微分方程為：〔2〕其中，為柔性體的廣義坐標(biāo)及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)；為柔性體的質(zhì)量矩陣及其對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；為質(zhì)量矩陣對柔性體廣義坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)，它是一個(gè)維張量，為模態(tài)數(shù)。1.5多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的求解[5]在建模和求解過程中，涉及到幾種類型的運(yùn)算和求解：初始條件計(jì)算、數(shù)學(xué)模型自動組裝、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、逆動力學(xué)分析和靜平衡分析。初始條件計(jì)算是非線性位置方程的求解；數(shù)學(xué)建模是系數(shù)矩陣操作；運(yùn)動學(xué)分析是非線性的位置方程和線性的速度、加速度方程的求解；動力學(xué)分析是二階微分方程或二階微分方程和代數(shù)方程混合問題的求解；逆向動力學(xué)分析是線性代數(shù)方程組求解；靜平衡分析從理論上是線性方程組的求解?？偟膩碚f，計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)涉及的根本運(yùn)算包括線性方程組求解、非線性方程組求解、常微分方程組〔ODE〕求解和微分代數(shù)方程組〔DAE〕求解。線性方程組和常微分方程組的求解是數(shù)值分析中的根本內(nèi)容。線性方程組根據(jù)問題規(guī)?？梢圆捎孟ɑ虻?，在計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)中，一般采用全主元高斯消元法；常微分方程組的求解可以采用線性多步法或單步的龍格-庫塔法。主要包括求解非線性方程組的牛頓-拉夫森〔Newton-Raphson〕方法，計(jì)算多體系統(tǒng)動力學(xué)中至關(guān)重要的微分代數(shù)方程組求解技術(shù)。1.6多體系統(tǒng)動力學(xué)中的剛性〔Stiff〕問題剛性問題存在于多剛體系統(tǒng)動力學(xué)某些情形，更普遍地存在于多柔體系統(tǒng)動力學(xué)中，是多體系統(tǒng)動力學(xué)的一個(gè)重要問題。剛性首先是在常微分方程求解理論中提出，并形成了完整的定義和求解理論。常微分方程剛性理論是多體系統(tǒng)動力學(xué)中剛性問題的理論根底，這里先介紹常微分方程剛性問題，再討論多體系統(tǒng)動力學(xué)剛性問題。微分方程剛性〔Stiff〕問題微分方程的剛性〔Stiff〕問題是微分方程的一個(gè)重要問題，微分-代數(shù)方程〔DAE〕中同樣存在剛性問題。微分-代數(shù)方程早期的數(shù)值求解中，并沒有考慮到這個(gè)問題，采用的大多是顯式方法，到了二十世紀(jì)八十年代，發(fā)現(xiàn)一些隱式方法不僅具有更好的適應(yīng)性，而且可用于求解剛性問題。多體系統(tǒng)動力學(xué)中Stiff問題在多剛體系統(tǒng)運(yùn)動過程中，可能會由于系統(tǒng)中構(gòu)件之間過大的差異，如不同物體特性參數(shù)的差異，力元〔如彈簧、阻尼器〕參數(shù)的差異等，致使系統(tǒng)中構(gòu)件運(yùn)動速度差異很大，從而使描述系統(tǒng)運(yùn)動的微分代數(shù)方程呈現(xiàn)出剛性特性。在多柔體〔或剛-柔混合〕系統(tǒng)動力學(xué)中，由于柔性體空間大范圍運(yùn)動和其本身小幅值彈性變形的耦合，更容易出現(xiàn)剛性問題1.7多體系統(tǒng)仿真模型[5]靜力學(xué)問題在靜平衡狀態(tài)下，利用靜平衡方程〔速度和加速度均為零的DAEs〕求未知外力、約束力或未知平衡位置的問題。運(yùn)動學(xué)問題 在靜平衡或運(yùn)動狀態(tài)下，利用運(yùn)動約束方程求未知位置、速度或加速度的問題，方程中不涉及力的計(jì)算。力學(xué)問題在運(yùn)動狀態(tài)下，利用動力學(xué)方程和運(yùn)動約束方程〔DAEs〕求未知加速度、速度、位置或未知外力及未知約束力的問題。實(shí)際多體系統(tǒng),如整車或懸架實(shí)際多體系統(tǒng),如整車或懸架鼓勵(lì)試驗(yàn)操作實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果抽象多體系統(tǒng)力學(xué)模型,三要素:物體、約束、力多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,DAEs:DifferentialAlgebraicEquations多體動力學(xué)鼓勵(lì)數(shù)值方法模型仿真結(jié)果代替實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果圖1.4多體系統(tǒng)仿真模型2.ADAMS軟件簡述2.1ADAMS軟件[1]機(jī)械動力學(xué)仿真軟件ADAMS是美國MSC公司的產(chǎn)品，集建模、求解、可視化技術(shù)于一體，是世界上目前使用范圍最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，主要作用是對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析仿真，用于研究整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，可以在設(shè)計(jì)的早期階段生成虛擬樣機(jī)，再真實(shí)地預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的工作性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。ADAMS是機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件。由根本模塊、求解器模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，ADAMS本身具有建模功能，同時(shí)允許導(dǎo)入有常規(guī)三維軟件建立的CAD模型。通過在各零部件間時(shí)間約束條件創(chuàng)立完整的虛擬樣機(jī)模型，可以進(jìn)行零部件間的干預(yù)檢驗(yàn),通過運(yùn)行聯(lián)立方程進(jìn)行運(yùn)動、靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)模擬。ADAMS的后處理模塊可以輸出計(jì)算結(jié)果曲線和機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程動畫等內(nèi)容，且易于保存，能與他人共享。同時(shí)可以為有限元分析提供邊界條件，可以輸出ANSYS、Nastran等有限元分析程序適用的文件格式，實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)立完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。該模型既可以是在ADAMS中直接建造的幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型。機(jī)械動力學(xué)仿真軟件ADAMS作為仿真技術(shù)，是機(jī)械工程專業(yè)的一門專業(yè)課，是分析和研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，有如下要求即教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握仿真技術(shù)的原理和方法，能應(yīng)用機(jī)械動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS對一般的機(jī)械系統(tǒng)建立動力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行仿真，以到達(dá)能利用仿真技術(shù)對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真及優(yōu)化分析的目的，為機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)與分析提供有利的技術(shù)支持。2.2主要內(nèi)容1.ADAMS軟件操作初步2.虛擬樣機(jī)幾何建模3.約束機(jī)構(gòu)4.施加載荷5.ADAMS/View建模的相關(guān)技術(shù)6.樣機(jī)仿真分析及調(diào)試7.仿真結(jié)果后處理8.參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)9.樣機(jī)的參數(shù)化分析。10.虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、掌握仿真的輸入和輸出[5]3.總結(jié)18周的課時(shí)，通過從新梳理知識點(diǎn)，總的來說收獲頗多，這門課程綜合性較強(qiáng)，既要對多體進(jìn)行幾何模型形成物理模型的物理建模又要由物理模型形成數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)建模兩個(gè)過程，最后還要選擇相應(yīng)的求解器進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和求解，也不是很容易學(xué)透，但是畢竟又掌握了一種新的解決實(shí)際工程應(yīng)用的方法，對以后的學(xué)習(xí)生活會受益良多。4.四自由度機(jī)械手的總體方案4.1機(jī)械手自由度的選擇機(jī)械手運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。在考慮機(jī)械手用途、本錢及技術(shù)難度等問題后，本論文選擇機(jī)械手的自由度為4個(gè)，末端執(zhí)行器〔夾持器〕可以自由開合，能夠完成物體的抓、移、放動作。機(jī)械手的原理如圖1所示。圖圖4.1機(jī)械手的原理圖1.1.底座2.一號電機(jī)齒輪3.中心直齒輪4.右支梁5.第一臂右6.夾持器活動節(jié)7.夾持器固定節(jié)8.四號電機(jī)9.三號電機(jī)10.二號電機(jī)11.一號電機(jī)12.轉(zhuǎn)動底座本論文設(shè)計(jì)的四自由度機(jī)械手由底座、一號電機(jī)齒輪、左右支梁、中心直齒輪、第一臂右板、夾持器活動節(jié)、夾持器固定節(jié)、四號電機(jī)、三號電機(jī)、二號電機(jī)、一號電機(jī)和轉(zhuǎn)動底座組成[6]，機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。4.2三維造型4.2.1三維設(shè)計(jì)軟件proe簡介proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E〔Pro/Engineer操作軟件〕是美國參數(shù)技術(shù)公司〔ParametricTechnologyCorporation，簡稱PTC〕的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。4.2.2機(jī)械手關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)機(jī)械手的關(guān)鍵零部件是齒輪傳動設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)械手的要求，設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)如下：(1)傳動比為i=3:1；(2)兩齒輪模數(shù)為m=2.0；(3)壓力角為β=20；(4)中心距選擇α=167mm。大齒輪設(shè)計(jì)：大齒輪分度圓直徑D1=mZ=α×3/4=167×3/4=125mm，近似取120mm；齒數(shù)Z1=120/2=60個(gè)；齒高計(jì)算h=ha+hf=(2ha*+c*)m=5.0mm；取齒輪厚度20.0mm[7]。設(shè)計(jì)的中心大齒輪如圖3所示。圖圖4.3大齒輪的設(shè)計(jì)圖A-A圖圖4.4小齒輪的設(shè)計(jì)圖A-A小齒輪設(shè)計(jì)：分度圓直徑D2=1/3D1=41.3mm，近似取40mm；齒數(shù)Z2=1/3Z1=20個(gè)，設(shè)計(jì)的小齒輪4.2.3機(jī)械手其它零部件設(shè)計(jì)圖4.5底座三維圖模型圖4.6機(jī)械手三維模圖4.7機(jī)械手手臂三維圖圖4.8液壓馬達(dá)三維圖圖4.9.總裝配圖模型由于把模型導(dǎo)入到adams中進(jìn)行仿真時(shí)，過多的零件會使問題復(fù)雜化，于是在裝配時(shí)，盡量的減少不必要的零件的裝配，像銷釘、導(dǎo)柱，電機(jī)和軸等，都省略了。4.3Adams仿真模型啟動adams界面：圖4.10Adms界面圖4.11文件格式轉(zhuǎn)變在用proe裝配完成，要把裝配體存為x_t格式，再導(dǎo)入導(dǎo)adams之前，把名字改為.xmt_txt格式。倒入模型并定義質(zhì)量，添加約束和驅(qū)動[8]圖4.12定義質(zhì)量圖4.13添加驅(qū)動和約束下面是各個(gè)驅(qū)動的力或是力矩的測量：機(jī)械手轉(zhuǎn)動力矩：圖4.14機(jī)械手轉(zhuǎn)動力矩圖4.15機(jī)械手小臂的轉(zhuǎn)動力矩圖4.16底座的轉(zhuǎn)動力矩圖4.17底座的小齒輪轉(zhuǎn)動力矩夾持件即機(jī)械夾手的空間軌跡如下列圖18：圖4.18機(jī)械夾手的空間軌跡由此可以看到，路線并不是圓滑的曲線，說明在機(jī)械手運(yùn)動時(shí)會有震動，想消除震動可以定義變量，進(jìn)行優(yōu)化。下面是關(guān)鍵驅(qū)動函數(shù)[9]：1.夾持件的運(yùn)動函數(shù)：step(time,0,0,2,step(time,2,0,3,step(time,3,45d,4,step(time,4,45d,5,step(time,5,0,10,step(time,10,0,11,step(time,11,45d,12,0)))))))2.手腕轉(zhuǎn)動函數(shù):step(time,0,0,1,step(time,1,0,2,step(time,2,90d,12,step(time,12,90d,13,0))))3.液壓馬達(dá)的驅(qū)動函數(shù);step(time,0,0,3,step(time,3,0,4,step(time,4,15,6,step(time,6,15,9,step(time,9,0,10,step(time,10,20,11,step(time,11,20,12,0)))))))4.第二臂即小臂的驅(qū)動函數(shù)：step(time,0,0,5,step(time,5,0,6,step(time,6,-45d,8,step(time,8,-45d,9,0))))5.大臂的驅(qū)動函數(shù)：step(time,0,0,1,step(time,1,90d,12,step(time,12,90d,13,0)))6.底座的驅(qū)動函數(shù)：step(time,0,0,7,step(time,7,0,8,step(time,8,180d,12,step(time,12,180d,13,0))))。機(jī)器人末端執(zhí)行器速度曲線圖4.19機(jī)器人末端執(zhí)行器速度曲線5.學(xué)習(xí)心得作為機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，曾經(jīng)在信義〔蕪湖〕玻璃股份公司壓延生產(chǎn)線作為設(shè)為維修保養(yǎng)人員，實(shí)習(xí)半年，xxxxxxxxxxxxxx作為生產(chǎn)線技術(shù)設(shè)計(jì)人員工作近10個(gè)月，其中最大的體會是生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)為模仿，沒有自己的核心技術(shù)，幾乎同行都是緊定國內(nèi)外最新設(shè)備，通過模仿作為自己廠的圖紙，然后生產(chǎn)加工，市場價(jià)格為老外同等功能的一半不到，你會發(fā)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線從裝配組件，到生產(chǎn)線試運(yùn)行將近一個(gè)月：這面修修，那邊修修，去保證加工精度，而老外采用的模塊化設(shè)計(jì)，從生產(chǎn)到安裝完成只要10左右完成，可以保證五年內(nèi)，主要部件不會影響原始招標(biāo)合同書設(shè)計(jì)的精度，其實(shí)并不是我們不敢創(chuàng)新，因?yàn)閺S里的老設(shè)計(jì)人員沒有接觸analysis有限元軟件，Adams軟件等輔助設(shè)計(jì)軟件，誰也不敢保證自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)預(yù)期，承當(dāng)設(shè)計(jì)本錢，新人在企業(yè)沒有創(chuàng)新的氣氛，沒有多大進(jìn)步，最近幾年我國提出《中國制造2025》和2023年到達(dá)創(chuàng)新型國家，我想如果通過pro/e參數(shù)化建模，生產(chǎn)三維模型，然后對關(guān)鍵零件用有限元進(jìn)行分析，對多體動力學(xué)問題用adams軟件分析，甚至聯(lián)合matlab進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝配生產(chǎn)線，如果可以生產(chǎn)加工代碼，也許在設(shè)計(jì)的時(shí)候會多分自信。所以本讀書報(bào)告，結(jié)合adams機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真技術(shù)，舉：四自由度機(jī)械手分析通過本課程和實(shí)際工程例題，有很大的收獲：1.了解ADAMS軟件的根本程序模塊及附加程序模塊；學(xué)習(xí)虛擬樣機(jī)仿真分析根本步驟；掌握ADAMS/View命令的根本操作；2..根本可以運(yùn)用虛擬樣機(jī)幾何建模，樣機(jī)仿真分析及調(diào)試，仿真結(jié)果后處理、參數(shù)化建模與設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于一個(gè)具體的例子，以理論聯(lián)系實(shí)際，對這一方法有了更深一步的理解。2.應(yīng)用ADAMS中的仿真模塊和后處理模塊等知識，對抽象的優(yōu)化設(shè)計(jì)概念理解的更加的具體。深刻體會到先到設(shè)計(jì)方法給設(shè)計(jì)工作帶來的方便，快捷的好處。6.學(xué)習(xí)筆記6.1pro/e與adams之間的轉(zhuǎn)化[10]一般情況下將在ProE/中建立好的三維模型轉(zhuǎn)換到AD-AMS時(shí),采用改變保存文件的格式方式,缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)喪失情況比擬嚴(yán)重,因此難以保證建好的三維型完全的轉(zhuǎn)換到ADAMS中。然而使用MECHANISMP/ro專用接口將在ProE/中建立好的三維模型轉(zhuǎn)換到ADAMS時(shí),不存在數(shù)據(jù)喪失的情況,可以實(shí)現(xiàn)完全的無縫聯(lián)接,在ProE/中建立的三維機(jī)構(gòu)的各種連接副也可以通過這樣的接口實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換。在MechanismP/ro接口中把具有同一運(yùn)動的零部件設(shè)定成一個(gè)剛體;在各個(gè)剛體之間添加各種約束,以限定各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系;導(dǎo)入ADAMS里定義材料屬性、各滾子和凸輪之間的接觸力以及添加驅(qū)動,建立虛擬樣[12]6.2力與驅(qū)動的關(guān)系驅(qū)動包括直線驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，他們配合約束副使用。驅(qū)動就是指使所定義的約束副的運(yùn)動按照所設(shè)定的驅(qū)動方程運(yùn)動；而力指