基于ADAMS的机械臂仿真分析

张衡

摘 要：本文利用ADAMS/View模块对液压机械臂的虚拟样机机械系统进行仿真，尤其针对其液压机械臂机械手的转角进行针对性分析，并进行结构优化设计，得出最优解，并将最优解参数导入程序进行仿真分析，给出优化建议，使其转动角范围符合各种工况需求。同时对机械臂姿态调整液压缸进行了受力仿真分析，并给出了液压机械手姿态调整杆最佳连接位置，为之后的选型和设计工作奠定了理论基础。

关键词：ADAMS 仿真分析 机械设计

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0076-02

近年来，功能多样，高效的机械臂在工业生产渐渐普及，它的普及促进了工业生产向着自动化和智能化方向发展。该行业的国产化还存在较多问题，产品标准不统一，使用批量小，个配件的兼容性通用性差，生产装配效率低，且成本较高，并且在可靠性方面还有很大改进空间。以上种种问题是我们研究的动力和努力的方向。本文主要在ADAMS 动力学仿真软件中建立液压驱动机械臂虚拟样机系统。利用该系统，针对柔性液压机械臂的工作范围进行运动学仿真分析。

1 ADAMS软件的应用

1.1 软件简介

ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems） 是屬于MSC公司的一款模拟器仿真软件，应用于全球各大厂商中，占机械系统动态仿真软件市场份额的51%。工程设计人员使用ADAMS在计算机上建立和模拟仿真样机，对机械可进行虚拟再现模拟，可以让设计人员知道其设计的机械系统的运动性能。在运动学和动力学仿真领域，ADAMS是目前国际上应用最广泛模拟电脑软件之一。

1.2 设计流程

（1）构建组件（建立组件，设立应用条件，对施加的进行设计）建立系统的模型包括设立组件，然后将约束条件作用于组件并定义作用于它们的力。设计的机械组成中，其组件是具有物理特性的几何形状，如质量和转动惯量。这些结构之间的约束也被用来确定构件之间的连接，并且阐明了结构之间的运动学关系。

（2）查证模拟结果（检验特征、模拟解析、生成三维图形、查看模拟包络线）。

（3）测试模拟结果（引入模拟参量、对比模拟结果包络线进行），检查模型是否适当。检查模型包括测试特征、模拟结果、动画回放和包络线生成。对模型的检验步骤为导入数据和包络线分析。

（4）改进参数（增减摩擦力，设立柔性体，时间力函数，创建操控）。

（5）多次模拟（增加模型，设置设计参数）基于正确的测试模型来验正系统。若最终的模拟结果不理想，即与参量不相适应，则应在模拟过程中适当增减约束条件，改善模拟结果，设立影响因素中的摩擦力，设立柔性体、应用力函数并设立操控。若要进行重复性的多次模拟，应多次修约束条件和系统变量。

（6）完善系统（系统影响性预判、系统实际使用、提高系统完成度）使用该软件的便捷之处在于，在某些特定的情况下，软件本身可以根据系统需求自适应地改变系统参量，然后进行多次迭代求解，法找出最优解。完善系统包括系统参数影响因子大小的探究、试验设计研究和完善系统参数分析。

（7）自适应规划（设立用户菜单，设立用户对话窗口，记录和重放模型宏），以让设计人员的操作更加容易且能够与设计要求兼容，操作人员可以自定义选项栏和对话框窗口，能够使用宏命令完成较为困难和重复的任务，缩减任务完成时间。自定义设计包括创建自定义菜单、建立自定义窗口以及创建自适应的宏命令。

2 机械臂的仿真研究

2.1 液压缸机械臂转角分析优化

利用ADAMS进行机械结构的转动范围解析，改进扩大机械结构的转动范围，使其可以适应多种工作环境的要求。

根据工作条件要求，通过对液压机械手分析可知，该结构的旋转角范围由两个液压机械手姿态调整杆和一个姿态调整液压缸3个主要零件共决定。其中主要由两个调整杆的长度，调整液压缸的可伸缩距离，以及姿态调整杆与副液压臂的接触位置和姿态调整液压缸的安装位置这几个因素决定。使用ADAMS软件对上述模型进行分析，可知液压机械手姿态调整杆的水平位置对于机械手旋转角度的影响最大，接下来针对该变量进行机构优化设计。

该优化设计变量为DV_X，设计目标为一次驱动过程中，MEA_ANGLE_2及液压机械手的旋转角度的最大值[1]，假设转动副臂的位置距离原点不得小于250mm。为此需要在副机械臂上标记一点，并测量转动副到改点的距离.化过程中，系统将不断改变设计变量DV_X的值，每一次设计变量的值更改后，就仿真一次机构的翻转，获取转动角度的最大值。比较这些值，寻优，最终找到最合适的值[2]。

2.2 机械臂液压缸受力分析

通过研究，已了解了各部分连杆对液压机械臂旋转角度的干涉，并通过算法解除了最优解。将以上数据作为已知条件，把控制机械手的液压缸与副臂的栓接点位置参数化，对其坐标进行改进处理，同时，对液压缸进行受力分析，了解液压缸受力范围，为选型工作打基础。在画出机械手实际工作中的状态图后，对机械结构进行仿真分析[3]。

由于液压钢的工作特殊性，需要其在绝大部分情况下都能正常工作，满足要求，所以，要设计1.2的安全系数。同时，假定副机械臂垂直，保证机械结构的重量集中到夹持圆木上。

首先，在ADAMS中建立相应的参数化模块，其中有连杆、机械手和液压缸。在副机械臂上确定一初始坐标点（856）设计参数化值，将点与参数化值联系起来。然后，建立各零件模型之间的相关联系。设立负载的重力模型：安全系数*（机械手重力+负载重力）。同时建立机械手的角测量，设置转动限制角度，使得仿真时的机械臂转动角度限制在120°之内。设置好后进行仿真。

由仿真结果可知，随着液压缸的受力与转动角度和伸缩长度之间并不是线性关系，在转动角度为100°左右，伸长长度为68cm左右时，姿态调整液压缸受力最大。这显然不能达到我们的工作要求。经过我们的结构优化仿真分析发现，液压缸与副机械臂交点的横坐标为98cm时，液压缸的受力最小。

3 结语

针对车载液压机械臂，利ADAMS动力学仿真软件中建立相应仿真仿真模型过ADAMS/View模块对液压机械臂的虚拟样机机械系统的工作范围进行运动学仿真分析，得到液压机械手旋转角度，并且针对机械臂的旋转角，通过优化调整杆的链接位置，优化了旋转角，使其达到理想旋转范围。同时，我们又对姿态调整液压缸进行了受力仿真分析，得到包络线，并进行了受力优化分析，得出最优解。为选型工作奠定理论基础。

参考文献

[1] 朱林，冯樱，严运兵.基于响应面法的双前桥转向机构参数优化[J].湖北汽车工业学院学报，2013，27（1）：1-4.

[2] 何孔德，方子帆.基于虚拟样机技术的装载机工作装置优化设计[J].拖拉机与农用运输车，2010，37（3）：97-99.

[3] 董恩国，张蕾.基于ADAMS的汽车转向机构全液压系统设计[J].液压与气动，2015（11）：4-6.