1、基于Pro/E 與ADAMS 管道機器人設計仿真*張美艷1韓小秋2(1沈陽工業(yè)大學機械工程學院,沈陽110870(2哈爾濱工業(yè)大學(威海機械工程系,威海264209Design &simulation of a piping robot based on Pro/E and ADAMSZHANG Mei-yan 1,HAN Xiao-qiu 2(1College of Mechanical Engineering ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110870,China (2Department of Mechanical Engine

2、ering ,Harbin Institute of Technology at Weihai ,Weihai 264209,China 文章編號:1001-3997(201107-0022-03【摘要】針對ADAMS 分析能力強大、建模功能弱的特點,運用Pro/E 創(chuàng)建機器人虛擬樣機,基于Pro/E 與ADAMS 對機器人進行聯合仿真。主要介紹了聯合仿真技術,指出樣機導入過程中需要注意的關鍵問題,利用接口模塊Mechanism/Pro 對管道機器人進行了聯合仿真,研究分析了機器人在管道內的運動特性,并對彈簧預緊力與樣機驅動輪直徑進行了優(yōu)化。仿真結果表明,所設計的管道機器人能夠滿足設計指標要求

3、,其結論可作為研制管道機器人物理樣機的理論依據。關鍵詞:虛擬樣機;聯合仿真;管道機器人;ADAMS ;優(yōu)化【Abstract 】In view of the powerful analyzing yet weak modeling features of ADAMS ,a virtual proto -type was established by applying Pro/E and a simulation,which is based on Pro/E and ADAMS ,was done to the proposed robot.The co-simulation technolo

4、gy was introduced and the key problems during the process of virtual prototype being guiding into the ADAMS to be paid attention were pointed out.By applying an in -terface module Mechanism/Pro ,a co-simulation of the piping robot is carried out ,then the motion charac -teristics of the piping robot

5、 in pipeline is researched &analyzed and optimization on the spring preload and the driving wheel diameter of the prototype is done as well ,which results show that the designed piping robot can meet the design requirements ,thus its conclusions obtained could be regarded as the theoretical basis fo

6、r the development of physical prototype.Key words :Virtual prototype ;Co-simulation ;Piping robot ;ADAMS ;Optimize中圖分類號:TH12,TP242.3文獻標識碼:A*來稿日期:2010-09-04*基金項目:機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金資助(SKLRS2009MS071引言隨著計算機技術的發(fā)展及多體系統(tǒng)動力學理論的日臻成熟,尤其是人們對于機械產品設計短周期、低成本的要求,使得虛擬樣機技術得到高速發(fā)展并獲得廣泛應用。虛擬樣機技術以進行機械系統(tǒng)運動學和動力學分析為核心,集成了

7、多體系統(tǒng)動力學理論成果、參數化的建模工具、功能強大的后處理模塊及可視化界面,極大地提高了仿真分析的效率1-2。虛擬樣機技術的應用,可減少試驗樣機的數量,縮短產品開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高產品市場競爭力,滿足人們在物理樣機前的虛擬設計與分析要求。Pro/E 具有強大的三維造型設計功能,而ADAMS 是專門進行動力學分析的軟件,利用接口模塊Mechanism/Pro ,將Pro/E 與ADAMS 結合來開發(fā)復雜機械系統(tǒng)的虛擬樣機,是當前較實用的仿真方案3-4?；赑ro/E 與ADAMS ,對管道機器人進行聯合仿真分析,研究其在管道內運行特性,為物理樣機的研制提供理論依據。2Pro/E 與ADA

8、MS 聯合仿真技術Mechanism/Pro 是某公司為ADAMS 開發(fā)的Pro/E 專用接口模塊,作為一個子菜單掛接在Pro/E 環(huán)境中,可實現兩者間的無縫聯接5。用戶可在熟悉的Pro/E 環(huán)境下,利用Mechanism/Pro 模塊設置定義裝配完的三維模型,添加完簡單約束后即可導入到ADAMS 環(huán)境。3機器人虛擬樣機建模及簡化機器人驅動系統(tǒng)主要由電機控制單元、行走單元、預緊變徑單元及彈簧緩沖單元組成,其結構組成示意圖,如圖1所示。其中,預緊變徑單元主要是為了實現機器人對管徑的自適應性,而彈簧緩沖單元除了實現機器人的柔性變徑,避免剛性聯接帶來的沖擊外,還可適應管徑微小變化,提高機器人在管內運

9、行平順性。機器人在管內行走時,各行走單元行走輪由于預緊變徑單元預緊作用而緊緊壓在管道內壁上。受到各驅動電機驅動,行走輪將與管道內壁發(fā)生相對滑動,產生與機器人行進方向一致的摩擦力,機器人正是靠這一摩擦力實現在管道內的行走。ADAMS/View 中的零件庫只能創(chuàng)建形狀簡單的物體,三維實體建模并不是ADAMS 的強項,所以選擇在Pro/E 環(huán)境下建立管道機器人零部件并在其裝配模塊完成機器人虛擬樣機的裝配,然后通過接口軟件MECHANISM/Pro 設置定義后導入到ADAMS 環(huán)境中對虛擬樣機進行仿真分析,以便真實地預測物理樣機的工作性能。在虛擬樣機建模過程中,要包含零件所有信息是沒必要的,Machi

10、nery Design &Manufacture機械設計與制造第7期2011年7月22常對虛擬樣機進行簡化,忽略一些次要的零件及因素,而保留關鍵零件及基本運動約束參數6。在Pro/E下建立機器人零件圖并裝配,簡化后的虛擬樣機,如圖2所示。12345圖1驅動系統(tǒng)結構組成示意圖1.預緊變徑單元2.驅動輪3.同步帶4.行走驅動單元5.管道內壁6.機器人本體7.絲杠螺母8.壓力傳感器4樣機設置及導入4.1定義剛體樣機導入ADAMS之前,必須先將零件定義為剛體。定義剛體時,為簡化計算可以將模型中相對靜止的零件定義為一個剛體,以減少約束副個數,提高樣機仿真速度和仿真質量7。在Mechanism/ Pro環(huán)

11、境下,系統(tǒng)將自動創(chuàng)建剛體GROUND并添加到模型當中。定義剛體有Automatic和By Selection兩種方式:對零件數量較多,且任意零件間存在相對運動關系的模型,使用Automatic模式較為方便;而對于存在較多無相對運動關系零件的模型,則多采用By Selection模式。模型中包含較多無相對運動關系的零件,因此選用By Selection方式。4.2添加約束及標記點在ADAMS/View環(huán)境下可以添加零件間的所有約束,但通過Mechanism/Pro將模型導入到ADAMS后,會造成許多關鍵元素丟失,對約束添加造成麻煩8。常用的方法是在Mechanism/Pro環(huán)境下借助完整的幾何特

12、征添加盡可能多的約束,并生成一些重要參考特征(如marker、curve等,以便導入后添加剩余的特殊約束。在Mechanism/Pro下,對機器人模型添加的約束有旋轉副(Revolute Joint、直線運動副(Translational Joint和圓柱副(Cylindrical Joint。對樣機進行以上設置之后,便可以導入到ADAMS環(huán)境。具體步驟為Mechanism/Pro-Interface-ADAMS/View-Only Write Files-NO-Done/Return。另外,樣機導入過程中,要注意幾個關鍵問題。將模型導入至ADAMS環(huán)境時,有兩種轉換類型:Render和SLA

13、。Render格式保留原有的顏色信息,但文件較大;而SLA格式文件小,但原有顏色信息會丟失9。在虛擬樣機建模過程當中,各零件及裝配體的單位必須設置為MMKS,否則在導入時會發(fā)生無法導入的情況。按實際情況添加完約束后的樣機常常會存在冗余約束,冗余約束的存在可能導致仿真求解的不正確,因為ADAMS/Solver在求解時會隨機忽略多余的約束。為了仿真正確進行,必須消除冗余約束。設計的機器人模型之所以存在冗余約束,主要是因為用3組驅動單元實現機器人的驅動行走,且約束間存在封閉回路。要去除冗余約束,可以用基本副或球副來代替低副,例如可以將旋轉副修改為球副或者點線約束,將移動副改為圓柱副等,但在修改過程中

14、不能影響模型自由度的個數,且最好保留對模型比較關鍵的約束1 。測試彈簧圖2機器人虛擬樣機圖圖3測試樣機圖5虛擬樣機仿真與分析5.1仿真前設置在進行模型實際仿真之前,必須先設定各個零件的質量屬性,使其與物理樣機實際情況相符,這樣才能在仿真過程中表現出真實的運動學及動力學特性。另外,還要設置重力及添加驅動力。在6個驅動輪與管道內壁間施加接觸力(Solid to Solid,并添加庫倫摩擦力。為了測得機器人驅動系統(tǒng)牽引驅動力,在機器人本體與大地間創(chuàng)建一測力彈簧(現實中沒有,如圖3所示。進行完如上設置后,對樣機進行時間為5s,步數為80步的交互式仿真。5.2彈簧預緊力分析彈簧變化量,如圖4所示。彈簧預

15、緊力,如圖5所示。從圖中可以看出,在仿真初始階段,彈簧預緊力會發(fā)生微小抖動,從而造成牽引驅動力不穩(wěn),其主要是由于各組驅動輪未與管道內壁完全接觸以及彈簧剛度的不足,因此在選擇彈簧時要選取合適的剛度系數。8.57.56.55.54.53.52.51.50.50.0-0.5deformation(mm0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Time(sec圖4彈簧變化量SPRING1_force20000.015000.010000.05000.00.0-5000.0Force(newton0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Time(sec圖5彈簧預緊力5.3彈簧預緊力對牽引力的影

16、響以彈簧預緊力為設計變量,進行參數化,對機器人牽引驅動力進行仿真設計研究,研究預緊力對機器人牽引驅動力的影響,結果,如圖6所示。第7期張美艷等:基于Pro/E與ADAMS管道機器人設計仿真23Last_Run Time=0.0000Frame=001Fdvs TimeTrial_1Trial_2Trial_3Trial_4Trial_50.01.02.03.04.05.0F d (N Preload vs Time4000.0P r e l o a d (N Time (sec 1.02.03.04.05.0Fdvs PreloadF d (N 4000.05000.06000.07000.0

17、8000.0Preload(N 圖6彈簧預緊力與機器人驅動牽引力關系圖在一定范圍內,機器人驅動牽引力與彈簧預緊力成比例增長,且當預緊力為4000N 時,機器人牽引力可達到650N ,能夠滿足設計指標要求。5.4驅動輪直徑對機器人牽引驅動力影響在彈簧預緊力為4000N ,剛度系數為1000N/mm ,絲杠導程為5mm 時,以驅動輪直徑Dw 為變量,對機器人樣機進行5s ,80步交互式仿真,考察驅動輪直徑對機器人牽引驅動力的影響,仿真結果,如圖7所示。機器人牽引驅動力隨著驅動輪直徑Dw 的增大而減小。這是因為當驅動輪直徑減小時,如圖1所示,連桿與水平方向之間的夾角增大,使得彈簧預緊力F 沿管道徑向

18、分量加大,從而引起機器人封閉力的增加而造成牽引力的提升。因此,在滿足越障條件下,選取較小直徑的驅動輪有助于牽引力的提升。Dw=50Avg=675750.0F d (N 0.01.02.03.04.05.0Time (sec Dw=55mmAvg=654F d (N 0.0 1.02.03.04.05.0Time (sec Dw=60mmAvg=635F d (N 0.01.02.03.04.05.0Time (sec 0.01.02.03.04.05.0Time (sec Dw=70mmAvg=5980.0-50.0F d (N 圖7驅動輪直徑與機器人牽引驅動力關系圖6結論基于Pro/E 與ADAMS 的聯合仿真,可在機械產品設計階段對整機動態(tài)特性進行詳細分析,盡早發(fā)現潛在問題,大大縮短產品研發(fā)周期、提高產品設計質量、降低成本?；赑ro/E 與ADAMS 對管道機器人進行了聯合動力仿真,仿真分析結果表明,彈簧預緊力為4000N 時