基于PROE和ADAMS的三自由度平台仿真分析

基于Pro/E和ADAMS的三自由度

运动平台仿真分析

徐炜

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640）

【摘要】在Pro/E环境中建立三自由度平台的三维实体模型, 将模型通过Mechanism /Pro 接口程序导入ADAMS中。通过对虚拟样机模型进行动力学分析,仿真得出两种三自由度平台关键构件的承载情况，并利用以上获得的数据对比分析两种方案各自的优缺点。

关键词：建模；仿真；三自由度运动平台；ADAMS；PRO/E

中图分类号: TH 文献标识码：

Research of the 3-DOF Motion Platform

Based on ADAMS and Pro/E

Xu Wei

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

[Abstract] Against the mechanism design problem of the 3-DOF motion platform, the 3D model is built by Pro/E and then input to ADAMS/View by Mechanism/Pro. Through dynamical analysis for the virtual prototype model of the 3-DOF motion platform, the analytical results of the load of key joints are obtained. And then their respective advantages and disadvantages could be found by analyzing the results above.

Keywords: modeling; simulation; 3-DOF motion platform; ADAMS; Pro/E

引言

在少自由度并联机构中，三自由度并联机构有着广泛的用途。三自由度并联平台是由六自由度的Stewart 机构衍生而来的，它在继承Stewart 机构优点的同时也克服了Stewart 机构的操作各向同性差、奇异点多等缺点[1]。本文基于两种三自由度并联平台，运用多体动力学仿真软件MSC.ADAMS 2005、三维CAD建模软件Pro/Engineer Wildfire 2.0和实现前两者无缝链接的Mechanism/Pro 2005对其进行虚拟样机设计及并仿真其运动过程。通过分析和比较两种设计方案，给出较优的三自由度运动平台设计方案及其关键部位的动力学分析结果。

1 三自由度运动平台机构简介

1.1 设计方案概述

本文提出两种三自由度平台的设计方案，运动平台通过三套独立的伺服电机驱动，伺服电机通过丝杆直接驱动平台和导杆连接点运动。平台的升沉、纵摇、横摇运动分解成三个连接点的线位移。由于三套电机运动控制相互独立，因此可以模拟升沉、纵摇、横摇运动的任意组合。

来稿日期：2009-8-19

1.2 三自由度平台的结构概述

在方案一中，三自由度运动平台的上部平台和底座之间分布着呈等腰三角形布置的三根伺服电缸，三自由度平台整体结构如下图1所示。三根电缸附带伺服电机，且与电机之间是并联关系。位于等腰三角形底边位置的两根电缸与上平台之间通过胡克铰连接，与底座之间通过球铰相连。位于三角形顶点位置的电缸顶部与上平台之间通过胡克铰连接，其底部与底座之间通过法兰固定。

图1 三自由度平台整体结构图图2 三自由度平台整体结构图在方案二中，三自由度运动平台的上部移动平台和底座之间同样分布着呈等腰三角形布局的三根伺服电缸，并加装X形辅助支架。该三自由度运动平台总体结构如图2所示，三根伺服缸与上部移动平台和底座之间的连接方式与一号方案相同，不同之处在于上下平台之间存在X形辅助支撑，且移动平台底面安装有滑杆，X形支架的上部可沿滑杆滑动。

2 基于Pro/E环境下的三维造型

大型动力学仿真软件ADAMS 2005集成了最新的多体系统动力学理论成果、参数化的建模工具、可进行静力学、运动学和动力学分析的求解器、功能强大的后处理模块以及可视化界面等，利用它们来建立仿真模型，可以将科研人员从建立方程、求解方程这些在过去要耗费大量精力的工作中解脱出来，大大提高了机械系统仿真的效率。但是这些软件重点在力学分析上，在建模方面有些不足，特别是对于三自由度并联机构，各个运动副的空间几何结构和位置都对整个机构的运动有重大的影响，需要建立准确的三维模型。因此，需要借助于三维建模功能很强的CAD软件来建模[2]。

本文以三维建模软件Pro/E 2.0 和动力学仿真软件ADAMS 2005相结合建立三自由度平台的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立机构的三维模型，机构的安装位置为机构运动的初始位置。创建不同的零件模型，分别为平台、底座以及各个连接支链。

在Pro/E系统下，根据实际经验，在零件建模前应该注意环境单位和密度的设置，这样可以防止在模型转换的时候出现很多不必要的错误。本文中所建立模型的单位设置应该为“MMKS”（Milimeter Kilogram Second），同样在创建装配图时也要注意这个问题，这是因为把实体模型转化到ADAMS 软件中时，ADAMS 能辨认这种单位设置。除此之外，“M K S”（Meter Kilogram Second）也可以被ADAMS识别，但设置成其他单位时容易出错[3]。

建立装配图时需考虑到各个构件运动的初始位置，本文在最开始的装配时就设置成构件运动的初始位置，减少以后调整的麻烦。对于三自由度平台先调入基座文件后，出现装配对话框,选择连接方式(基座采用固定Fix连接),当下面位置菜单提示完全约束即可。其他零件按照类似的方法,只是连接方式不同。完成以上步骤后将装配模型进行存贮,以准备后续的操作。

建立完装配体后，利用Mechanism/Pro 2005这个接口软件在Pro/E环境下指定机构的各个刚体，继而建立参考坐标系并对各刚体间施加约束关系。最后，利用该接口软件将模型转入ADAMS环境中。

3 动力学仿真

对导入ADAMS环境中的虚拟样机模型进行进一步完善，添加负载（平台所受固定载荷为4000 N，作用在移动平台的正中处），设置各组成部分材料属性。之后就可以对样机模型进行仿真分析与检验，来观

察在规定操作之下的运行情况。ADAMS/View对模型进行仿真分析，并计算相应方程，然后将仿真结果以动画的形式显示出来。另外，ADAMS/View将临时保存仿真分析结果数据，而且可以在ADAMS/ Postprocessor环境下进行深入研究。

本文中三自由度运动平台能够实现滚转、俯仰和升降运动，在仿真过程中仅以滚转模式为例，对平台关键组成部分（胡克铰）进行受力分析。（注：文中各载荷方向均相对于ADAMS环境中的大地坐标系而言）3.1 基于方案一中三自由度平台滚转运动过程的动力学仿真

三自由度平台首先垂直上升约177mm，平台左侧固定电缸运动至此高度停止运动。然后，布置于平台右侧底部的两电缸中一根收缩，一根等幅上升，于是就形成滚转运动。

在旋转方向上设置传感器，保证平台各部件在互不干涉的前提下达到+/-25d。当虚拟三自由度平台达到偏转角度的极限时，系统会自动停止并弹出消息窗口。旋转过程中，各胡克铰所受负载转矩如图 3所示。

图 3 位于固定电缸上的胡克铰在X、Y、Z方向上受到的转矩（其余胡克铰所受转矩为零，未在图中标出）从上图可发现方案一存在系统强度不够，局部应力过大的隐患。在滚转过程中，位于固定电缸上的胡克铰承受转矩，在Y与Z方向上的分量分别达到近70 N·m和35 N·m（图 3中revolute_joint _universal _ down _1.TY/TZ），但另外两个电缸上的胡克铰所受转矩却几乎为零，即所有转矩仅由位于固定电缸上的胡克铰承载。虽然该运动模式下胡克铰所承受的负载转矩并不是很大，但这是由于本文中模拟载荷较小的缘故。此外，当载荷作用点偏离平台中心点时，上述胡克铰所受负载转矩会激增（图 4），而当平台上所承载的重物重心较高且平台旋转时也会产生类似后果。在实际环境中，平台所承载的物体重心是很难位于平台中心点上的，由此导致该胡克铰负载过重，局部应力集中，容易失效，所以本方案安全裕度较低。虽然存在上述缺陷，但该系统也具有一些优点。其结构简单，只要注意胡克铰上旋转副的添加方式就可以很方便地实现系统无虚约束。这样就可以求解被约束的任意自由度上构件之间的相互作用力，简化了分析工作。

图 4 三自由度平台中位于固定电缸上的胡克铰所受转矩（此时平台所受固定载荷偏离平台中心）

3.2 基于方案二中三自由度平台滚转过程的动力学仿真

方案一中的平台自由度数已经为3，而本方案添加了X 形辅助支架却又必须确保方案二中的平台自由度数也为3，故很容易就给系统添加了虚约束。在ADAMS 环境中，系统在求解时会自动解除一些虚约束，在被解除虚约束的自由度上就不会计算构件之间的相互作用力，这给分析工作带来很大不便。为了避免虚拟样机模型中不存在虚约束，可以使用基本副来代替低副，由于基本副约束的自由度要少于低副约束的自由度，因此使用低副可以确保系统不会产生过约束。不过它需要对一个具体复杂系统中构件之间的运动关系和基本副约束的自由度有深刻理解，否则很难消除[4]。

在本方案设计开始，本文就已经采取措施尽可能降低虚约束发生的可能性，对系统中共线的多个旋转副均用一个旋转副替代，该旋转副布置于被替代的多个旋转副的中间位置。图 5中X 形支架与底部平台之间的旋转副、X 形支架与滑块之间的旋转副及各胡克铰中的旋转副均采用这种方法，所以通过ADAMS 所计算出的负载转矩在现实世界中是由被替代的多个旋转副共同承载的。

图 5 虚拟样机中各连接副

然而采取以上措施后，虚拟样机中仍然存在虚约束。通过ADAMS 软件中的工具“Model Verify ”可以发现该方案在四个旋转方向上存在虚约束（X 形支架与底座之间存在三个虚约束，位于固定电缸顶部的胡克铰内部存在一处）。这对精确求解各运动副上的载荷产生了不利影响，因此图 6并不能精确反映各胡克铰所受载荷。鉴于此，不能直接将方案二中的平台在滚转运动模式下计算出来的负载转矩与方案一进行对比。

在该运动模式下，由ADAMS 计算出的固定电缸上的胡克铰所受转矩（universal_ joint_down_1. TX /TY/TZ ）为零。当然这并不能表示该胡克铰所受负载转矩就是零，因为其存在旋转方向上的虚约束，ADAMS 在求解时会自动解除该虚约束，在被解除虚约束的自由度上就不会计算构件之间的相互作用转矩。换个角度来看这个问题，既然固定电缸上胡克铰的上端旋转副存在虚约束，也就是说系统中存在不止一个运动副对虚约束所在的自由度进行约束，于是该胡克铰不会像方案一中那样单独承受负载转矩。实际上这是由X 形辅助支架与移动平台下吊装的滑杆相互作用所导致的。在本方案中，滑杆轴线被设计成与上述胡克铰中十字轴的一条轴线共线，相当于将十字轴沿该直线方向延长了。移动平台通过这根“长轴”同时与胡克铰下端和X 形辅助支架相互接触。当平台受到外界负载转矩（除去沿该轴线方向的转矩）时，将会在四处受到约束（胡克铰两处、两滑块各一处），极大加强了三自由度运动平台在沿移动平台垂线旋转方向上的抗负载强度。与前述方案相比，在相同运动模式及载荷环境下，方案二中的固定电缸胡克铰承载环境得到较大改善。

图 6 各胡克铰在X、Y、Z方向上受到的转矩（图中未显示的分量均为零）

如果要彻底将方案二中虚拟样机的虚约束消除，可采用本节前述的方法，将虚拟样机模型中的某些运动副（低副）用基本副来替代。然而这仍然不能较准确反映实际环境中同尺寸物理样机在虚约束所限制的自由度上构件间实际所受的相互作用力。因为在现实世界中，虚约束将载荷分配到数个运动副上，无需让单个运动副承载。在虚拟样机中去除了虚约束后，自然ADAMS计算出的非虚约束运动副上的载荷将会比实际情况下所承受的载荷大，因为某些原本存在多个约束的方向上约束的数量下降为一。

综上所述，与方案一相比，方案二在其基础上添加了X形支架。该支架能够有效提高系统的强度，显著降低固定电缸上胡克铰承受的转矩，提高了平台的使用寿命。但该方案的不足之处在于虚拟样机模型中存在虚约束，不利于准确求解各构件之间的相互作用力，不能直接根据方案二中虚拟样机测得的载荷来选择零件型号。但方案一、二结构之间的差别局限在是否有辅助支架上，而辅助支架的作用主要是降低固定电缸上胡克铰所受负载转矩，对平台其它方面性能没有多大影响，其本身在垂直方向并不承载平台的固定负载，整个平台仍由三根电缸支撑。因此方案二可以参考方案一中虚拟样机测得的各自由度间相互作用的载荷来选择或设计球铰等其余零件。这样设计的系统抗过载能力高，安全裕度大，故本文最终采用方案二。

4 小结

本文运用PRO/E和ADAMS两种大型软件对两种三自由度运动平台进行联合仿真分析，得出其各自的优缺点。在设计的初始阶段，不必在数学上面对结构的运动学方程及其求解进行繁琐的分析、计算，只需运用软件仿真就得到各构件的运动特性，避免了制造价格昂贵的物理样机，降低了开发成本。这种方法大大提高了设计的效率，是虚拟样机技术在三自由度并联机构研究中的很好应用。

参考文献

[1] 袁剑雄．六自由度并联瞄准模拟器研制[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学．2002．

[2] 胡明，房海蓉．基于Pro/E和ADAMS的少自由度并联机构运动仿真[J]．数字设计，2003，21(3)：50∽51．

[3] 芮执元，程林章．基于Pro/E与ADAMS结合的虚拟样机动态仿真[J]．现代制造工程，2005，3(1)：56∽58．

[4] 李增刚．ADAMS入门详解与实例[D]．北京：国防工业出版社．2007．

作者简介：徐炜（1985 -），男，汉族，江苏省南通市人，华南理工大学在读研究生，从事机电一体化方面的研究。

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