六自由度机械手动力学仿真

机电工程学院

机械动力学课程设计

学号：

专业：机械工程

学生姓名：

任课教师：

2012年10月

基于PRO/E和ADAMS的

六自由度机械手运动仿真

本文利用PRO/E软件对所设计六自由度机械手进行三维实体建模，然后通过PRO/E 和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的关节角位移、速度、加速度和驱动力矩的变化情况，通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势确定设计中存在的问题，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试。

1 六自由度机械手的三维实体模型

1.1利用Pro/E建立机械手的三维实体模型

本文所研究的六自由度机械手由Part2-Part8七部分零件构成，Part_1为大地。将绘制完成的零件采用从下向上的装配顺序进行装配，其装配效果图如图1所示。

图1 机械手装配模型

1.2三维模型的导入

首先在Pro/E环境下将机械手装配模型保存为“.x_t”格式，然后在ADAMS中执行[import]导入刚才生成的“.x_t”文件。导入的模型没有质量，需要自己添加，在ADAMS 中分别定义各零件材料属性为“steel”。

2 ADAMS运动仿真

机械手在运动过程中要尽量平滑、平稳，否则会产生机械部件的磨损加剧，并导致机械手的振动和冲击。因此在仿真过程中测量各个关节的关节角位移、速度、角加速度和驱动力矩的变化情况。

将模型各零部件导入ADAMS软件中后，各个构件之间还没有任何的约束，模型只是提供了各构件的初始位置。本机械手两两相邻的构件构成的六个关节都是转动关节，均定义为旋转副，底座与大地之间定义为固定副，然后再为每个旋转副分别定义驱动(Motion)。从下往上，Part_2和Part_3之间为Motion_1，直到Part_7和Part_7之间为Motion_6。添加完驱动后的模型如图2所示。

图2 ADAMS环境下机械手仿真模型

本题为已知各关节转角运动关系，因此使用STEP函数定义各关节驱动为角位移的函数。各个旋转副相对应的运动方程如下：

（1）Motion_1：STEP(time，0，0d，6，60d)；

（2）Motion_2：STEP(time，0，0d，6，-15d)；

（3）Motion_3：STEP(time，0，0d，6，45d)；

（4）Motion_4：STEP(time，0，0d，6，40d)；

（5）Motion_5：STEP(time，0，0d，6，40d)；

（6）Motion_6：STEP(time，0，0d，6，20d)。

至此建立起了机械手完整仿真模型，然后进行8s、80步的仿真。如图3所示。

图3 机械手运动轨迹

3 仿真结果及分析

3.1 结果曲线

关节角是机械手运动学的重要参数，在此我们提取了各个关节的角位移、角速度、

角加速度变化规律和各个关节的驱动力矩变化规律分别如图4、图5、图6和图7所示。

图4 各个关节角的角位移仿真结果图图5 各个关节角的角速度仿真结果图

图6 各个关节的角加速度仿真结果图图7 各个关节角的驱动力矩仿真结果图

3.2 结果分析

通过观察图3运动轨迹及图4、图5角位移和角速度曲线，可知各关节均按给定位移函数正常运行，机械手运行轨迹光滑，速度和加速度平稳。

由图6角加速度曲线可知，各关节在启动和停止阶段加速度都有突变。启动阶段加速度从零到最大值，停止阶段从最大值降到零。在正常运行阶段，角加速变化平稳，大致呈线性变化。由于考虑了重力，各关节的角加速度是重力和驱动力矩共同作用的结果。

从图7中可看出，各关节驱动力矩变化平稳，没有冲击现象。事实上，在各关节的启停阶段，驱动力矩也存在少量波动。例如图8和图9所示，分别为Motion_1和Motion_6的驱动力矩，由于两个驱动力矩都很小，可以清楚地从图中看到在启停阶段驱动力矩都存在突变。但由于突变量很小，可以忽略，即可认为驱动力矩在机械手整个运行阶段都是平稳变化，没有冲击载荷。

图8 Motion_1驱动力矩图9 Motion_6驱动力矩

4 结论

本文针对所设计六自由度机械手，利用Pro/E和ADAMS软件，对六自由度机械手的三维实体模型进行运动仿真，仿真结果表明能够发挥各个的优势，更快更好的得到结果。通过仿真动画可直观地观察到机械手的运动轨迹，为进一步研究机械手的动、静态特性提供了条件。进而通过观察各个关节的角位移、角速度、角加速度和各个关节的驱动力矩变化规律。实验验证了所设计的六自由度机械手在运动过程中平滑、平稳，没有振动和冲击现象。