毕业设计（论文）-蜣螂虫式机器人设计(31页).doc

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1、-毕业设计（论文）-蜣螂虫式机器人设计-第 24 页摘 要针对工厂生产环境提出的要求，需要搬运具有一定质量的工件，同时对其搬运速度要求平稳，搬运工具的体积要求尽可能紧凑，并且要求机器人在搬运的过程之中，要实现一定的自动化、智能化操作，节省工人的工作量。 对于以上提出的要求，搬运一定质量的工件，同时保证机器人的结构也的紧凑性，我们选择其搬运时的推力比为1:8。对于搬运速度的平稳性要求，采用液压缸推动满足其平稳性的要求。对于其自动化和智能化的要求，我们可以选择各种传感器电控元件，对机器人的运动进行实时监控。在这里我们提出的方案是引入一种“蜣螂虫” 式机器人主要是由小车、驱动机构、液压油缸和复合制动

2、机构组成。 其中，所述小车设置在轨道上 所述液压油缸和驱动机构设置在小车上，压油缸设置在小车的一端，并且在其伸展状态，液压油缸的活塞杆可伸出到小车外。所述驱动机构控制液压油缸的伸缩和小车的运动。所述复合制动机构固定在小车下方，并与所述液压油缸通过支点固定在小车上的杠杆相连。复合制动机构在液压油的作用下， 使小车固定在轨道上或在轨道上自由移动。1关键词：“蜣螂虫”；式机器人 ；虚拟设计 ；机构仿真 AbstractIn view of the requirements of the proposed factory production environment, transportation i

3、s of a certain quality of the workpiece, and the handling speed and smooth, the volume of the transport requirements as compact as possible, and the requirements of robot in the handling process, to achieve a certain degree of automation, intelligent operation, save workers workload.For the above re

4、quirements, the handling of a certain quality of the workpiece, while ensuring the structure of the robot is also compact, we choose to carry the thrust ratio of 1:8. For the handling speed of the stability requirements, the use of hydraulic cylinder to meet the requirements of its stability. For it

5、s automation and intelligent requirements, we can choose a variety of sensor control components, the robots motion for real-time monitoring.Here we propose is the introduction of a dung robot is mainly composed of a trolley, a driving mechanism, a hydraulic cylinder and composite braking mechanism;

6、wherein, the carriage is arranged on the track of the hydraulic cylinder and the driving mechanism is arranged on the car, the pressure cylinder is arranged at one end of the carriage, and in the extended state, piston rod of the hydraulic cylinder can be extended to the car; the drive mechanism of

7、the telescopic hydraulic cylinder and control the movement of the car; the composite brake mechanism is fixed in the car below, and connected with the hydraulic cylinder through a fulcrum lever fixed on the trolley; composite braking mechanism in under the action of hydraulic oil and make the car fi

8、xed on the track or on the track to move freely.Keywords: Catharsius robot；Virtual design； Mechanism simulation目 录第一章 绪 论- 1 -1.1 本课题的来源、目的及意义- 1 -1.1.1 课题的来源- 1 -1.1.2 本课题研究目的- 1 -1.1.3 本课题研究的意义- 2 -1.2 课题背景及国内外研究现状- 3 -1.2.1 课题的国内外研究概况- 3 -1.2.2 课题的研究趋势预测- 4 -1.3 本章小结- 5 -第二章 “蜣螂虫” 式机器人的工作原理和运动学分析

9、- 5 -2.1 “蜣螂虫” 式机器人结构及工作原理- 5 -2.1.1 “蜣螂虫” 式机器人结构分析- 5 -2.1.2 “蜣螂虫” 式机器人工作原理- 6 -2.2 平面四杆机构机构的运动学分析- 8 -2.3 本章小结- 13 -第三章 “蜣螂虫” 式机器人系统设计方案与可行性分析- 14 -3.1 系统设计方案- 14 -3.2 可行性分析- 15 -3.2.1 建模模块软件介绍- 15 -3.2.2 仿真分析软件介绍- 16 -3.3 本章小结- 19 -第四章 “蜣螂虫” 式机器人的建模和装配- 20 -4.1 “蜣螂虫” 式机器人Pro/E建模- 20 -4.2 “蜣螂虫” 式机

10、器人Pro/E装配- 28 -4.3本章小结- 32 -第五章 “蜣螂虫” 式机器人曲柄连杆机构在虚拟样机中的动力学分析- 33 -5.1 “蜣螂虫” 式机器人曲柄连杆机构的参数设定- 33 - 5.1.1 “蜣螂虫” 式机器人曲柄连杆机构的导入问题- 33 -5.1.2 “蜣螂虫” 式机器人受力情况分析- 34 -5.2 “蜣螂虫” 式机器人曲柄连杆机构运动学仿真- 37 -5.3 本章小结- 44 -第六章 总结和展望- 45 -致 谢- 46 -参 考 文 献- 47 -第一章 绪 论1.1 本课题的来源、目的及意义1.1.1 课题的来源本课题来源于2011年1月中国科学院力学研究所申请

11、的一份专利，专利中针对工厂生产实际提出了一种结构设计思路方案，其设计的结构设计略为简单，只是提出来一种构思，并未进行实际生产运用。在这里我们对机器人进行了完全建模和装配，以及运动仿真分析，对其可行性进行了研究。1.1.2 本课题研究目的对专利提出的机器人方案进行修正和改进，并且进一步完成实际设计过程中的其他流程，比如对机器人的三维模型进行设计建模，用以指导生产过程。同时对机器人运动，受力进行分析，以期分析机器人设计的可行性。通过完成蜣螂虫式机器人机构的三维实体建模和整体装配，实现蜣螂虫式机器人机构的运动分析及仿真,用以指导机器人的运动性能，获得相关数据和结果，达到提高分析精度、设计水平和市场竞

12、争力的目标。 尽可能的接近工厂中的实际设计流程，培养自我的设计水平。1.1.3 本课题研究的意义随着国民经济的发展，机器人的发展也随之兴起，机器人在实际生产的意义不言而喻，减少工人劳动，保障产品质量，保护了工人的身体。在军事方面也有不可估量的展望。在制造业中，工业机器人甚至成为不可少的核心装备，世界上有近百万台机器人于工人朋友并肩战斗在各条战线上，机器人的出现是社会和经济发展的必然，它的高速发展提高了社会的生产水平和人类的生活质量。人们对其工作时的可靠性和安全性要求也越来越高，此外，螂虫式机器人在工作时产生的摩擦，动作不协调性，无法100%保证应用的实际效率，因此必须对其进行动态分析和动态设计

13、，以满足工作时的安全可靠性的要求。基于上述原因，这就要求对螂虫式机器人进行优化设计改进结构以减小工作过程中的各种动态力。通过对螂虫式机器人的三维实体建模和运动分析及仿真，不但能够缩短生产周期，降低制造成本，而且能及时发现设计误区与运动状态，获取大的经济利益和社会效益。同时也是响应了政府的号召，针对我们国家现在所面临的“大而不强”的实际情况，其一直是困扰中国制造业发展的难题。虽然中国已成为全球最大的制造业生产国，产值占全世界的20%，推动“中国制造2025”旨在通过动员全社会力量参与发展先进制造业，推进中国的制造强国进程。对现阶段的中国，国际竞争已全方位展开，围绕制造业的技术、品牌、生产方式等方

14、面的差异化竞争日趋激烈，发达国家将进一步增加对全球制造业价值链的控制和主导。中国将成为全球第一大经济体，唯有提升制造业的发展层级，才能在激烈的市场竞争中获得更大的发展空间。正如中国制造2025行动纲领所言，中国制造业面临发达国家和其他发展中国家“双向挤压”的严峻挑战，必须放眼全球，加紧战略部署，着眼建设制造强国，固本培元，化挑战为机遇，抢占制造业新一轮竞争制高点。近年来，国家先后出台了一系列高端智能产品的高新技术企业，先进装备制造业等的支持，从产品，企业和产业政策三个层面，鼓励工业机器人及相关发展产业。从影响的工业机器人发展的因素，国内工业机器人产业政策配套不完善，之间的政策衔接不够紧密，导致

15、企业的发展和业务扩张面临的障碍一定程度，发展速度在业内有因此受到打压。“中国制造”2025年计划机器人的长远发展目标，因此，很好地解决了产业政策是不是推动机器人产业的持续性有望获得有利的长期政策。 1.替代优势明显的机器人工业机器人用人工的成本只有23。通过十年（包括维护成本）约为$ 50,000每年的费用，而三成熟的焊接技工每年的费用达到72000元* 3 =216000元工业机器人折旧年限。可以从上面的比较直观地看到，一个工业机器人在以产生相同的好处时，投入的成本是使用的劳动成本的23。这个比例将显著降低制造成本，并为企业盈利提供了广阔的空间，同时也提高了企业的竞争力的价格优势。或者从另一

16、个角度看，这意味着企业投资工业机器人2-3年才能收回成本。 2.根据许多下游应用行业向前发展产业研究院发布的“2015-2020中国工业机器人产业的销售预测需求和升级分析报告”研究显示，与工业机器人的智能化水平的提高，工业机器人已经在许多领域的应用。 3.未来有望获得过去中国制造业劳务输出30+的增长速度，附加值低，产品份额低利润份额，所以很多外国公司在中国设厂。来自制造业的发展过程中，生产手段必须经过机械化，自动化，智能化，信息化改造。随着国民经济和生产技术的发展进步，劳动力成本的下降，进一步降低劳动强度，提高生产效率，提高产品质量，改善劳动条件都成为了我们需要解决的问题。作为一种先进的制造

17、设备和工业机器人应用和普及自然不可替代的手段成为一个理想的选择。21.2 课题背景及国内外研究现状1.2.1 课题的国内外研究概况日本和美国在1953年开始了机器人研究。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候我们国家很多学者看到这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是在研究的时候，基本上还限制于理论探讨的阶段，进行真正机器人研究的时候，是在七五，八五，九五，十五将近这20年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高科技发展计划，就将机器人作为一

18、个重要发展的主题，国家投入几个亿的资金开始进行机器人研究，使得国家在机器人这一领悟得到飞速发展，机器人虽然步入而立之年，但是机器人的大发展是在1980年后开始的。 日本川崎重工业公司在1968年在美国恩格尔公司买的机器人专利，开始在日本研制机器人，只用了一年多的时间，该公司便生产处有使用价值的机器人。日本起步比美国晚，但后来居上，它正以比美国快2倍的速度推广机器人的应用，被誉为一号机器人王国。美国最早拥有机器人，也是最早引入商业机器人的国家。1971年，通用汽车公司又第一次用机器人进行电焊。 前苏联发展机器人的方向主要有两个，一是发展生产效益较高的生产部门和直接影响工人健康的场所，二是在技术水

19、平高，操作使用条件成熟的专业化生产部门使用机器人。苏联解体前开始研制带控制器的和更复杂的昂贵的工业机器人3。 1.2.2 课题的研究趋势预测我们知道，现代高端科技研制的各种类型机器人，已经在众多的领域得到较广泛的应用，占有举重轻足的地位。科学在进步，机器人也在发展。从较早期只能执行简单程序，重复简单动作的工业机器人，发展到如今装载智能程序有较强智能表现的智能机器人，以及正在努力研制的具备犹如人类复杂意识般的意识化机器人4。 可以说机器人的发展史犹如人类的文明和进化史在不断地向着更高级发展。从原则上说，意识化机器人已是机器人的高级形态，不过意识又可划分为简单意识和复杂意识之类。对于人类来说，是具

20、有非常完美的复杂意识，而现代所谓的意识机器人，最多只是简单化意识，对于未来意识化智能机器人很可能的几大发展趋势，在这里概括性地分析如下：（1）语言交流功能越来越完美；（2）各种动作的完美化 ；（3）外形越来越酷似人类；（4）复原功能越来越强大；（5）体内能量储存越来越大；（6）逻辑分析能力越来越强；（7）具备越来越多样化功能。1.3 本章小结本章首先介绍的是课题的来源，简单介绍了一下课题背后的一项专利，接着讨论了本课题的研究的目的及意义，为实际的生产过程提供一个理论参考。同时还讨论了课题背景以及国内外研究现状，联系到我国政府对于机器人发展环境的鼓励以及世界对于机器人研究的现状。本课题重点解决三

21、维实体建模和整体装配，实现“蜣螂虫” 式机器人机构的动力学仿真问题，过程主要包括：学习“蜣螂虫” 式机器人组成结构及工作原理，运用Pro/E三维CAD软件完成零件的三维实体建模和装配，实现机器人的运动分析及仿真，并用ADAMS等软件进行机器人的动力学仿真模拟分析。第二章 “蜣螂虫” 式机器人的工作原理和运动学分析2.1 “蜣螂虫” 式机器人结构及工作原理2.1.1 “蜣螂虫” 式机器人结构分析本文的研究对象参考的是“蜣螂虫” 式机器人，其主要的运动的实现是通过电机带动小车前进到达规定的位置，然后通过液压装置来实现对工件的推动作用，在这个过程中还有一个辅助的动作液压缸带动杠杆转动带动下方的楔形制

22、动器工作，对小车实行锁紧作用。如图2-1所示车用“蜣螂虫” 式机器人的结构简图，图中表示了整个机构的主要零部件及其组成。图2-1 “蜣螂虫” 式机器人整体结构简图1障碍物， 2松动块， 3液压油缸， 4液压泵， 5控制单元， 6直流电机， 7导轨， 8小车， 9杠杆， 10楔形块， 11固定块，12复合制动块。2.1.2 “蜣螂虫” 式机器人工作原理 “蜣螂虫” 式机器人如图1、2、3、4、5、6所示，当轨道7上没有障碍物1 时，控制单元控制直流电机6带动小车8，可在轨道7上迅速运动；当小车8遇到障碍物1 时，控制单元5首先发出指令，使直流电机6停止转动，使小车8停止运动。然后，控制单元5控制

23、液压泵4和液压油缸3，活塞杆由缸筒中开始伸出，使液压油缸3进入伸展状态；此时，液压油缸3的缸筒端向后运动，通过杠杆9带动楔形块10伸入复合制动块12内，从而将固定块11由复合制动块12中挤出，紧压在两个轨道7内侧，即复合制动机构处于紧固状态；从而将小车8固定在轨道7上。并在液压油缸3的整个伸出状态中，复合制动机构一直处于紧固状态。液压油缸3继续伸展，其活塞杆顶在障碍物1上，推动障碍物1向前移动。当液压油缸3达到最大行程时，控制单元5控制液压泵4，液压泵4 驱动液压油缸3开始收缩，进入收缩状态。当液压油缸3的活塞杆将要完全回退入缸筒内时，液压油缸3的活塞杆端卡在松动块2处，活塞杆停止运动。液压油

24、缸3 继续收缩，缸筒端开始向前运动，并通过杠杆9将楔形块10由复合制动块12中拔出，固定块11重新回到复合制动块12内，使复合制动机构处于松动状态，不再压紧轨道7的内侧，此时，小车8又可在控制单元5的控制下，由电机6带动继续向前运动；移动至靠近障碍物1时，重复上面的动作，直到将障碍物1 被推到预定位置为止。然后小车8在控制单元5作用下向后运动，回到初始位置，然后一直重复的进行着这个过程，推动物体前进1。图2-2 初始位置图2-3 机构锁紧图2-4 推动工件图2-5 回缩放松2.2 平面四杆机构机构的运动学分析 “蜣螂虫” 式机器人的结构简化如图所示，其中1表示的是液压缸套，2表示的是上转动体，

25、3表示的是中间杠杆，4表示的是下转动体，5表示的是推动楔形块。为了研究简便，我们在这里就把液压缸套1的运动简化为质点的运动，用质点A来表示，同样我们在这里把转动体2的运动抽象为质点B的运动，同理D表示下转动体，E表示推动楔形块。连杆AB表示的是液压缸套的全长，连杆BD表示中间杠杆的有效工作长度，连杆DE表示制动楔形块的有效长度。所以借助这种方法我们可以通过研究A、E质点的运动参数，进一步来模拟机器人的运动过程，其主结构的位移、速度、加速度都可以从曲柄连杆机构的几何关系来确定。图2-6 曲柄连杆机构工作示意图 “蜣螂虫” 式机器人曲柄连杆机构工作示意图如图2-3所示。其中1表示液压缸套，2表示上

26、推杆，3表示上转动体，4表示传动杠杆，5表示下转动体，6表示下推杆，7表示楔形推动器。液压缸在其活动行程向后时，经过转动体3，中间传力机构4、5,将动力传递给下推杆6，从而带动楔形推动器7的运动，对整个机构进行锁紧。其中X表示的是液压缸套1的实际工作位移，Y表示的是楔形推动器7的实际工作位移。由液压缸套的运动带动锁紧装置的运动，在这里我们用数学关系式来精确的表达其运动的过程5。通过机构之间的几何位置关系，我们可以看BFCDGC,所以我们可以推导出其中的比例关系，所以由图2-3的几何关系中可得楔形推动器位移为Y： （21）其中Y楔形推动器实际工作位移;X液压缸实际工作位移;L1液压缸与传动铰链在

27、竖直方向上的距离;L2楔形推动器与传动铰链在竖直方向上的距离; 图2-7 速度分析 假设液压缸套与上推杆的运动速度均为v1，可以将v1分解为一个沿杆向的速度v3和一个垂直于杆向的速度v2，其中v2可以表示为传动杠杆绕铰链C旋转，在点B处的速度。同理我们可以得到v5、v6、v7之间关系。由图2-4的几何关系中可得到液压缸套与传动杆杠之间的速度关系： （22） （23） （24）同理可以得到: （25） （26） （27） 其中 r1铰链BC两点之间的距离; r2铰链CD两点之间的距离; V1液压缸与上推杆的水平速度; V2传动杠杆在B点沿垂直于杆向的速度； V3传动杠杆在B点沿杆向的速度; V4

28、楔形推动器与下推杆的水平速度； V5传动杠杆在D点沿垂直于杆向的速度； V6传动杠杆在D点沿杆向的速度。 图 2-8 加速度分析 假设液压缸套与上推杆的运动加速度均为a1，可以将a1分解为一个沿杆向的速度v3和一个垂直于杆向的速度a2，其中a2可以表示为传动杠杆绕铰链C旋转，在点B处的速度。同理我们可以得到a5、a6、a7之间关系。 由图2-4的几何关系中可得到液压缸套与传动杆杠之间的速度关系： （28） （29） （210） 同理可以得到: （211） （212） 213） 其中 r1铰链BC两点之间的距离; r2铰链CD两点之间的距离; a1液压缸与上推杆的水平加速度; a2传动杠杆在B点

29、沿垂直于杆向的加速度； a3传动杠杆在B点沿杆向的加速度; a4楔形推动器与下推杆的水平加速度； a5传动杠杆在D点沿垂直于杆向的加速度； a6传动杠杆在D点沿杆向的加速度6。2.3 本章小结本章主要对“蜣螂虫” 式机器人结构和工作原理进行了详细的解读，其中主要解释了机器人运动的四个过程，达到实际生产中提出的各项要求。同时我们还对机器人的结构进行了简化，绘制了机器人结构简图，并对其运动进行了分析，其中主要分析了各个关键质点处的位移、速度、加速度。建立了运动模型，确立了各个部分准确的运动关系。为后期的零件建模和装配过程打下基础，同时，对于机构的运动分析有了比较清晰的认识，对于后期的课题开展有了思

30、路。第三章 “蜣螂虫” 式机器人系统设计方案与可行性分析3.1 系统设计方案收集资料 了解课题根据毕业论文的要求以及实际的准备情况，并在指导老师的指导下，拟定如图3.1的工作流程：实际调研 绘制简图运用三维软件建模零件装配干涉检查导入分析运动仿真获得并分析运动参数导出二维图纸编撰毕业论文 得出分析结论 图3.1 方案设计流程3.2 可行性分析3.2.1 建模模块软件介绍3.2.1.1 软件选用 对于机械专业而言使用三维绘图软件制图是不可避免的 ，而一个合适的制图软件也确实令人省去不少时间。三维制图的软件可以给人一种形象的立体画面。 Proe/ug/catia是目前使用量最大的三款三维绘图软件，

31、各自均有独自的优点。对于UG主要优点是它那种超强的解算能力，比如同样一个小倒角实体，UG能导出很厚的壳体，另外，它有超高的精度计算能力能力（小数点后16位），最后其具有很好的稳定性。而对于catia软件，其曲面造型功能强大，特别适合于三维曲面设计，比如车身设计，飞机的外壳设计等等。对于proe软件最主要的是适合做小型的东西，大了就不划算，具有尺寸驱动的功能，能够任意修改前面的尺寸，特别适合初期设计者的使用。而且要求系统设计思想。我们这里的“蜣螂虫” 式机器人的建模装配模块可以在Pro/E平台上实现。3.2.1.2 软件介绍Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Par

32、ametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品7。Pro/E的模块功能，可以进行绘草图、做零件和装配。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。3.2.1.3 软件功能1.特征驱动；2.参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3.支持大型、复杂组合件的设计；4.分析零件的不同特征值以及载荷边界条件来进行设计；5.贯穿所有应用的完全相关性，其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能。Pro/Engineer是软

33、件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形，通过标准数据交换格式来实现。用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能8。Pro/Engineer在单用户环境下具有大部分的设计能力，组装能力和工程制图能力，并且支持符合工业标准的绘图仪和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。3.2.1.4 软件优势Pro/Engineer是一种

34、实体模型化系统，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一特色使得设计过程变得简洁和易操作。其模块都是全相关的。这表示开发过程中对某一处进行的变动，可以反映到到整个大的设计中，并且自动更新全部工程文档，与改动保持高度的一致性，比如草图、装配体，以及制造加工工艺参数。这种特性 就叫做全相关性，完全可以实现在整个设计的过程中随意进行修改，同时并不影响整个设计的进程。其软件的基本界面操作直观简单，可以相当轻松地调用一些命令，比如“镜像”、“对称”等很轻松的把每个零件正确的装配起来。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项

35、和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用9。3.2.2 仿真分析软件介绍3.2.2.1 软件选用对于ADAMS与ANSYS软件的对比选用，如果拿学科来形象对比的话，ADAMS基本上属于机械原理仿真，看机构是否干涉，测了各种参数（如速度，力等）。ANSYS属于材料力学仿真，看材料应力这一块（机械这一块，当然还包括磁场，空气场，热场等）。可以这么说，你三维建模时，需要用Pro-e。建好模后，需要将Pro-e的模型导入ADAMS，进行分析，如是否存在实体干涉，速度，力，加速度等是否符合要求。都符合要求之后才把Pro-e模型导入ANSYS，看是否符

36、合应力要求，ANSYS可以看出是否应力过大，是否存在应力集中等。另外，Pro-e与ADAMS和ANSYS都有专门的接口，可以实现无缝连接。或直接通过中间文件parasolid导入，这点没问题。综上几点，我们在这里决定将“蜣螂虫” 式机器人的模拟样机模块可以在ADAMS平台上实现。3.2.2.2 软件介绍ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。虚拟样机技术是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅

37、速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术10。首先在计算机上建立样机模型，然后对模型进行每一项相关的动态性能进行分析，之后可以针对问题对样机设计方案进行改进，这是一门使用数字化取代实物实验的操作过程。ADAMS软件有两大作用，其一是虚拟样机分析，可以运用该软件对虚拟机械系统进行运动学、动力学和静力学分析，并且过程操作简单。其二是虚拟样机分析开发，该软件具有开放的程序结构和多种多样的接口，为二次开发提供了可能，极大地方便了各行各业的设计人员。ADAMS是由美国MSC公司开发的机械系统动力学自动分析软件。ADAMS软件领先的“功能化数字样机”技术，使它迅速发展成为CAE领域中使用范围最广、应用

38、行业最多的机械系统动力学仿真工具。许多国际化大型公司、企业均采用ADAMS软件作为其产品研发、设计过程中机械系统动力学仿真的平台11。3.2.2.3 软件功能ADAMS软件包括5大模块：基本模块、专业领域模块、接口模块、扩展模块、工具箱12。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可进行对机械系统的性能、运动范围、峰值载荷、碰撞检测的预测。（1）机械系统的静力学分析假设

39、一种情况，机械系统为一个刚性系统，并且各构件之间没有相对运动，这时候分析的是在各种力的作用下，各构件的受力和强度问题。（2）机械系统的运动学分析主要包括各构件的运动分析。运动学分析中，首先规定好系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时间的关系，而对于其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线性方程组和速度、加速度的非线性方程组来确定。（3）机械系统的动力学分析主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，其一为一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位置。另一种情况是运动学分析和动力学分析的混合形式12。3.2.2.4 软件优势ADAMS是Automatic Dynamics A

40、nalysis of Mechanical System缩写，为原MDI公司开发的著名虚拟样机软件，是世界上应用广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。虚拟样机的建立和测试可以在ADAMS软件的基础之上实现，在计算机上完成仿真，同时分析复杂机械系统的运动学和动力学性能13。工程领域虚拟样机研究平台的实现可以借助CAD、CAE软件。在产品三维结构方面采用Creo、SolidWorks、UG等。结构分析软件有ANSYS、MARC等。运动学和动力学仿真软件可采用ADAMS软件。通过三维结构模型导入到ADAMS中进行分析。在ADAMS中建立模型并定义变量，定义的变量通过MATLAB的接口，导入

41、MATLAB中操作，对控制方案进行仿真。仿真结果重新导入ADAMS中进行分析。传统的产品开发流程有两大缺点：1.难以提高产品质量；2.耗费大量时间和资金。而通过虚拟样机技术，在实际制造生产之前，就能对样机的进行测试，发现问题所在，缩短产品开发周期。虚拟样机技术开发新产品，缩短产品开发周期，能抢占市场先机；提高产品设计质量，保证产品的可靠性。有时只需投入传统设计十分之一的费用，就可以达到传统设计百分之九十的要求。 借助ADAMS软件，可以方便并且快速地创建完全参数化的几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以借助其它的三维绘图软件，导入到ADMAS软件中。然后，在几何模型上施

42、加力、力矩和运动驱动。最后完成一次与现实状况的相似度很高的运动仿真实验12。测试结果反映了在实际工作过程情况。过去需要数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在借助ADAMS软件花上几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的。3.3 本章小结本课题重点解决在Pro-e平台上的三维实体建模和整体装配以及ADAMS平台的机构运动仿真，实现汽车“蜣螂虫” 式机器人机构的运动分析及仿真问题，过程主要包括：1）运用Pro-e三维软件完成“蜣螂虫” 式机器人各个部件三维实体建模； 2）运用Pro-e三维软件对部件进行装配，形成“蜣螂虫” 式机器人的三维实体：3）运

43、用ADAMS运动分析软件进行“蜣螂虫” 式机器人的运动分析及仿真。 第四章 “蜣螂虫” 式机器人的建模和装配4.1 “蜣螂虫” 式机器人Pro/E建模单击工具栏中的“新建”按钮，或单击菜单文件新建命令，在弹出的新建对话框中选择“零件”类型，在名称栏输入零件图名称“cheshen”(车身的拼音表示)，如图4-1所示。单击确定进入零件建模界面，选择默认前面，再单击“草绘”按钮，进入草绘工作界面，利用草绘工具平面完成草图的绘制。如图4-2所示。13图4-1 输入零件图名“车身”图4-2 进入草绘工作草绘完成后，利用拉伸、旋转、阵列，镜像完成零件的三维建模。“蜣螂虫” 式机器人的主要零件：车身、车轮、

44、液压缸套、液压推杆、转动体、液压缸轴、传动杠杆、楔形推动器、楔形制动器、轨道。 （1)车身的建模选择基准平面FRONT，草绘、拉伸，完成整体框架的建模。进入草绘界面，绘制长250、宽16矩形，定位尺寸用右下角的坐标（120,140）拉伸20，做出液压缸套的运动轨道。进入草绘界面，选择车身前面，在前面上画一个小圆，直径18，定位尺寸45,进行拉伸命令，选择贯通，生成之后进行阵列，做出先后车轮的轴座；进入草绘界面，选择车身的上表面，参考选择小车的整体结构的默认平面，然后在画出矩形，关于默认面对称，长300，宽120，退出草绘界面，拉伸切除，选择贯通，做出传动杠杆的空间；进入草绘界面，选择默认的前面

45、，在平面上做出圆，直径30，圆心定位尺寸（60,47.5），拉伸量410,做出杠杆轴座；对杠杆槽后面进行倒角，倒角值上面20*20下面50*50，如图4-3所示。图4-3车身 （2）车轮的建模选择基准平面FRONT，进入草绘界面，如图4-4所示，拉伸量为25.6；对车轮的外圈的两条边进行倒角，倒角值为R5;对车轮的轮辋进行倒角，倒角值为R6;进入草绘界面，选择车轮的后面，在其中心画一个圆18,拉伸量24，如图4-5所示。 图4-4车轮草图 图 4-5 车轮实体图 （3）液压缸套的建模选择默认左面，进入草绘界面，在中心做一个100的圆，在同心的位置做一个75的圆，退出草绘界面，拉伸250，形成圆柱形缸套；选择默认前面，进入草绘界面，做出液压缸套头的造型为27.88，定位尺寸70；选择默认前面，进入草绘界面，参考缸套的圆柱面，长180，宽40，左右中心对称，退出草绘界面，拉伸16；倒圆角，完成液压缸套的建模，如图4-6所示。图4-6 液压缸套（4）传动杠杆建模选择默认前面，进入草绘界面，完成如图4-7所示的草图绘制，退出草绘界面，拉伸190；对传动杠杆的内边进行倒角，倒角值R4； 对传动杠杆的外边进行倒圆角，倒角值R