基于PRO/E、ADAMS和ANSYS的3—RPS并联机器人联合仿真

【摘 要】 近年来，随着计算机技术的飞速发展，虚拟样机技术也随之发展起来。应用虚拟样机技术，可以缩短产品的开发周期，降低产品的生产成本，提高产品质量。本文主要分析了Pro/E，ADAMS，ANSYS这3种软件的特点及其在设计中的优势，提出了3种软件在机械设计中联合运用的新方法，并在3-RPS型并联机器人设计仿真中成功运用，验证了该方法是可行的。

【关键词】 Pro/E ADAMS ANSYS 3-RPS并联机器人

1 引言

Pro/E是全世界应用最广泛的三维CAD软件之一。其功能众多，包括产品三维设计、工程图制作、模具开发、CAM，甚至包括动态仿真及有限元分析。其长处在于实体建模。Pro/E提出“特征”及“特征添加”的概念使得其三维模型设计功能非常强大。另外，复杂的曲面造型Pro/E也能通过点、线、面的创建很好的设计出来。至于其动态仿真及有限元分析还略显粗糙，仅仅作为随手的分析还是可以的，但要做专业的高精度分析或在边界条件复杂的情况下计算就比较困难。

ADAMS是专门用于机械产品虚拟样机开发方面的软件。ADAMS研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，它以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机来对产品进行仿真计算，得到各种试验数据，帮助设计者发现问题并解决问题[2]。其运动学及动力学仿真功能极强，但在三维造型方面比较差，特别是在曲面设计时捉襟见肘。

ANSYS是一种功能非常强大的有限元软件，融结构、热、流体、电磁和声学分析于一体。有限元技术是随现代计算机技术发展而迅速发展起来的现代计算方法，目前已经广泛应用于工业生产及科学研究领域。但是它的三维造型能力还欠缺，通过点线面体的布尔操作来建模耗时耗力，建立复杂曲面更无能为力。

通过上述3种软件的优缺点对比，可以利用它们各自优势来综合利用，快速完成工程项目的设计、分析、优化。具体过程为：三维模型Pro/E中建立、装配，做一些简单的分析，例如干涉检查或顺手可做的运动学分析等。将模型导入ADAMS中完成仿真参数的设定做出虚拟样机，进行运动学、动力学分析得出数据，帮助设计者发现问题解决问题。将要分析的关键模型零件导入ANSYS中，有时可以将ADAMS中得出的数据作为边界条件进行有限元分析，算出应力值等关键数据进行强度校核等工作。在ADAMS、ANSYS中进行的仿真计算结果若不符合要求，则返回Pro/E中重新修改设计，直到符合要求为止。

2 三种软件之间的数据传递

Pro/E与ADAMS之间的数据传送可以通过接口模块Mechpro 2005来实现。在Pro/E的界面下装配模型，通过接口模块定义各个刚体，统一单位，完成后可以通过接口模块传输到ADAMS/View中进行操作。定义其材料、零件间的连接副、重力等参数后对其进行分析。接口模块mechpro2005实现了2种软件的无缝连接。也可通过IGES的中间格式进行转换，但推荐应用接口模块。Pro/E与ANSYS之间的数据传送可以通过设置将ANSYS直接集成在Pro/E中。选择“程序”-ANSYS10.0-Utilities-ADMIN，在配置选项对话框中选择与Pro/E连接，按照指示完成设置就可以了。这样在Pro/E的界面里就有ANSYS的选项。打开一个零件选择ANSYS-Geom就可以将零件转至ANSYS界面中，再点plot-volume就可显示零件。其联合仿真设计流程如下图1所示。

2.1 Mech/pro2005模块

Mech/pro模块是连接PRO/E与ADAMS的桥梁。通过该模块，PRO/E与ADAMS可以无缝连接的方式，使PRO/E用户不必退出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置以及计算运动副间的作用力。

Mech/pro模块是采用PRO/DEVELOP工具创建的，因此PRO/E用户可以在其熟练的CAD环境中精确建立三维机械系统模型，并对其运动性能进行仿真分析，通过简单的操作，就可以将数据传到ADAMS中，进行全面的动力学分析。

Mech/pro可以在Pro/E环境中对机械系统模型进行运动学和动力学进行仿真，它具有以下优点：

（1）模型的仿真精度。因为Mech/pro直接使用三维实体软件Pro/E所建立的模型，因此它消除了由于模型在不同的软件之间的传送带来的模型几何形状及质量特性误差；（2）提高了工作效率。由于Mech/pro可以直接在Pro/E环境下运行，因此减少了学习新的软件界面的时间；（3）体会设计意图。在Mech/pro创建约束时，可以参考Pro/E的零件特征如：中心线、圆心、顶点等。不但可以加快机械系统模型的创建，而且可以更好的体会设计意图，增加约束的准确性；（4）削减设计费用。使用Mech/pro设计产品时，可以在制造物理样机之前多次在计算机上改进设计、纠正错误，从而缩短产品的开发周期，降低费用。

2.2 ADAMS/View模块

ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，是以用户为中心的交互式图形环境。它提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种工具、样机模型的数据输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。该模块使用户将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。自ADAMS9.版本开始，ADAMS/View采用了Windows风格的操作界面和各种操作习惯，使得ADAMS/View9.0版以后的程序操作界面非常友好。

ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作，提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算，采用Parasolid作为实体建模的核，支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中所有函数。ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面（UNIX系统）和Windows界面（NT系统），提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能，从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用户利用TableEditor，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据；同时还提供了PlotBrowser和FunctionBuilder工具包；具有DS（设计研究）、DOE（实验设计）、OPTIMIZE（优化）功能，可使用户方便地进行优化工作。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入命令和C++语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。

3 3-RPS并联机器人运动学仿真分析

在PROE中建立好3-RPS并联机器人的三维模型并导入ADAMS/View环境中进行完整的分析设置，如图2所示。它由一个动平台，三条支链和一个静平台组成。其中，动平台通过球面副与各支链的上连杆相连接，静平台通过转动副与各支链的下连杆相连接，各支链上下连杆之间通过移动副连接在一起。通过驱动三根上连杆，使它们改变与下连杆的接触长度，从而改变动平台在空间的位姿变化。该并联机器人的动平台可以实现空间两个转动自由度和一个移动自由度共3个自由度的运动。

本文选取并联机器人的螺纹加工工况为例，对其整机的作业过程进行完整的动力学分析。由于并联机器人运动学逆解求解简单，正解求解复杂。所以这里采用了在机器人手爪末端施加点驱动的方式来迫使其进行螺旋运动。点驱动的位置与时间的关系方程为：

在此基础上，测出各条支链上下连杆之间相对位移变化曲线。而这些测得的曲线恰好是该并联机器人进行螺旋运动所需的各个移动副的输入条件。接下来，通过把所测得的曲线转换成样条曲线的方式，将其作为各条支链上移动副的驱动就实现了该并联机器人的正解过程。

4 并联机器人刚柔耦合动力学仿真分析

为了考虑杆件的变形的影响，我们把其中的主要驱动杆件转化成柔性体来进行刚柔混合动力学仿真，从而可以使仿真的结果更加准确。具体的方法是通过ANSYS软件来实现的。利用ADAMS和ANSYS软件的接口，可以很方便的对其主要零部件在ANSYS中进行柔性体的转化。待生成.mnf文件之后再导回到ADAMS当中来替换相应的刚形体，并重新添加约束和驱动并进行仿真。从而实现了整机的刚柔混合动力学仿真。

并联机器人动力学模型的建立还需要对其本体施加符合实际工况的负载。而其在进行螺纹加工的过程中所承受的载荷主要是与机械手速度切线方向相反的作用力，大小为3000N。这里，利用ADAMS的函数工具在机器人的手爪末端点施加式（2）-（4）所示的三个方向作用力。其中，MARKER_P为机器人手爪的末端测点，MARKER_G为位于静平台圆心位置的接地点。通过将机器人手爪末端测点的速度进行分解进而可以得到在全局坐标系下机器人工作过程中所受到的作用力。

我们可以看见外加的力是与运动轨迹保持相切的，从而保证了所加的力符合实际机器人工作的情况。由于现在的液压缸杆件已经变成了柔性体，所以我们通过ADAMS可以计算仿真过程中每个杆件所发生的应力变化，并且可以得到最大VonMises应力。用以判断它的强度是否满足要求。

从上图3我们可以看到：机器人的最大VonMises应力371.59MPa，位置在下连杆下部的运动副附近。经查表可知，钢的屈服极限为320Mpa。因此液压缸杆件的强度不满足要求，需要重新设计。待仿真完成后，我们测得移动副电机1的驱动力以及功耗曲线如下图4所示。

从上图4中，我们可以看出：电机1的驱动力最大为1300N，功耗最大为22W。进而可以作为电机选择参数的参考。

另外，在仿真完成后可以把想要分析的柔性体边界条件输出成.lod文件，该文件可作为ANSYS分析的载荷文件。通过ADAMS的文件输出菜单即可完成。其输出界面和载荷文件如下图5所示。

然后，我们可以在ANSYS中对该杆件进行应力应变分析，把刚才生成的载荷文件.lod直接导入作为边界条件，再适当的进行处理即可进行求解。从而就完成了我们所关心的关键部件的有限元分析。其分析结果如下图6所示。

从图中我们可以看出在10s时，下连杆的应力最大为289.251MPa。由于该时刻的选取，所以导致其最大应力并没有超出其屈服极限强度320MPa。但在接下来的其余时间内，最大应力是变化的。

通过仿真发现，目前的设计强度是不满足要求，需要后续的改进设计。但同时应当注意的是，通过观察动力学仿真过程，发现随着并联机器人位姿的变化，下连杆的受力方向相应的发生改变，但最大应力位置仍发生在各条支链下连杆的根部。由于下连杆所承受的动应力值较高并呈现剧烈的往复振荡变化，这会致使该位置的应力能不断积累，久而久之就会导致连杆结构的疲劳破坏。因此，我们需要对下连杆根部进行进一步的疲劳试验和分析，来校核是否有必要对其进行结构改进来改善由这种脉动循环载荷所导致零件的疲劳失效。

5 结语

本文以PROE、ADAMS和ANSYS三种软件为平台，建立了3自由度的RPS型并联机器人的虚拟样机系统模型，对该并联机器人的机械结构进行了分析；对系统模型进行了运动学和动力学的仿真分析。可以得到如下的主要结论：

（1）通过ADAMS软件与PRO/E软件的无缝隙接口模块Mech/Pro2005，可以分别应用这两种软件的优点联合建立机械系统的虚拟样机。可以应用PRO/E的强大方便的三维建模与装配，然后利用ADAMS软件来进行运动学与动力学仿真。

（2）由于并联机器人的逆解求解简单，正解求解困难，所以尽管很多人致力于求解并联机器人的正解，但是它仍然是一个很难解决的问题。本课题尝试应用ADAMS提供的点驱动、样条函数、测量等功能可以很方便的求解并联机器人的正解，从而省去了大量的数学公式与编程工作等大工作量的捆扰。

（3）目前对并联机器人的动力学方面的研究较少，而动力学的逆问题是解决机器人控制的关键问题，由于应用ADAMS软件给定了手部的轨迹，所以可以解决动力学的逆问题，得到驱动的位移与时间变化的曲线，为机器人的控制问题提供了解决依据。通过动力学分析，也可得到系统的动力学有关数据。

参考文献：

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