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ADAMS柔性体运动仿真分析研究及运用
□刘俊□林砺宗刘小平□王刚
摘要 介绍ADAMS柔性体基本理论及在ADAMS中调入柔性体的儿种方法,着重分析如何在ADAMS中引入ANSYS模 态中性文件，构建机械系统仿貞•模型。通过一个实例验证了 ADAMS柔性体运动仿宾分析的实效。
关键词:ADAMS柔性体运动仿真ANSYS模态中性文件
中图分类号:TP391-9文献标识码:A文章编号：1671—3133(2004)05 —0053—03
Study and application of ADAMS flexible body kinetic simulation
□Liu Jun □Lin Lizong< Liu Xiaoping □Wang Gang
Abstract InlixMluced the basic Iheoiy of ADAMS flexible Ixxly and some inethods of adding flexible bodies to a nuxlel to study ihr dynamic charactriistics of the mechanical syslrtn. Analyztrtl how to apply ANSYS iikmIc neutral file in ADAMSt constraelril mechanical system simulation model. Tested the validity of 山e ADAMS flexible kinemalical simulation through an example.
Key words： ADAMS Flexible body Kinetic simulation ANSYS Model neutnd file
54 现代制造工程2004 (5)

机器人动力学仿真分析是机器人设计的重要内 容，过去分析时建立的模型，其构件都是惱于刚体，在 作运动分析时不会发生弹性变形。而实际上，在较大 载荷或加、减速的情况下，机构受力后会有较大的变形 和位移变化，产生振动。ADAMS软件是著名的机械系 统动力学仿真分析软件，分析对象主要是多刚体，但 ADAMS提供了柔性体模块，运用该模块可以实现柔性 体运动仿真分析，以弹性体代换刚体，可以更真实地模 导柱孔一精皎斜导柱孔-钻4底孔一扩4底孔―粗锂 4孔一＞精偉4孔至尺寸。
CAIVCAM集成中的关键是子系统之间的数据 （信息）交换。在CAD/CAM系统之间信息交换的方 式（集成方式）采用统一的产品模型交换信息。笔者 在多种通用数据交换标准中选择了 IGES标准。这是 因为IGES标准（基本图形交换规范）是国际上产生最 早、目前应用最成熟、最广泛的数据交换标准,在交换 的过程中图形信息不容易去失。而模具零件的特点是 冇较多夏杂曲面，采用其它标准其图形信息容易丢失, 使用IGES标准更有保障。
各子系统的数据通过前齿处理，可转换成标准数 据格式文件，按照PRO/E建立起来的实体模型存为 PART格式的文件，必须进行文件格式转换才能得到 ICES标准的实体模型。而各子系统也可通过后处理, 将标准数据格式文件转换成木子系统所需要的数据。
四、结语
本文所述的阀体模具原先的设计加工方法均较简 单，设计时仅用手工绘出简图，粗加工多用普通机床, 精加工时采用线切割机床或彷形铳床，最后则通过配 拟出机构动作时的动态行为，同时还可以分析构件的 振动情况。
一、ADAMS柔性体理论
ADAMS柔性模块是釆用模态来表示物体弾性的, 它基于物体的弾性变形是相对于连接物体坐标系的弹 性小变形，同时物体坐标系又是经历大的非线性整体 移动和转动这个假设建立的。其基本思想是赋予柔性 作或人工修磨复杂曲面。这样虽然也可以得到较好的 质最，但生产率低，对工人的技术水平要求也高。现经 采用CAD/CAM集成技术后收到较好效果，设计、制造 水平和生产率均上了一个台阶,这也正是模具制造业 创新发展的方向。
本系统用人一机交互的方式，不片面追求集成的 自动化程度，在实用的前提下考虑其先进性，是当前一 种行之有效的实用型集成途径。
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作為简介:沈荣辉，副教授，主要从爭CAD、CA、1的教学和科研° 作者通讯地址:广西柳州市东环路广西工学院机械工程系＜ 545006） 电话：（0772 ） 26870（）7 • 2687202
收稿日期：20040315 体一个模态集，采用模态展开法,用模态向量和模态坐 标的线性组合来表示弹性位移,通过计算每一时刻物 体的弹性位移来描述其变形运动。
ADAMS柔性模块中的柔性体是用离散化的若干 个单元的有限个结点自由度来表示物体的无限多个自 由度的。这些单元结点的弹性变形可近似地用少量模 态的线性组合来表示。如果物体坐标系的位苴用它在 惯性坐标系中的笛R尔坐标X = (x,y,z)和反映刚体 方位的欧拉角屮=(屮，。，q) ( 1)
式中,A为物体坐标系到惯性参考系的转换矩阵; Sj为结点I在物体坐标系中未变形时的位置。
式(1)求导，可以得出该结点的移动速度为：
dr； dx dA, , 、 .d(s, + 巾q) 约=dF = d?+d?(s*+^)+/,
二尤一/1(毎 +&g)s + A.q
=\E -A( +4, 1^ (2)
式屮,3为物体坐标系的佑速度向量;8为Euler 角的时间导数与们速度向量之间的转换矩阵:“ ~ ”为 向量对应的对称矩阵。
结点I的角速度也可以用物体的刚体角速度与变 形角速度之和来表示：
(o, =(o + (b'qci) ( 3 )
式屮,妒为对应于结点I的转动自由度的模态矩 阵子块。
ADAMS柔性体的建立
在ADAMS中建立柔性体有两种方法：一种是利 用ADAMS的门动柔性化功能将已有刚性体模型转换 成柔性体;另一种是使用其它有限元分析软件生成模 态中性文件,然后在ADAMS中读入该文件。
1. 自动柔性化法
ADAMS提供两种自动柔性件生成方法，对于外形 简单的构件，可以采用直接生成柔性件的方法，即拉伸 模^(Extnision)：对于外形复杂的构件，可以采用先建 刚性件，再进行网格划分的模A,即构件网格模式 (Solid)。1)在拉伸模式的柔性体的构建中，首先要确 定拉伸屮心线，再定义截面半径、元素大小、材料等，最 后定义好柔性体跟其它构件的连接点，就可以生成柔 性体。模型生成柔性件的同时生成模态中性文件，该 模态中性文件中包含了柔性件的质量、质心、转动惯 最、频率、振型以及对载荷的参数因子等信息。将模型 中原有的刚体件上的运动副修改在柔性件上，使柔性 件与模型上的其它构件连接起来，同时删除无效的刚 性件。这样可以使模型保持原仃的自由度，从而实现 柔性构件的运动仿真运算。2)在构件网格模式的柔 性体的构建中，首先要定义柔性件的附苕点，即柔性件 与其它构件的连接点。定义好附着点后，需要在附着 点的附近的网格结点上选取适当数量结点作为力的作 用点，作用点的数量和位賞根据模型精度的需要来选 取。最后，将选取的结点转换成ADAMS的标识ID 后，就可以生成模态中性文件。
2. 引入模态中性文件法
ADAMS 口J以使用任何有限元模型作为ADAMS/ Flex 中的 柔 性体，如 MSC/N.ASTRAN、ANSYS、 ABAQUSJ-DEAS等有限元分析软件生成的模型。 ANSYS可以直接生成\1 N F (模态中性文件)，而不会 产生中间数据文件。在ADAMS中导入模态中性文件 以后,A1) A MS/Flex会将柔性体放在整体惯性坐标系 的原点上,并且与模型中其它零件没有任何关系。接 下来要在柔性体与零件之冋施加约束、作用力，施加约 束、作用力时注意，有时要通过使用无质量(或者质量 非常小)连接物体来间接施加。
三、ADAMS柔性体在焊枪悬臂运动仿真分 析中的应用
1. 背景介绍
上海某公司希望将U有•锅炉管板焊接设备改造成 能自动定位、焊接的弧焊机器人。经调查研究,确定了 坐标式示教机器人方案，并对该机器人的步进电机数 控系统进行了精度分析，分析结果表明,控制系统误差 在误差允许范围内。但一旦机器人运行起来,还有一 个问题必须考虑:运动过程中的振动问题。考査整个 机器人系统，诃能造成最大振动的部分是焊枪悬臂部 分。导致焊枪悬臂振动的原因主要是：焊枪是由步进 电机带动沿导轨作横向移动的，焊枪启动和停止的过 程是加速或减速的过程，这两个过程都将造成焊枪悬 臂的振动,振幅的大小和稳定状态的长短是考虑机器
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人系统方案可行性的一个重要因素。
2. 建模
1）三维建模。参考实物依据等效分析及可集原 理，用SolidWorks建立装配体，并保存为. xmt_txt文件 格式。2）用ANSYS建立柔性体。在ADAMS中导入 模态中性文件以后，ADAMS/Flex会计算它的模态阶 数，并显示在柔性体修改对话框中。悬臂梁的有效频 率为 222.4127722507 到 9465. 9142950728,有效模态 数共为11个：旋转轴的有效频率为222.4127722503 到2442. 077124562,有效模态数也是11个。在该对话 框中，可以找到与任意频率值最接近的模态，并使用动 画播放工具可以观察某一阶模态的振型。3）建立机 械系统模型。把装配体文件（*.xmt_txt）导A AD- AMS,并根据实际情况，给各个零件加上适当的约束。 导入悬臂梁或旋转轴的模态中性文件，调整柔性体到 准确位置,施加柔性体与刚性体之间的约束。
3. 运动仿真分析
1.
J -10.
6-15.
对建模进行仿真运算，仿真时间为2s,输出结果 50次。图1所示为引入柔性体的焊枪仿真运行过程 中的一个状态 图。柔性件不同 颜色变化反应柔 性件变形大小。 图1引入柔性体的焊枪仿真运动
焊枪端部速度曲线
10.0
I 5 £ « 拳-5.
-10.
-15. … ■
0-0 久。 -3.0 4.0
时同
图2
图3焊枪端部位移曲线
开始进行焊枪加速、匀速、减速三个阶段的全过程 焊枪端部的运动分析。焊接的相邻两孔之间的距离定 为20mm,焊枪从一个孔移动到另一个孔定为1.5s,启 动、停止阶段各为0. 5s,中间匀速运行阶段为0. 5$,则 焊枪匀速运行速度为20mm/s,叩焊枪要在启动、停止 阶段的0. 5s时间内，速度从0上升（下降）到20mm/s （见图2）。根据以上数据设定速度函数，仿真运行，得 到位移曲线图3。为了能清晰地观察到焊枪端点的振 动情况，在端 点位置设置一 个刚性小球， 给小球施加同 样的运动参 数，将小球的 运动轨迹减去 焊枪端点的运 动轨迹，得到 图4,这就是焊 枪从静止加速 到 20mm/s,匀 速运行Is后，
a
■ a
-a
-a
(X0 L0 X0 • CT 4.0
WWA
图5焊丝盘质量对振动影响
实・一処纹■■.FIT检■少
0. 再减速到。这一
la 过程的振动曲线。
从图中可以看到: 球 曲线符合总的运
~ °' 0 E 口 3.%./ 4 0动规律，有明显振
图4焊枪端部横向振动曲线“ 动。2.0s以后
（即速度降为零后0.5s）,开始趋于稳定，振幅不超过 0.03mm,可以开始焊接，不影响定位精度。
对焊枪的振 动进行比较分析: 1）焊丝•盘焊统最 多与最少情况下 的振动比较见图 5。2）系统阻尼系 数不同时的振动情况比较见图6。图5屮实线表示焊 统盘焊统最多时焊枪端部振动曲线，图中虚线表示焊 丝.盘焊统最少时焊枪端部振动曲线。由图5可见，焊 统减少时，振幅降低，稳定时间缩短。
0. .... 图6是设置
（川时蛔皿如旷不同的阻尼系数 .情况下得到的振 动曲线，实线对应 顷以，“ 的阻尼率为
图6不同阻尼系数时振动比较 0.05,虚线为0.2。
由图6可以看到，阻尼率对焊枪振幅的影响并不明显, 但对系统的稳定时间白明显影响。当阻尼率为0. 2 时，系统振动曲线与阻尼率为0.1时接近，但当阻尼率 为0.05时，系统很难达到穏定。由此可见，适当増加 系统阻尼，可以缩短系统稳定时间。
根据以上分析可以得出以下结论:焊枪在启、停阶 段由于加、减速造成焊枪头部有一定的振动，但振动振 幅不大于0. 2mm,稳定时间不超过0. 5s,即使在焊枪 携带焊税质量发生变化情况下，也不例外。所以，焊接 机器人总体方案从振动角度考虑，也是可行的。
参考文献
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作者通讯地址:上海闵行江川路690号
上海电帆技术高等专科学校机械工程系（200240）
华东理工大学机电中心
收稿日期：2（）031211
现代制造匸程2004 （5 ） 55

ADAMS柔性体运动仿真分析研究及运用 田题聽文献*
作者： 灘，林砺宗,刘小平,王刚
作者单位： 刘俊(上海闵行江川路690号),林砺宗，刘小平(上海电机技术高等专科学校机械工程系
,200240),王刚(华东理工大学机电中心)
刊名： 现代制造工程也业凹
英文刊名： MODERN MANUFACTURING ENGINEERING
年卷(期): 2004(5)
被引用次数： 28次
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