基于ADAMS的PRS—XY型混联机床机构运动学仿真分析.pdf

2 6 2 0 1 1 年 1 1 月 中国制造业信息化第 4 0 卷第 2 1 期 基于 A DAMS的 P RSXY型混联 机床机构运动学仿真分析 朱海宁， 郭钢 ， 李传龙 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 4 摘要 应用 A D AMS软件对 P R SX Y型混联机床机构进行运动学仿真分析 ， 使 用测量工具求得 混联机构逆解， 然后通过样条 曲线和样条函数求得 正解。借助 于仿真软件快速准确地 求出运动 学正逆解， 为实际的样机调试提供 了有意义的借鉴。 关键词 机床 ； 混联机构 ； AD AMS ； 正运动学； 逆运动学 中图分类号 T P 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 1 2 1 0 0 2 6 0 3 混联机床属于并联机床范畴 ， 由少 自由度纯并 联机构串联其他运动的驱动机构而成_ 1 J 。混联机 床混合 了并联机构和串联机构 ， 并兼具两者优点 ， 在很大程度上解决 了纯并联机床工作空 间小 的缺 点。混联机构的运动学正 、 逆解求解时需要建立复 杂的方程 ， 求解困难是困扰专家学者的主要问题之 一[ 2 l 。 AI A MS软件是世界上应用最广泛且 最具权 威性的机械系统运动学和动力学仿真分析软件 ， 该 软件 以 多 体 系 统 动 力 学 理 论 为 基 础。利 用 AD AM S软件可以建立和测试虚拟样机 ， 可在计算 机上实现复杂机械系统的运动学和动力学仿真分 析。本文以 P RS X Y混联机床机构为研究对象 ， 通过 AD A MS仿真分析快速准确地求解 出运动学 正 、 逆解。 1 P R S X Y型混联机构简介 P R SX Y型混联机构模型如图 1 所示 。该机 构由一个 3 一P RS并联机构和一个 XY工作 台组 成 ， 其中 3 一P R S并联机构由 3 根竖直滑轨 、 3个滑 块 、 3根连杆和 1个动平 台组成。3根竖直滑轨均 布在以 R为半径的圆上， 分别与 X Y工作台相交 于 A1 ， A2 ， A3点 ， 连杆 与滑块 间通过转动 副 B1 ， B2 ， B 3 连接 ， U 1 ， U 2 ， H 3 为 3个转动副轴线 的方向 矢量 ， 连杆与动平 台问以球铰连接 ， 分别交于 C ， C 2， C3 点 ， 且 C】 ， C 2 ， C3 均布 在 以r 为半 径 的圆 上。3 一P R S并联机构可实现沿 Z向的移动和绕 x， y轴的转动， 再加上 XY工作台的 2个 自由度 ， 共有 5个 自由度。该混联机构用在五轴联 动加工 机床上 ， 采用串联驱动和并联驱动并用的混联驱动 原理 ， 兼有并联机床和传统机床 的优点， 克服了并 联机构工作空问小 的缺点， 可用于复杂型面零件的 加 工 。 动 图 1 P R S XY混联机构 简图 2 P RSXY混联机构建模 在 AD A MS ／ Vi e w中创建模型 ， 第一种方法是 利用AD A MS ／ V ie w 提供的建模工具， 直接创建 ； 收稿 日期 2 0 1 10 4 2 1 作者简介 朱海宁 1 9 8 4 一 ， 男， 江苏新沂人， 南京理工大学硕士研究生， 主要研究方向为机器人及其机构优化设计。 现代设计与先进制造技术 朱海宁郭钢李传龙基于A D A MS的P R S X Y型⋯⋯ 2 7 第二种方法是通过 A D A MS与其他 C A D软件的数 据接 口， 直接导入 C A D几何模型 ， 通过适 当编辑后 就 可 以 转 变 成 A D A MS中 的 模 型l_ 3 _3。鉴 于 在 A D A MS中建立复杂模型较困难 ， 而 P r o ／ E具有强大 的造型功能 ， 且与 A D AMS 有很好 的兼容性， 故本文 采用第二种建模方法， 即在 P r o ／ E中建立实体模型， 并通过专用接口软件 Me c h a n i s m ／ P r o 2 0 0 5 将建好的 模型导人到 AD A MS中。由于接 口软件不是十分完 美， 考虑到模型导入时容易出错 ， 因此在建模时应注 意以下几点 1 尽量采用 P m／ E提供的缺省模板 ； 2 在造型时尽量减少零件数量； 3 在系统 中如果 存在几个相同的零件， 应将它们另存为不同的名字， 以示 区 别l 4 J 。模 型 导入 后 ， 由 于该 模 型不 是 在 A D A MS 中直接建立， 故需要依次在各构件属性中修 改质量信息。为便于观察， 同时修改各构件颜色。 上述过程只是完成 了 P r o ／ E和 A DA MS之 间 的数据交换工作 ， 各构件之 间并未建立约束关系 ， 故模型还不能实现任何运动学 和动力学方面 的仿 真分析。P RS X Y混联机构模型由下至上依次需 要添加的约束为 将定平台固定在大地上， x向滑 台与定平 台之间添加移动副 ， y 向滑台与 X 向滑 台之间添加移动副 ， 3个滑块与 3根竖直滑轨之间 添加移动副 ， 3个连杆与滑块之间添加转动 副， 连 杆与动平 台之 间添加球副。上述工作完成后在工 具栏 中运行模型检验工具 Mo d e l Ve r i f y ， 查看修改 的信息及所添加的约束是否正确， 该步骤可有效预 防由于前期错误导致的后续工作无法正常进行。 为方便测试 ， 需要在模 型上建立如 下 Ma r k e r 点 首先按机构简图 图 1 所示在大地上添加绝对 坐标 系 0 Ma r k e rd i n g x i 一0 ， 原点 在 三 角形 A】 A 2 A3 的几何中心向上 3 0 mm处， z轴竖直向 上， X轴与A1 A2 平行 ， 指 向 A2 侧。 在工作台上建 立动坐标系 2 Ma r k e r d o n g x i 一2 ， 初始状态 与 0完 全 重 合。在 动 平 台上 建 立 动 坐 标 系 M a r k e r d o n g x i 一1 ， 原点在三角形 C 1 C 2 C3 的几何 中心 ， z】 轴垂直于动平 台向上 ， 0】 C 2为 y1 轴。 刀 尖处建立工具坐标系 Ma r k e r t o o l s ， 各坐标轴 方 向与 三 相 同。 3 P R SX Y混联机构运动学分析 3 ． 1 逆解分析 逆解就是已知刀尖的位置和刀轴的姿态， 求滑 块在滑轨上的位置等。在刀尖处添加多 自由度驱 动 ， 驱动函数分别为 T r a x 2 0 s 1‘ n 2t i mP T r a y 2 0 c o s 等t i m e z 3 0 s i n t i me 在工作 台 x， y方向上分别添加移动驱动 ， 驱 动 函数分别为 x 8 n Y 4 0 s i n t i mP 设 置仿真 时 间参数 为 2 0 s ， 仿真 步数 为 5 0 0 步， 运行仿真后进行测试， 测试步骤是 b u il d me a s u r e - - p o i n t t o p o i n t --n e w， 在 弹出的对话框 中 选好需要测试 的 Ma r k e r 点 以及参考坐标系 ， 先后 获得滑块和动平台的位移 一时间图以及速度 一时 间图。图形生成好之后进入 AD A MS的后处理模 块 ， 得出图 2和图 5所示滑块位移 一时间图和工作 台的位移 一时问图， 以及滑块速度 一时间图和工作 台的速度 一时间图。图 2和 图 4中的 3条不 同线 型分别对应 3个滑块 ， 图 3和图 5中的 2条不同线 型分别对应工作台的 x， y 向滑台。 ， 、 、 ／ ／ 1 ／ 1 ／＼ 一 ／ ／ 一 、 ／＼ ，一 、 ／ ，，一 、、 ／ ， 、 、 ／ ； ， ，7 、 、 ／ 、／ 、 ， ／ 、 ＼ 、 ， “t ／ ＼ r＼ 、 ，， 八 、 ／ ＼ ／ ＼ ／ 、。 ‘、一 ＼ ／ ‘ ＼ ／ t ／ x ／ ＼ ／ 鉴 m ， I 图 3 工作 台位 移 一时间图 mo d e }1 5 t l 1 0 0 ， 5 O 图 4 滑块速度 一时间图 2 0 1 1 年 1 1 月 中国制造业信息化第 4 0 卷第 2 1 期 图 5工 作 台速 度 一时 J 司图 3 ． 2正解分析 正解分析就是已知滑块在滑轨上的位置， 求解 刀尖的位置和刀轴 的姿态等。在后处理模块 中将 已求出的滑块位移 一时间曲线和工作台的位移 一 时问曲线转换成样条曲线 ， 并 生成样条 函数 分别 命 名 为 S P L I N E 1 ， S P L I NE 2 ， S P L I NE 3 ， SPLI NE 一7， S PLI NE一8 ， 然后将样条函数作为已 知的功能 函数 定义在相应 的直线驱动上l 5 j ， 添 加的样条函数格式为 Mo t i o n 7 AKI S P L t i me ， 0 ， S P L I NE一3 ， 0 Mo t i o n 8 AKI S P L t i me ， 0 ， S P L I NE一2 ， 0 Mo t i o n 9 AKI S P L t i me ， 0 ， S P L I NE一1 ， 0 Mo t i o n l 0 A KI S P L t i me ， 0 ， S P L I N E一7 ， 0 Mo t i o n l 1 A KI S P L t i me ， 0 ， S P L I N E 一8 0 将刀尖处的多 自由度驱动设为无效 ， 同时激活 添加在 3 个移动副上的直线驱动， 设置仿真时间为 2 0 s ， 仿真步数为 5 0 0步， 运行仿真并进行测试。测 试完成后可得到刀尖在动坐标 系 2中的位置 一时 间曲线 、 速度 一时间曲线 ， 刀轴在 中的角度 一时 间曲线 、 角速度 一时间曲线。测试过程 中需要注意 的一点是， 被测的Ma r k e r 点和用做参照的Ma r k e r 点 一 定要选取适当， 否则测试结果将会与实际有很大 的偏差 ， 原 因是 A D A MS中提供的全局坐标 系与模 型导入后所建立的绝对坐标系在位姿上有偏差。在 A D A MS后处理模块中将上述曲线生成为样条函数 ， 即为 P R S X Y混联机构的运动学位置、 速度正解。 对 比生成 的正解曲线图和求逆解时刀具在 ， 中的位姿 、 速 度曲线图 ， 可 以看 出二者完全 吻合 。 限于篇幅， 现仅取刀尖在 2 中 x方向的正解和逆 解位移 一时问曲线进行对比， 如图 6所示。图 6中 M EA P P r r f d t oo l s X为 X 向正解位移 一时 间曲线 ， ME A I ， r 2 F r r i d x为 X 向逆解位移 一时 间曲线 。 ／ ] ／ ／ 1 } } ／f ／j ／| ‘t ＼ ／ ＼ ／ ≥ l 图 6 正逆 解位移 一时间曲线对 比图 其他位移 、 速度曲线均吻合， 在此不一一列 出。 由曲线图可知 ， 用 A D AMS进行运动学的位置 、 速 度正解解析是正确的。 4 结束语 本文通过 AD A MS对 P R SX Y} 昆联机床机 构进行运动学正 、 逆解求解 ， 避免了繁琐的计算工 作 ， 且 快 速 准 确 ， 节 省 了 大 量 的 时 间 和 人 力。 AD AM S的模型构架决定 了在 AD AM S中将 曲线 转换成样条函数具有很高的精度， 这一点保证了求 正解时的准确性 。该种方法对于研制新型机构具 有重要意义 ， 不但可 以验证科研 人员计算 的正确 性， 而且可以进行运动学和动力学仿真。 参考文献 [ 1 ] 朱煜， 汪劲松， 张华 ， 等． 并联机床构型及其设计方法初 探 [ J ] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 3， 3 2 3 2 9 73 0 2 ． [ 2 ] 黄真 ， 赵永生 ， 赵铁石． 高等空间机构学 [ M] ． 北京 高 等教 育 出版社 ， 2 0 0 6 1 4 1 1 5 8 ． [ 3 ] 李增刚． A D A MS入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 9 1 83 1 [ 4 ] 罗建国， 何茂艳， 陆震 ， 等． 基于 A D A MS和 P r o ／ E的四自 由度串并联机器人运动学对比仿真分析 [ J ] ． 机械设计， 2 0 0 9， 2 6 8 3 1 3 3 ． [ 5 ] 陈美宏 ， 焦恩璋 ． 基于 AD A MS平台 的串联 机器人运 动学逆 问题求解 [ J ] ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 2 6 56 7 ． [ 6 ] 王南 ， 张庆 恒 ， 李伟 ， 等 ． 基于 P r o ／ E和 AD A MS的 3一 R P C并联机器人运动学和动力学仿真 [ J ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 0 9 1 0 1 7 21 7 4 ． Ki n e ma t i c s An a l y s i s a n d S i mu l a t i o n o f t h e Pl 一XY Hy b r i d M e c ha ni s m o f t h e M a c hi n e To o l Ba s e d o n ADAM S Z HU Ha l n i n g，GUO Ga n g ，LI C h u a nl o n g Na n j i n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u Na n j i n g ， 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n AD AMS，i t s i mu l a t e s a n d a n a l y z e s t h e k i n e ma t i c s p e r f o r ma n c e o f t h e PRSXY h y b r i d me c h a n i s m o f t h e ma c h i n e t o o 1 ．I t s o l v e s t h e k i n e ma t i c s f u n c t i o n s o f t h e P RSXY me c h a n i s m wi t h me a s u r i n g t oo l s a n d s p l i n e f u n c t i o n．a n d p r o v e s t h a t t h i s s o l u t i o n mo d e l a n d t h e i n v e r s e s o l u t i o n mo d e 1 o f k i n e ma t i c s o f t h e h y b r i d me c h a n i s m a r e e f f e c t i v e a n d r a p i d ． Ke y wo r d s Ma c h i n e Too l ；Hy b r i d Me c h a n i s m；ADAMS ；F o r wa r d Di r e c t Ki n e ma t i c s ；I n v e r s e Ki n e ma t i c s