(云南经济管理学院,云南·昆明 650106)
本文将采用三维仿真软件Adams对Jansen行走机构进行运动学仿真。Adams 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。Jansen 行走机构是机械系统中常见的典型机构。通过仿真可以揭示该机构的运动规律。本文以Jansen 机构作为研究对象,利用三维CAD进行样机的建模设计并导入到Adams 中,最后添加约束进行运动学仿真,从而得到该机构的运动学仿真曲线,为后续的动力学仿真分析提供基础。
该机构单元部件是运用3 个四连杆机构及2个三角桁架机构组成。上三角桁架一直角边和下三角桁架一直角边通过两根连杆构成一个四连杆机构,该机构为四边形机构,同时上三角桁架另一直角边和原动件通过共用固定连杆和一活动连杆构成第二个四连杆机构,该四连杆机构为曲柄摇杆机构。①孙桓.陈作模.葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社.而四边形机构靠近原动件的一边和原动件通过共用固定连杆和另外一活动连杆构成第三个四连杆机构,该机构也为曲柄摇杆机构。整个结构是利用多个单元部件整合所构成。在同一平面内呈现左右对称分布,如图1所示:
图1
结合四腿动物行走姿态和机械结构进行分析,动物行走时四腿有规律依次运动,而且呈现一定运动规律性。结合姿态分析和机械机构原理分析得到Jansen仿生行走机构如图2所示:
图2
Jansen 行走机构中的“仿生腿”,它包含基本的三角桁架结构、平行四边形机构,同时兼顾一定黄金比例的几何学。将三角桁架结构、平行四边形机构、曲柄连杆机构、曲柄摇杆机构进行依次组合,进而得到Jansen仿生行走机构如图3所示。
图3
将Jansen行走机构中的上部三角连杆机构和曲柄一步分解如3 图。为曲柄摇杆机构。图4 中曲柄做圆周运动的时候,三角机构做来回摆动。
图4
Jansen行走机构的另一部分,图5中下部三角机构。曲柄和较长连杆构成另外一曲柄摇杆机构。两个曲柄摇杆及平行四连杆机构联动带动腿部最下方的三角机构做复杂曲线运动。
图5
Jansen 行走机构根据结构原理进行分析,其中Jansen 行走机构n=7,pL=10 个,ph=0。其自由度为:
根据公式(2)计算可知,该Jansen 行走机构自由度为1,因此只需要一个驱动,即原动件做周转运动,就可以驱动机构所有运动副,这也是机构运行协调的基本原因。
Jansen 行走整体机构中的一个曲轴上把至少4个“腿”依照顺序组合起来,组成一个可行走的单元。如图6所示。
图6
运用三维CAD 软件对Jansen 行走机构进行零部件建模,与Adams 相比,三维CAD 软件的建模功能更为强大。首先采用三维CAD零件命令模块建立参数化实体模型,同时利用三维CAD中的装配模块,把所建立好的三角桁架结构、四边形连杆、机架、曲柄、连杆进行转配。得到如图7所示
图7
图7所示为一Jansen行走机构装配图,该行走机构曲柄成60度均匀分布,每一个曲柄连接四摇杆,其中较短的摇杆连接上部三角桁架结构,较长的摇杆连接下部三角桁架结构,上部三角桁架结构和下部三角桁架结构由两连杆构成四边形连杆机构。该机构的腿部由六个下部三角桁架结构构成。动力由曲柄机构提供。四边形连杆机构、曲柄机构参与机构联动。通过三维CAD装配中的运动算列,添加电机在曲柄机构上,进行运动仿真以此判断机构运动可行性,和验证设计是否存在干涉及结构错误。
将三维CAD 软件里建立的装配体的三维模型另存为Jansen(*.x_t)格式并保存到非中文路径里。启动Adams,选择新建一个新的模型文件,设置模型名为Jansen_1,重力为正常重力(—全局Y),选择默认的单位系统MMKS,进入工作界面后,选择File Import 菜单项,弹出File Import 文本框,在File Type 中,设置为ACCII;同时单机下拉三角,弹出Select File 选择框,从Select File 文本框中选择要导入的*.x_t格式文件;在File To Read文本框中,右击弹出Select File选择框,从Select File文本框中选择要导入的Jansen*.x_t 格式文件;在Mod⁃el Name 对应的文本框中,选择Model Create 菜单项,弹出Create Model 文本框,在Model Name 中输入Jansen_1,点击OK,模型成功导入到Adams中,如图8所示。
图8
将模型中重复机构及机架去除得到一组动力机构图如图9所示进而进行运动分析。
图9
设置命令中图标参数设置为10,导入模型后在Part一栏中分别定义三角连杆、四边形连杆、原动件、机架、曲柄部件的材料。分别右键所选择物体Part-Modify,在弹出的Modify Body文本框里,设置所有构件的质量特征为steel,密度为:7.801E-06Kg/mm3,杨氏模量为:2.07E+05newton/mm2,泊松比为0.29。单机运用使实体模型中的构件接近于实际物理模型。
在三维CAD软件里,装配体之间有相互配合关系,但三维CAD 软件和Adams 软件在配合关系、驱动等特征方面无法进行数据移植。因此,三维模型导入Adams后,需要重新添加运动副。对每一组关联机构添加相关运动副驱动和对原动件添加驱动。将曲柄与大地建立转动副,曲柄与两短连杆和两长连杆分别建立转动副、将两上部三角桁架结构的钝角位置与大地建立转动副。靠近曲柄的锐角和两短连杆的另外一端建立转动副。而下部三角桁架结构的一短边分别和上部三角桁架结构的下部短边通过两连杆分别建立转动副,构成平行连杆机构。同时和曲柄连接的长连杆的另外一端和下部三角桁架结构的钝角处建立转动副。然后在曲柄和大地的转动副上添加驱动。在下部腿部三角桁架结构的下部锐角处添加Marker1。在下部三角桁架结构的钝角位置处添加Marker2。最终运动副和驱动添加如图10所示。
图10
将曲柄与大地转动副上添加驱动,设置匀角速度为30 r/min,设置仿真时间为10 s,仿真步数为200,进行仿真。仿真完成后,进入Adams 软件postprocessor模块进行仿真运动数据的处理,得到仿生腿Marker1 点和Marker2 点的平面运动轨迹如图11和图12所示。
图11、Marker1
图12、Marker2
采用三维仿真软件Adams进行Jansen机构的运动学仿真,获得仿生腿运动的运动曲线及数据,其仿真结果证明其仿真的可行性,为下一步的动力学仿真做好准备。利用三维CAD软件和Adams这两个功能强大的软件,还可以对其它动力学等其他方面做进一步研究。采用Adams 进行运动学仿真,大大提高了设计效率,是虚拟样机技术研究中的崭新应用,促进了虚拟仿真的发展,对于教学和实践具有广泛的意义。