1、第四章 運動仿真技術學習重點了解機械系統運動仿真技術的特點及一般過程；熟悉機械系統動力學分析軟件（ADMAS 2005）的基本功能；總體方案設計零部件及運動仿真模型建立運動環境設置運動仿真分析分析結果輸出系統方案的構思、原理設計、評價與決策零部件的建模、裝配關系的確定和運動副的定義力（包括重力、彈簧力和阻尼力）或扭矩的施加、初始條件定義等分析類型（如運動學、動力學、靜力分析等）的定義運動模擬的實現、運動特性曲線（如位移、速度、加速度等）的可視化、干涉檢驗及參數跟蹤測量圖4-1 機械運動仿真步驟示意圖熟悉掌握利用ADMAS軟件進行建模、施加約束、驅動和載荷、仿真分析以及后處理等方面的基本操作。4

2、.1概述在機械設計領域，其設計工程主要可分為原理方案設計、運動學分析、靜力學或動力學分析、方案及系統優化、強度分析計算和結構設計等幾個階段。傳統的設計方法可以通過理論分析計算實現，但在大多數情況下，為了避免復雜的理論分析計算，在機械設計過程中經常采用“經驗法”、“類比法“或”試湊法”等方法，這樣不但會延長設計周期和降低工作效率，而且容易導致設計結果不準確，很難得到滿意的結果，也缺乏科學的理論根據?？茖W技術的飛速發展和學科的相互交叉極大地促進了機械設計行業的發展和進步，設計的高效化和自動化已經成為今后發展的必然趨勢。隨著機械產品性能要求的不斷提高和計算機技術的廣泛使用，作為機械設計強大支撐技術之

3、一的運動仿真技術越來越受到機械設計人員的重視和親睞。機械運動仿真技術是一種建立在機械系統運動學、動力學理論和計算機實用技術基礎山的新技術，涉及建模、運動控制、機構學、運動學和動力學等方面的內容，主要是利用計算機來模擬機械系統在真實環境下的運動和動力特性，并根據機械設計要求和仿真結果，修改設計參數直至滿足機械性能指標要求或對整個機械系統進行優化的過程。機械運動仿真的一般步驟如圖4-1所示。通過機械系統的運動仿真，不但可以對整個機械系統進行運動模擬，以驗證設計方案是否正確合理，運動和力學性能參數是否滿足設計要求，運動機構是否發生干涉等還可以及時發現設計中可能存在的問題，并通過不斷改進和完善，嚴格保

4、證設計階段的質量，縮短了機械產品的研制周期，提高了設計成功率，從而不斷提高產品在市場中的競爭力。因此，機械運動仿真當前已經成為機械系統運動學和動力學等方面研究的一種重要手段和方法，并在交通、國防、航空航天以及教學等領域都得到了非常廣泛的應用。機械系統的運動仿真可以采用VB、OpenGL、3D max、VC等語言編程實現，也可以使用具有運動仿真功能的機械設計軟件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solidworks、Solid Edge等）實現，而且，隨著計算機軟件功能的不斷強大和完善，用軟件進行運動仿真是一種省時、省力而用高效的方法，也是機械運動仿真發展趨勢。其中，由美國MDI公

5、司開發的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是當前應用最廣泛且最具權威性的機械系統力學仿真分析軟件之一。利用ADAMS軟件中的用戶界面模塊(ADAMS/View)，通過簡單的菜單、按鈕及鼠標點擊等交互式操作，可以很方便地對機械系統進行運動學、動力學或靜力學等分析，主要包括建立零部件模型、施加運動副和載荷、仿真計算以及結果顯示內容。因此，本章主要介紹ADMAS 12.0軟件常用模塊（如View和PostProcessor等）的使用方法和基本操作。希望通過兩個實訓模塊的練習，能使學生了解動態仿真的基本過程，并學會正確使用和熟練

6、操作ADAMS軟件，為進一步的更深入的研究打基礎。4.2 實訓1 平面六桿機構的運動仿真平面六桿機構是常用的典型機構之一，它具有承載能力強、耐磨損、可實現多種運動規律和運動軌跡等優點，因此廣泛應用于機械、儀表、交通以及航空航天等領域，如車輛轉彎機構、車門啟閉機構、壓力表指示機構等等。平面連桿機構的運動分析是已知原動件的運動規律，求解各構件上某些點的位置、位移、速度和加速度等運動參數，通常可采用圖解法、解析法和實驗法等來進行分析，但相對實用軟件分析來講比較麻煩。下面就平面六桿機構的運動分析為例，來體驗ADAMS軟件的強大功能。圖4-2 平面六桿機構運動簡圖 問題描述圖4-2所示為一平面六桿機構，

7、現已知：主動曲柄OA作勻速逆時針轉動，且角度度w=10rad/s，各鉸鏈點的坐標為 O(0,0,0)，A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)。試對該平面六桿機構進行運動分析，并計算在圖示位置時滑塊D點的位置、速度和加速度以及搖桿BC的角速度和角加速度的大小。實訓目的本實訓的主要目的有二：一是使學生熟悉ADAMS軟件的基本用戶界面，了解使用該軟件進行機構運動分析的一般過程。二是使學生體驗使用ADAMS軟件進行運動分析的簡單性、方便性和高效性。 結果演示圖4-3 滑塊沿X向的速度和加速度隨時間變化曲線通過使用ADMAS 12.0軟件對該平面六桿

8、機構進行運動分析,其部分運動結果如圖4-3所示。 實訓步驟 一、ADAMS 12.0 的啟動與設置圖4-4 新建模型對話框1.啟動。點擊：“開始>程序> ADMAS 12.0> AView>ADAMS_View”，彈出“ADAMS_View”圖形用戶主界面和“新建模型”對話框，如圖4-4所示。在“Model name”一欄中輸入模型名稱：Linkage，“Grav ity”一欄中選擇“No Gravity”, “Units”一欄中選擇“MMKS”，其他保留缺省設置，點擊“OK”關閉對話框，即可進入ADAMS/View圖形用戶主界面。如圖4-5所示。圖4-7工作柵格設置圖

9、4-6 單位系統設置對話框主工具箱菜單欄狀態提示欄工作屏幕區圖4-5 用戶主界面2.單位系統設置。在圖4-4所示對話框中已經選擇了“MMKS”單位系統，由于該系統中的角度單位為“度”，根據問題描述，應該設置為弧度。因此，點擊菜單欄中的“Settings>Units”,彈出“單位設置”對話框，如圖4-6所示。確?！癆ngle”一欄中選中“Radian”選項，其他保留缺省設置，點擊“OK”關閉該對話框。3.工作柵格設置。點擊菜單欄中的“Settings>Working Grid”,彈出“工作柵格設置”對話框，在“Size”一欄的“X”和“Y”文本框中分別輸入：（500mm）和（300m

10、m），“Spacing”一欄中的“X”和“Y”文本框中分別輸入：（10mm）和（10mm），其他保留缺省設置，如圖4-7。點擊“OK”關閉對話框。用戶可以點擊主工具箱中的“View Control”按鈕，將工作屏幕區顯示為合適大小。圖4-8主工具庫4.圖標大小設置。點擊菜單欄中的“Settin gs>Icons”,彈出“圖標大小設置”對話框，在 “New Size”一欄中輸入：30，其他保留缺省設置，如圖4-8。點擊“OK”關閉對話框。圖標主要是指工作屏幕區出現的一些運動副、構件模型以及載荷等的標記，合適的大小會給模型顯示帶來方便，否則會帶來干擾，圖標的大小可隨時根據需要調整。5.坐標窗

11、口顯示。點擊菜單欄中的“View>Coordinate Window”,彈出“坐標顯示”對話框。此時，坐標窗口中顯示的坐標值隨著光標在工作屏幕區的移動而變化，有利于模型的建立。6.存盤目錄設置。點擊菜單欄中的“File>Select Directory”,彈出“存盤目錄設置”對話框，在Select Directory下面的列表框中選擇盤符（如e:/）,并在其下一級目錄列表框中選擇將文件要存入的文件夾（如adamsfile）, 其他保留缺省設置，點擊“OK”關閉該對話框。 二、幾何模型的創建圖4-9 連桿參數設置1.創建標記點（Marker），為建立連桿模型作準備。右鍵單擊主工具箱中

12、的按鈕，彈出幾何建模工具庫，如圖4-8所示。點擊其中的按鈕，并保留主工具箱的下半部分的Marker和Orientation欄的選項設置（分別為Add to Ground和Global XY），然后用鼠標左鍵單擊工作屏幕區中坐標為（0，0，0）的位置，即完成了鉸鏈點O的標記點創建。同理，依次創建其他各鉸鏈點A(-60,80,0)，B(180,180,0)，C(180,0,0)，D(430,0,0)的標記點。2.創建構建OA的模型。點主工具箱中的按鈕(如果該按鈕沒有出現在主工具箱中的相應位置)，主工具箱的下半部分顯示連桿參數設置選項，選中“Width”和 “Depth”前的復選框，并在相應的文本框

13、中分別輸入：（20mm）和（10mm），如圖4-9所示。然后依次點選上一步驟建立的O和A的標記點，即可建立OA構件的幾何模型。右鍵單擊該構件，彈出右鍵快捷菜單，電擊“Part:PART_2>Rename”，彈出名稱更改對話框。在“New Name”一欄中輸入中輸入：Crank，點擊“OK”關閉對話框。3創建構件AB、BC和BD的模型。同理可創建構件AB、BC和BD的模型，并分別將其改名為Link1、roker和Link2。4建立滑塊模型。右鍵單擊主工具箱中的按鈕，彈出幾何建模工具庫，點擊其中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示長方體參數設置選項，選中“Length、Width”和 “Depth

14、”前的復選框，并在相應的文本框中分別輸入：（80mm）、（60mm）和（10mm）。然后將鼠標移動到工作屏幕區，屏幕區出現一個80mmX60mm的長方形，鼠標箭頭位于該長方形的左下角，移動鼠標至（390，-30，0）的柵格點位置并點擊，即可完成滑塊模型的創建。并將其更名為：slider。圖4-11轉動副參數設置圖4-10 用戶主界面5改變滑塊slider的位置。依次點擊主工具箱中的按鈕和按鈕（也可以是其他視圖方向的工具按鈕），可以從不同方向觀察上述建立的構件，顯然，只有滑塊slider沿Z軸方向與柵格平面（XY平面）不對稱。點擊按鈕恢復到原來的柵格平面視圖，在slider構件的左下角右鍵單擊，

15、彈出右鍵快捷菜單，依次點擊Marker.MARKE_14>Modify，彈出“標記參數修改”對話框，將該對話框的“Location”一欄中的最后一個數字0改為5，其他保留缺省設置，如圖4-10所示，點擊“OK”關閉對話框，即可將滑塊移動到與柵格平面對稱的位置?？梢渣c擊按鈕查看滑塊為之后的結果。三、約束副的創建1. 創建機架與crank、機架與rocker構件之間的轉動副。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示轉動副參數設置選項，確保“Construction”一欄下面的兩個列表框中分別選中“1 Location”和“N ormal to Grid”，如圖4-11左圖所示。然后，移動

16、鼠標到工作屏幕區，點選O標記點，即可在機架與crank構件之間創建了一個轉動副，相當于固定鉸鏈。同理，根據實訓要求，C點也應該為固定鉸鏈點，因此，在機架與rocker構件之間也創建一個與上述具有相同設置的轉動副。2. 創建構件crank與link1、link1與rocker、rocker與link2以及link2與slider之間的轉動副。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示轉動副參數設置選項，確保“Construction”一欄下面的兩個列表框中分別選中“2 Bod-1 Loc”crank、link1構件和A標記點，即可在crank和link1構件之間創建了一個轉動副。同理，可創建l

17、ink1和rocker、rocker和link2、link2和slider之間的轉動副。圖4-12 六桿機構幾何模型及約束圖4-13 仿真分析3. 創建機架ground與滑塊slider之間的移動副。右鍵單擊主工具箱中的按鈕，彈出約束工具庫，點擊其中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示移動副參數設置選項，確?！癈onstruction”一欄下面的兩個列表框中分別選中“2 Bod-1 Loc”和“Pick Feature”。然后，移動鼠標到工作屏幕區，依次點選ground、slider構件和D 標記點，之后水平向右移動鼠標，直至出現一水平向右的箭頭，按下鼠標左鍵，即可在機架與slider構件之間創建了

18、一個移動副。4. 創建運動驅動。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示旋轉運動驅動參數設置選項，在“Speed”一欄的文本框輸入：10。然后，移動鼠標到工作屏幕區，在O標記點點擊鼠標左鍵，即可在該轉動副上創建了一個轉動驅動。即定義crank構件為主動件，其轉動角速度為。需要注意的是，這里的角速度的大小也可以是變速的，通常可通過輸入表達式來設置，有興趣的讀者可查閱相關資料。到此為止，本實訓所述六桿機構的幾何建模部分和約束及運動驅動施加部分已經完成，完成后的結果如圖4-12所示。 四、運動仿真分析1 .運動仿真分析。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示仿真參數設置選項，確?！癝imu

19、lation”標簽下面的三個列表框中分別選中“Kinematic、End Time”和“Steps”兩個文本框中分別輸入：2和200，其他保留缺省設置，如圖4-13所示。然后，點擊按鈕，開始進行運動仿真分析，此時，可以看到工作屏幕區實時顯示六桿機構的運動情況，仿真分析結束后，六桿機構停止運動。2. 運動仿真動畫播放。點擊主工具箱中的按鈕，主工具箱的下半部分顯示仿真動畫播放功能按鈕及參數設置選項，選中左下角Loop前的復選框，表示循環播放動畫，然后，點擊按鈕，開始進行運動仿真動畫，點擊按鈕，可停止播放，點擊按鈕，可使六桿機構返回到開始播放的位置。五、動力仿真分析結果顯示圖4-14 ADAMS/P

20、ostProcessor后處理器用戶程序主界面菜單欄工具條對象結構關系窗口參數特性編輯窗口頁面顯示窗口控制區窗口1. 啟動ADAMS/PostProcessor后處理器。點擊主工具箱中的按鈕，進入ADAMS/PostProcessor的用戶程序主界面，如圖4-14所示。主界面主要由菜單欄、菜單欄、對象結構關系窗口、頁面顯示窗口、參數特性編輯窗口、控制區窗口等幾部分組成。圖4-15 布局庫2. 規劃頁面顯示窗口。右鍵單擊ADAMS/PostProcessor的用戶程序主界面的工具條中的按鈕，彈出頁面布局庫，如圖4-15所示。點擊頁面布局庫中的按鈕，將整個頁面窗口分為四個小視窗。3. 導入運動仿真

21、過程。點擊激活頁面顯示窗口的左上視窗，在該視窗內右鍵單擊，彈出快捷菜單，點擊“Load Animation”，即可將第四（1）步驟的運動仿真過程導入該視窗。點擊工具條（或控制區窗口的頂部）中的按鈕，即可顯示六桿機構的運動過程，其他播放功能按鈕與第四（2）步驟地播放按鈕功能基本相同。圖4-18 曲線標題參數設置圖4-17 plot_3對象圖4-16 繪制位移滑塊曲線時控制區窗口的參數選擇4. 繪制滑塊“slider”的位移曲線。點擊激活頁面顯示窗口的左下視窗，將鼠標移至控制控制區窗口，在Data標簽中的“Model”列表框中選擇“.linkage”，“Filter”列表框中選擇“body”，“O

22、bject”列表框中選擇“slider”，“Characteristic”列表框中選擇“CM_Position”，“Component”列表框中選擇“X”，如圖4-16所示。然后點擊該窗口右邊的“Add Curves”按鈕，即可在頁面顯示窗口的左下視窗中顯示滑塊沿X向的位移隨時間變化的曲線。圖4-19 橫坐標標題設置5. 修改滑塊“slider”的位移曲線的標題。雙擊對象結構關系窗口的plot_3對象，顯示其下一級對象，如圖4-17所示。點擊其中的title對象，并將鼠標移至參數特性編輯窗口，在該窗口中的文本框中輸入：Position，如圖4-18所示。此時，可看到頁面顯示窗口的左下視窗中的滑

23、塊位移曲線上的標題由原來的linkage變為“Position”。6. 修改滑塊“slider”的位移曲線的橫縱坐標的標題。點擊圖4-17所示的haris對象，并將鼠標移至參數特性編輯窗口，點擊該窗口中Labels標簽，然后在其下得Label后面的文本框中輸入：Time/s，如圖4-19所示。此時，可以看到頁面顯示窗口的左下視窗中曲線的橫坐標標題變為“Time/s”。在滑塊的位移曲線視窗中，由于其左上角的“-.”框遮擋了曲線的一部分，對觀察曲線有影響。因此，可以在該框上點擊鼠標右鍵，彈出快捷菜單，依次點擊 Legend：legend_object>Delete，即可將該框刪除。也可以按下

24、鼠標左鍵將其拖動至別處。修改后的位移滑塊曲線如圖4-20所示。圖4-20 修改標題后的位移滑塊曲線7. 重復步驟（4）（6），繪制滑塊沿X方向的速度和加速度曲線。此時的頁面顯示窗口如圖4-21所示。圖4-22 曲線數據統計列表圖4-21 頁面顯示窗口8. 觀察滑塊在t=0 時的位置、速度和加速度的大小。點擊工具條中的按鈕，在工具條下面彈出一行表格，如圖4-22所示。當將鼠標在上述建立的曲線上移動時，該表格中的數據會隨著鼠標的移動而實時發生變化。該工具不但能顯示曲線上任意一點的坐標值，而且還能顯示曲線的最大、最小值、平均值以及均方根值等等。現將鼠標移至滑塊位移曲線的起始點（即曲線與t=0時縱坐標

25、軸的交點處），觀察圖4-22所示列表，得到滑塊在該位置的縱坐標Y=430mm,也就是六桿機構處于初始位置時，滑塊在建立模型時所使用坐標系中的橫坐標值。按照同樣的步驟可以得到滑塊位于初始位置時的速度和加速度的大小，分別為：=-1050mm/s, =7868.3333mm/ 。需要注意的是，如果曲線與縱坐標軸的交點比較難捕捉到，可以使用工具條中的工具來放大曲線的局部部位。圖4-25 退出對話框圖4-24搖桿rocker的角速度和角加速度曲線圖4-23繪制搖桿角速度曲線時控制區窗口的參數選擇9. 繪制搖桿rocker的角速度和角加速度曲線。由于頁面顯示窗口的四個視窗均已占用，因此，先創建一個新的頁面。點擊工具條中的按鈕，即可完成新頁（page_2,在對象結構關系窗口中可以看到該對象名稱）的創建，而且頁面布局與第一個頁面一樣，也分為四個視窗。