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基于ADAMS的玩具飞机的机构运动仿真


基于 ADAMS 的玩具飞机的机构运动仿真
摘要:本文首先对目前市场上涉及到的机械玩具进行了一个简要的概括,然后选取一款玩具飞机的模型分 析了它的运动规律,并进行测绘利用 SolidWorks 建立了其总体结构;对玩具飞机的关键部件—发条机构进 行了简要介绍, 在运动学分析的基础上, 运用虚拟样机仿真软件 Adams 对玩具飞机进行了仿真。 结果表明: 玩具飞机的运动是

稳定的,基本和实际运动状态一致。 关键词:玩具飞机;ADAMS;运动学分析

Dynamic simulation of toy aircraft based on ADAMS
Abstract: Firstly, mechanical toys on the market at present involved in a brief summary,and then choose a toy airplane model to analyze the movement rules of it,and mapping of SolidWorks was utilized to establish the overall structure; the key part of the toy plane clockwork mechanism are introduced,on the basis of kinematics analysis last,the application of virtual prototype simulation software Adams simulation of the toy plane. The results show that: the toy plane movement is stable,consistent with the basic and the actual state of motion. Key words: toy aircraft;ADAMS;kinematics analysis

1 引言
中国是世界上最大的玩具制造国和出口国,全球 70%的玩具是在我国境内制造的。在 琳琅满目的玩具之中, 靠发条驱动的纯机械玩具吸引着许多小孩子的眼球这类玩具用塑料做 成,价格低廉,体积较小,节能环保,大多模拟某一种动物的动作这类机械玩具在设计方面 采用了大量的机械机构, 如连杆机构,齿轮机构,凸轮机构,不完全齿轮机构, 槽轮机构等, 很多玩具的设计思想十分巧妙"对这些商品玩具进行测绘、建模、装配并做仿真,这对玩具 的研发和设计,都具有重要的参考价值 。 然而,对机械玩具进行仿真的相关研究在国内期刊上很少见到"中科院自动化研究所的 张志刚等从仿生学的角度出发,按照一系列步骤,编制了机器鱼的设计与仿真软件,实现了 由生物特征到机器鱼实现的过渡,方便了机器鱼的设计 。在对玩具市场进行一番调研后发 现,一款玩具飞机设计非常巧妙,也很有代表性,这里主要以它为例来阐述玩具的运动机理 和 y 运动学仿真中的一些关键技术。
[1] [2]

2 玩具飞机的运动原理及仿真方案
玩具飞机的虚拟仿真研究过程中, 零件之间存在着各种相对关系, 为得到理想的结 果, 首先需要对玩具进行拆卸, 然后分析出其零件间的连接关系, 测绘出其零件的尺寸, 完成装配,为仿真准备好模型数据。玩具飞机的整体图如下:

1

图 2.1 Fig.2.1

飞机外形图

Toy airplane configuration

玩具飞机的内部结构图如下图所示:

图 2.2 Fig.2.2

飞机内部结构图

The internal structure of toy airplane

运动分析:首先手轮给整个装置提供一个原动力,由于发条箱内部的齿轮机构和弹 片装置使得有两个动力输出, 位于尾部的零件车轮轴带动两个车胎转动, 位于飞机头部 的零件手轮轴带动传动轮转动, 又由于传动轮的转动, 带动连杆沿着其中间的槽一起往 前移动,连杆的移动,拉动着底板沿着飞机下半身的圆弧槽转动,底板的转动会给地面 一个向下的力,由于力的作用是相互的,反作用力会给飞机一个反向的支撑力,使得飞 机翻转。 翻转之后,由于连杆和飞机下半身之间有弹簧连接,连杆被拉回弹簧原长位置,整 个过程就这样往复。从而实现飞机的前进和翻转复合运动。

3 玩具飞机的关键部件分析
发条是玩具飞机最关键的一个部件, 相当于汽车的发动机。 下面将对发条机制涉及到的 机构学知识做一个简要介绍:

2

发条的结构主要分为∶发条、主发条盒(一番车)、发条轴心,以及具防止齿轮倒 转的大卷车(止逆棘轮)、止逆子与止逆弹簧 。其中收纳发条的主发条盒也是走时轮 系的第一枚齿轮,所以又称为一番车,与大卷车连接在同一轴心上,而收纳在主发条盒 内的发条两端分别固定在轴心与发条盒内壁, 止逆子则在止逆弹簧推动下与大卷车互相 啮合。当我们做进一步拆解时,只要将轴心的固定螺丝旋开,即可将主发条盒与大卷车 分开,再进一步将主发条盒上的发条盒盖板撬开,就可以看到隐藏在里面的发条了。 从整个机芯排列来看, 发条机构正介於上链机构与走时轮系的中间∶大卷车与上链 系统的小卷车互相连接以传递上链的力量, 而一番车则是与走时轮系中的中间轮 (二番 车)相连接以传递发条释出的动力至整个机芯。换句话说,发条机构的作用正是将所输 入的力量储存在发条中,并且转化成机械能传输至齿轮系及擒纵系统。 当上链时,主发条盒停止不动,而受上链机制驱动的大卷车转动轴心,带动固定在 轴心的发条内端将发条沿逆时针方向向内卷紧;而当机芯在运转时,大卷车停止不动, 而固定在发条盒内壁的发条外端在释放动力中的发条带动之下, 将发条盒以及一番车沿 顺时针方向转动,驱动以下的走时轮系。
[3]

4 玩具飞机的建模
先要对飞机进行测绘, 测绘时所使用的工具为游标卡尺和毫米刻度尺, 以下为部分 零部件的测绘尺寸:

图 4.1

飞机下半身尺寸

Fig.4.1 Body size aircraft

图 4.2

飞机上半身尺寸

Fig.4.2 Body size aircraft

玩具飞机的下半部分建模步骤:

3

1) 使用 Solidworks 创建草图截面,对玩具飞机实体测量,每隔 6mm 测量一次截面。 2) 使用样条曲线绘制四条导引线,目的是为了使飞机的身体尽量逼真。 3) 进行 Solidworks 中的【放样】操作 。 4) 然后使用工具栏中的 插入 切除 使用曲面命令,保留下半部分。 5) 下图即为中间身体的放样草图及下半身抽壳后的效果图。
[5]

图 4.3 Fig.4.3

飞机壳体草图

Toy airplane shell sketch

图 4.4 Fig.4.4

飞机下半身

The lower half airplane

其他的部分类似的都可以建模,然后用 solidworks 装配起来,并进行上色处理,最 终模型如下:

图 4.5 Fig.4.5

飞机最终模型图

The airplane finally model diagram

4

5 基于 ADAMS 的玩具动力学仿真
5.1 模型中约束的添加 约束是用来限制和定义 ADAMS 中各零件的位置和运动,模拟机械的实际运行状 况,组成完整的机械系统为后续分析作准备。 Adams 中的约束具有限制零件间的相对运动和代表“理想化”的联接等特点。所 有的约束都限制系统的平动或转动自由度, 限制的自由度数目和类型取决于使用的约束 类型 。 5.2 玩具飞机中固定副的创建 玩具飞机的零件个数比较多,全部显示添加约束,不仅速度慢而且不准确,这将会 严重影响后面的仿真效果, 所以我才用的方法是添加一个约束需要几个零件就显示几个 的方式,速度不是很快,但能保证其正确性。
[6]

图 5.2.1 Fig.5.2.1

创建轴一与手轮固定副

图 5.2.2 Fig.5.2.2

创建所有的固定副 Create all the fixed vice

Create a hand wheel shaft and the fixed vice

玩具飞机里面需要添加固定副的零件非常多, 例如: 手轮和第一根棒之间加固定副 时,点击固定副按钮,选 Nomal To Grid 模式,依次选择两个 Bodies 和一个 Location, 在选择 Location 时尽量选择其交点处,依此方法添加所有的固定副。 5.3 转动副的创建 玩具飞机中地板,连杆,飞机下半身之间的运动关系均为转动,因此,要对其全部 创建转动副。 转动副的创建方式与固定副类似:单击上图中的转动副按钮,选择要创建的零件, 由前面的分析可知地板绕着飞机下半身转动,连杆与地板的相对运动仍然为转动。 5.4 碰撞的创建 碰撞约束的创建, 对玩具飞机的运动过程的分析, 底板需要借助地面的反力来撑起整个 玩具,此处必须定义为碰撞约束,底板绕着飞机下半身的圆槽转动,此底板是通过上半身卡 主的,所以也需要定义为碰撞约束,以此总共有 14 处需定义碰撞约束,最终要实现虚拟仿 真就需要创建所有这类约束。 玩具飞机里的 Stick1 和 ConnectingRod 之间的关系是:Stick1 在 ConnectingRod 中 往复运动,可能接触也可能不接触,此时只能通过碰撞约束来定义。 由于碰撞约束比较多,操作方法几乎一样,在这里就不一一列举了,总之,在定义 碰撞之前必须对整个运动做一个详细的分析,并且在定义的过程中,记录下来,以免运 动副过多造成混乱,碰撞的操作键是 ,界面如下:

5

图 5.4.1 Fig.5.4.1

碰撞的创建方法

Create a method of collision

经过调试,将轴一转速设为 30.0d * time,轴二转速设为 545.0d * time,摩擦系数 设为 0.1, 弹簧刚度系数设为 1.7E-005(newton/mm)时, 仿真效果与实际相同, 仿真成功。 调试过程中还有一些小问题,也是在这样不断尝试,摸索中一一解决的,最后,给玩具 飞机模型上色, 飞机的运动也达到了和预期效果比较接近的程度, 整个毕业设计业就这 样接近尾声了,玩具飞机在 Adams 中仿真过程图:

图 5.4.2 玩具飞机准备翻转 Fig.5.4.2 The toy aircraft ready to flip

图 5.4.3 玩具飞机翻转至 90° Fig.5.4.3 The toy aircraft turning to 90 degrees

图 5.4.4 玩具飞机完成翻转 Fig.5.4.4 The toy aircraft to complete turning

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5.5 玩具飞机的关键部位测试 整个仿真过程中,难点是弹簧,因为弹簧的弹性系数太小或太大都不行,太小会使得弹 簧很同意被拉坏,也就拉长后不能复原,而太大则更严重,这会使得弹簧无法被拉伸,飞机 无法完成翻转功能,这就使得测试弹簧的重要性之大。

图 5.5.1 弹簧变形图 Fig.5.5.1 Spring deformation diagram

图 5.5.2 弹簧速度图 Fig.5.5.2 Spring speed diagram

图 5.5.3 弹簧受力图 Fig.5.5.3 Spring force diagram

根据弹簧变形图可以看出弹簧的伸长量最大为 7.25mm,由图 5.5.2 可读出变形速度最 大值为 150mm/s,而图 5.5.3 表明弹簧所受到的力最大值为 1.2x10-4N,由胡克定律:F=kx, 计算得 k=F/x=1.2x10-4/7.25=1.7x10-5 N/mm,对比 Adams 中的弹簧系数 1.63x10-5 N/mm, 二者相差不大,产生误差的原因可能是添加弹簧的两位置不水平,综上,测量数据较准确, 仿真结果理想。

5 结束语
对市场上现有的机械玩具进行测绘, 建模, 装配并做仿真, 无论是对高等机构学的应用, 还是对于玩具的创新设计及改进设计,都具有重要的意义。在建模和仿真的过程中,给出了 一些具体的操作方法,并对玩具飞机的关键部件进行了分析,最后仿真结果也较为理想,这 对于玩具的类似研究会具有一定的参考意义。

致谢

感谢翟宇毅教授对本工作的大力支持,在此表示感谢!

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参考文献:
[1] [2] [3] [4] 张志刚,王硕.仿生机器鱼玩具的机构设计,仿真与实现[J]技术应用,2004(3):21 尹芳,杨路飞,宋少云.基于ADAMS的机械玩具的动力学仿真[J].武汉:武汉工业学院学报,2012年12 月 李立全, 庞永刚.空间五自由度机械手动力学的研究及仿真[J].机械设计与制造, 2009, (9):150-151. Zhuo Kang, Yan Li, Li-shan Kang. Automatic Programming Methodology for Program Reuse.Parallel and Distributed Processing Symposium, 2005 Page(s):52a~52a [5] [6] [7] [8] [9] 美 SolidWorks 著.SolidWorks 基本零件建模[M].北京:机械工业出版社,2005年4月 詹熙达.ADAMS 快速入门教程[M]. 北京:机械工业出版社,2008年1月 胡江雪,马玉峰,李辉.CAXA2006 平面与实体造型[M].北京:机械工业出版社,2006年1月 吕相艳,李建永.关于一种休闲机械玩具马的设计研究[J].科技视界.132301 余麟, 刘昊, 彭光正.五指仿人灵巧手运动学与动力学模型[J].北京理工大报, 2008, 28(10):880-884. 2005 Proceedings. 19th IEEE International04-08 April

[10] 王洪瑞,吕应权.BH—1 灵巧手运动学和动力学建模研究[J].系统仿真学报,1997,9(3):44-50. [11] 靳桂芳.机动玩具设计原理与实例[M].北京:化学工业出版社,2005. [12] 杨可桢、程光蕴.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,2003.

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