玩具的Adams仿真(机械工程自动化毕业论文).doc 38页

'毕业论文设计（论文）题目：玩具的Adams仿真姓名学号院系专业指导教师年月36 摘要近年来，虚拟样机技术已广泛应用于各个设计制造行业，在玩具设计制造业中同样应用广泛。该技术首先应用计算机三维建模软件，建立玩具系统的三维实体模型，然后利用仿真软件进行分析和评估玩具系统的各项性能，使玩具的设计制造过程实现了柔性化和高效化。这项技术的运用不仅提高了产品的生产效率，还不断为设计者们提供思路改善玩具的各项性能，从而使得研究开发的设计成本不断降低，同时也使得玩具市场更加繁荣。为了适应消费者的需求，研发设计出更新更多种类的玩具产品，虚拟样机技术得到了进一步的运用。随着计算机技术的发展和运用，整个玩具的设计过程不断简化，大大减少了开发成本和设计周期。本课题通过运用UG和Adams对玩具海豚进行运动学的仿真。首先，对海豚玩具进行拆卸、测绘，然后在UG软件中进行三维零件建模并装配，装配完后将其导入ADAMS软件中进行运动学的仿真和分析，通过不断的调试和参数的设定，实现了玩具海豚的运动学仿真。最后，对仿真的结果进行分析和总结，优化设计方案。关键词：虚拟样机三维建模仿真运动学36 AbstractInrecentyears,virtualprototypingtechnologyhasbeenwidelyappliedtovariousdesignmanufacturingindustry,alsowidelyusedinthemanufacturingoftoydesign.Thetechnicalapplicationofcomputer3Dmodelingsoftware,firstestablishasystemofthree-dimensionalsolidmodelofthetoy,andthenusesimulationsoftwaretoanalyzeandassesstheperformanceofthetoysystem,toydesignandmanufacturingprocesstoachieveaflexibleandefficient.Theuseofthistechnologynotonlyimprovestheefficiencyoftheproductsalsocontinuetoprovideideasfordesignerstoimprovetheperformanceofthetoys,whichmakesthedesignoftheresearchanddevelopmentcostscontinuetoreducethemoreprosperous,butalsomakesthetoymarket.Inordertoadapttoconsumerdemand,researchanddevelopmentdesignedtoupdateawidervarietyoftoyproducts,virtualprototypingtechnologyforfurtheruse.Withthedevelopmentofcomputertechnologyandtheuseofthetoydesignprocessissimplified,greatlyreducingdevelopmentcostsanddesigncycle.ThistopicthroughtheuseofUGandAdamskinematicssimulationofthedolphintoy,dolphintoytobedemolished,mapping,andthenUGsoftware3Dpartmodelingandassembly,theassemblyafteritsimportADAMSsoftwarekinematicssimulationandanalysis,debuggingandparametersettings,thedolphinkinematicssimulation.Analyzedandsummarizedtheresultsofsimulationtooptimizethedesign.Keywords：virtual-prototyping，three-dimensional，simulation，modeldebuging，kinematics36 目录摘要1Abstract2目录31.前言41.1课题背景41.1.1玩具在国内的发展及研究现状51.1.2玩具在国外的发展及研究现状71.1.3现状分析91.2所用软件91.2.1UG软件91.2.2Adams软件111.3课题内容132.玩具海豚的测绘和建模142.1玩具的拆卸、测绘142.2玩具海豚的零件建模152.3零件建模的关键技术172.4海豚玩具的零件装配193.玩具海豚的Adams仿真233.1模型的导入233.2零件的重命名243.3模型中约束的施加253.3.1固定副的施加253.3.2转动副的施加263.3.3动力的施加273.3.4碰撞的施加283.4海豚玩具的运动学仿真293.4.1海豚玩具模型的仿真293.4.2模型的测试314.小结34参考文献35致谢3636 1.前言1.1课题背景“玩具”是个很宽泛的概念，广义上讲，任何可以拿来作为娱乐的物品都可以称为“玩具”。而我们要讨论的“玩具”是作为产品的玩具，即工业化批量生产并投入大众消费市场中的物品。随着科技的进步，计算机技术的不断提高和运用，特别是计算机网络的应用与普及不但给各行各业带来了前所未有的生产高效率与管理的规模化与统一化，而且网路也把全世界的人连通到了一起，越来越多的人开始远离体育运动，将大部分的休闲锻炼时间投放到了网络虚拟环境中。据调查，2010年发表的报告显示中国青少年网民规模已经达到1.95亿人，其中74%的青少年使用手机上网，主要是用来上网聊天、听音乐、看电影、玩游戏等，大部分时间用来娱乐[1]。如何让青少年有一个更健康的生活方式，这个问题急待解决。一个现实中具体存在的玩具对青少年来说是一个很不错的选择，对于处在智力开发期的孩子来说，更是首选。中国玩具以历史悠久、分布地区广阔和品种丰富著称于世，在社会生活中发挥着独特的作用。玩具在漫漫的发展过程中与其他社会科学领域碰撞出各种火花。因此，玩具的研究开发工作不可避免的涉及美学、儿童心理学、商品学科的内容[2]。如果要在玩具的研究过程中搞清这些复杂的联系和作用，那玩具的研究不仅为其他社会学科提供重要的资料和线索，还会丰富和完善各学科的内容。社会在飞速地发展，人们对物质文化的需求不断地提出了更新的要求。玩具在人类社会生活中占有重要的位置。当代玩具的发展离不开对传统玩具的继承与革新、玩具的丰富内容和多样形式为中国当代玩具的生产提供了坚实的基础，对各种玩具的深入研究有助于玩具事业的兴旺发达，将为当代玩具的民族化、现代化提供理论依据[3]。从上述分析，开展对玩具的研究不仅仅有利于玩具自身的发展，而且对美学的研究、对社会科学的研究、对促进民族艺术的发展，都有现实的意义。36 1.1.1玩具在国内的发展及研究现状玩具的娱乐和教育两大功能越来越受到消费者的密切关注，家长所要求的玩具不仅要是孩子的亲密玩伴，而且必须是他们成长的良师益友。这样的认识已经在众多玩具购买者和消费者的心目中确立，因而国内外对玩具功能的研究都在不断的探究和技术的更新[4]。同时玩具不只是儿童的专利，成年人也需要玩具。于光远同志指出：“一个人活到老，学到老，也玩到老。玩是人生的基本需要之一。人的一生，从出生、儿童少年、成年到老年都需要玩。”早在春秋战国时期，孔夫子就在《论语》中说过：“饱食终日，无所用心，难矣哉！不有博弈者乎，为之犹贤乎已”。说明这位圣人也是赞成玩的。清代的大汕厂翁在其《海外纪事》中说：“人各有为适情之具，诗、书、六艺而外，以及品茶、饮酒、钩弋、声色、陆博，凡所以引人耳目口体之交者，不一而足[5]。盖血肉之躯，顽然独守，使五官四肢，绝不与物接，则气脉郁结不得流利，天机已将沉滞于枯寂而不复发扬。是则适情之具，外可以运行气脉，内可以发越天机，而为人之助者不。”他明确指出游戏不仅能满足人们的娱乐，而且于身体、大脑智力的开发都是有益的。玩学家的理论则认为：玩是人的普遍性行为，是一种情感宣泄；是对生活或工作中各种事务的模仿；是人的经历和经验的重复；是一种心理满足；是人类认识一切客观事物及其发明创造的前提条件。玩是建立在闲暇基础上的行为情趣，是人的一种本能的必需。人在玩中成长，认识客观事物，激励进取和创新精神。而玩的重要工具之一就是玩具。好的玩具，又为玩好创造好的条件，玩的更精彩、更有意义。因此，玩具文化是人们一生中需要的一种独特的教育方式，是中华文化的传播工具之一。于光远同志为此曾在1988年写的《玩具（大纲）》和1996年写的《补充》中提出将玩具作为系统的教材。他建议集中心理学、教育学以及百科知识的专家共同研究编写这部教科书，其内容应包括：校前教育、小学部分、中学部分、大学部分、校后部分和老年部分[6]。中国玩具文化源远流长，远在新石器时代就出现了人类原始的玩具，如石球、陶埙、陶哨等。随着中华民族经济、科学技术、文化艺术的不断发展和提高，创造出了许多绚丽多彩、精巧迷人的玩具。它反映出我国一定历史阶段的经济、科学技术、文化艺术以及人们生活条件的发展面貌，具有鲜明的民族特色[7]。36 是中华文化优秀传统的组成部分，在中华文化发展史上占有独特的地位。有些玩具甚至成为世界科学技术和文化艺术发展的先驱或启萌。在促进人们身心健康成长、丰富人们的生活内容、增长知识、陶冶品德、勇于追求和创造方面起了积极的作用，成为人们文化娱乐生活中不可或缺的重要内容之一。具有很强的生命力，流传至今，并创出辉煌。我国玩具行业是从上世纪80年代后发展起来，70%以上还是来料加工和来样加工，自主开发和创新的能力不强，能够以自创品牌出口的还为数不多，要从依附式发展转向自主式发展还需要一定的过程[8]。目前在我国，玩具产业的强大生产能力和相对薄弱的设计力量形成了鲜明的对比。我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[9]。我国现有玩具企业2万余家，从业人员超过400万，年产值1000多亿元，产量占世界总产量的70％以上，其中,广州的产值达300亿元。2005年全国玩具出口额达150多亿美元。广东、江苏、浙江、上海、山东和福建这五省一市历来是中国玩具最重要的生产和出口基地，占中国玩具年销售额的95％以上，其中广东占中国玩具年销售额50％以上，其主要生产基地在深圳、东莞以及沿海地区[10]。随着我国经济迅速发展，人们的经济收入不断增加，物质文化生活不断改善和提高，人们的休闲时间的延长（每年的假期达一百多天），离退休的中老年人日益增长（60岁以上的人口已达到1.33亿人）。加之现代化社会工作节奏日益加快，竞争激烈，脑力劳动强度加重，生活压力不断增大。人们日益需要更多的娱乐和休闲的活动空间，借助某种形式把紧张的脑力劳动和生活压力发泄出来，使身心得到轻松自由和安怡，以玩具作为休闲娱乐工具，与亲人、朋友作戏，或自己欣赏把玩，或作为社会交往中互相赠送的礼物，有的还作为收藏品等等，正好适应了上述需要。从20世纪90年代末，社会对玩具礼品的需要日益增长，并渐成风尚。成人玩具与儿童玩具不同，它更具挑战性、更为复杂，玩起来颇需要些毅力、耐心和好的心理素质，它潜在的好处不仅仅是精神放松，更能启迪思路，开拓思维[11]。在北京、天津、上海、成都、泉州、佛山等一些城市，玩具吧、成人玩具柜台、玩具酒吧悄然兴起，并逐渐火热起来。36 进入21世纪，成人玩具将会成为玩具工业的又一个新的经济增长点。事实上，美、日等主要玩具消费国，成人玩具早已受到重视。据报载：美国市场上40%以上的玩具是为成人设计的。前几年在市场上掀起的电子宠物购买热潮，也是以成人为主要对象设计的。因此进入21世纪，我们除了继续重视和大力发展儿童少年所需要的玩具外，也要把成人玩具的发展重视起来。努力开拓创新，使我国玩具文化全面实现对人们的独特教育方式和文化传播工具的作用[12]。近年来，国际油价持续攀高，与石油相关的原材料价格亦随之上扬，塑料价格较年前上涨30%-40%。而一件玩具中，塑料成本大概占据总成本的60%-70%，这大大增加了塑料玩具的生产成本。这就要求生产企业必须跨越原料价格高涨、贸易壁垒和3C认证等重重障碍。有人认为，国内玩具企业面临着如此多的困难，制约其发展的主要因素可以归结为质量不高和技术含量低[13]。据此，我们不难找到解决难题的路径：研发符合安全和环保要求的产品；利用科技创新，提高产品附加值，并向高档化迈进。在这种情况下，计算机仿真技术的运用就显得尤为重要。它可以很好的解决我国玩具目前面临的一些问题。作为一个发展中国家，特别在电子信息方面相比西方发达国家还有一定的差距，发展计算机技术是我们必经的路。1.1.2玩具在国外的发展及研究现状美国是中国传统玩具出口的主要市场，美国进口玩具的70%以上来自中国。但美国市场上的中国玩具绝大部分打的是国外品牌，中国只是加工生产。出口金额虽然不小，但出口收效仅限于加工费。因此，研究美国玩具市场的特点，对我国玩具出口意义重大。在2001年美国经济出现衰退和受到“9.11”恐怖事件的严重影响，但美国玩具业仍呈发展态势，玩具销售总额比上一年增长10%，其中传统玩具销售额比上年增长1.7%，电子游戏玩具增长43%。从这一点上看，研究美国玩具市场的特点，对我国玩具出口意义重大[14]。美国堪称世界第一大玩具市场，具有三大特点：一、玩具进口量占世界的1/336 ：美国玩具市场80%以上的产品从国始将生产基地转移至海外，先是日本，然后是台湾、韩国以及其它亚洲国家。到80年代中期，中国开始成为美国玩具业的主要生产地。美国本土玩具外进口。玩具生产是劳动密集型产业，美国玩具业从上世纪50年代开企业主要从事产品开发与市场行销，部分从事科技含量高的高档玩具的研发。2000年，美国进口玩具133.86亿美元，2006年进口玩具168.45亿美元，年均增长率4.3%。2006年从中国进口145.24亿美元，占美国总进口的86.2%。美国前五大玩具进口地，除中国以外，分别是日本、墨西哥、香港、台湾。前五大玩具进口，占全美玩具进口总额的95%。越南玩具对美出口增长很快，2000年时只有30万美元，2006年有近三千万元，增长了100倍。目前它在美国玩具进口地中名列14，但今后很有可能超过香港、台湾。二、玩具零售总额居世界各国之首：平均每年销售各类玩具30亿件，2006年零售额达到223亿美元，占全球市场670亿美元的三分之一。而全亚洲只有162亿美元，全欧洲为192亿美元。美国是全亚洲的1.38倍，全欧洲的1.16倍。三、玩具人均消费水平最高：美国有14岁以下儿童6300万，人均年消费287美元。相比之下，亚洲有十亿零八千一百万儿童，人均年消费只有15美元。欧洲有一亿一千三百万儿童，人均年消费也只有169美元。美国玩具消费水平是亚洲的19倍，欧洲的1.7倍[15]。美国社会高度重视玩具安全。联邦政府1969年颁布了“保护儿童和玩具安全法案”，该法案与1973年颁布的“消费者产品安全法案”一并成为美国玩具安全的法律框架，由美国消费品安全协会（CPSA）负责监控。一旦发现危及儿童安全的产品（如易燃、漏电、涂料含铅、零件脱落造成儿童吞噎等），CPSA与经销商都会主动发布公告“召回”（Recall），否则政府会处以重罚，受伤害的赔偿诉讼都会达到上千万美元[16]。美国儿童对玩具“喜新厌旧”的速度很快，玩具产品的生命周期一般不超过一年，其实主要集中在圣诞节销售期中的三个月。除游戏机、玩具车类产品，儿童在购买玩具后的“新鲜感”甚至不超过一星期。因此，经销商必须不断的更新玩具货架，设计师必须不断的改进老产品、开发新产品[17]。中国作为世界最大的玩具生产基地，有8000余家玩具企业，300万从业人员，与美国玩具市场己有了千丝万缕的关系。因此，不能不对美国玩具市场的特点有一个全面了解，而这也是中国玩具业制订应对世界玩具市场变化策略的重要依据[18]。36 1.1.3现状分析鉴于上述特点，建议我国应从以下几方面拓展玩具市场：一、鉴于我国产玩具对美国玩具市场的依赖程度很高，我国只有高度重视对美国玩具市场不断拓展，技术的提高，才不会对我国出口贸易特别是对美出口产生负面影响。二、在重视玩具加工的同时，要注意开发中国特色的玩具，以提高玩具业的经济效益。中国产玩具与中国某企业具有知识产权的玩具是不同的概念。只有注重开发生产有特色的中国玩具或具有自主知识产权的玩具，才能从根本上提高我国玩具业的经济效益[19]。三、密切关切玩具市场变化，不断革新玩具产品。产品的革新、创造是玩具业成败的关键。2001年美国玩具业许多成功的典范均与及时抓住市场机会进行玩具发明创造有着密切的关系。比如电影侏罗纪公园III、哈利波特、指环王等的发行，使孩子们对电影里的人物产生了浓厚的兴趣，玩具商及时抓住这一市场机会，发明创造了许多仿电影人物，结果去年美国此类产品的销量比2000年猛增36.2%。“9.11”事件以后，美国人人都在颂扬英雄，孩子们也一样，他们争相购买仿英雄人物的玩具，从而使这类玩具畅销全美[20]。1.2所用软件玩具海豚的设计过程中，需要进行三维建模和动态仿真。随着计算机技术的发展和虚拟样机技术的应用，各种软件日新月异，结合在校软件的学习，最终我们采用UG和Adams来进行工作，下面简单介绍所用的软件。1.2.1UG软件UnigraphicsSolutions公司(简称UGS)是全球著名的MCAD供应商,主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。其主要的CAD产品是UG。36 UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来，UGS一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商DENSO公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如Navistar、底特律柴油机厂、Winnebago和RobertBoschAG等。另外，UGS公司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过10,000套UG软件；在俄罗斯航空业，UG软件具有90%以上的市场；在北美汽轮机市场，UG软件占80%。UGS在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如Pratt&Whitney和GE喷气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有：B/E航空公司、波音公司、以色列飞机公司、英国航空公司、NorthropGrumman、伊尔飞机和Antonov。UG具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑等。UG还有很多优点，其中部分特点的优势性在此次建模中课有所体现：1、建模的灵活性复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线——可直接利用实体边缘。几何特征：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式。光顺倒圆:业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。2、协同化装配建模可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计/编辑，高级的装配导航工具，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置，对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色，强大的零件间的相关性，配对条件，零件间的表达式（关系），协同化团队工作，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件，36 3、直观的二维绘图对制图员来讲，简单并富于逻辑性，剖视图自动相关于模型和剖切线位置，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成，自动隐藏线消除，自动尺寸排列——不需要了解设计意图，自动工程图草图尺寸标注。4、集成的数字分析机构运动学分析，硬干涉检查和软干涉检查，运动仿真和分析，动画过程中的动态干涉检查。5、广泛的用户开发工具用户命令宏，高级编程语言，可自定义裁剪的用户界面6、内嵌的工程电子表格可与其他表格软件交换数据，可简便定义零件系列，可方便修改表达式，可生成扇形图、直方图和曲线图等。7、照片真实效果渲染利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间，快速成型。1.2.2Adams软件ADAMS，即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。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。36 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和WindowsNT/2000版。本书将以Windows2000版的ADAMSl2.0为蓝本进行介绍。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。ADAMS全仿真软件包是一个功能强大的建模和仿真环境，它可以对任何机械系统进行建模、仿真、细化及优化设计，应用范围从汽车、火车、航空航天器一直到盒式录像机等。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。ADAMS软件将强大的分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，使该软件使用起来既直观又方便，还可用户专门化。采用MD方案，企业可以为它的研发工程师提供一个灵活的、共享的环境，同时使用MSC软件公司一整套“企业因各种原因继续制造和测试物理样机，包括满足调测要求等，测试物理样机可以得到在真实世界里复杂相互作用等性能。相反，许多虚拟样机的测试却因采用不同的软件工具而只能得到某些指定的参数而丢失了一些重要的有依赖关系的性能参数。”RezaSadeghi，MSCSoftware公司的首席技术官说：“我们MD的方案排除了单点技术的弊端，为本田研发中心提供了最佳的平台，用于建立更为复杂的虚拟样机，更加真实地反映真实世界的结果”。ADAMS软件的特点如下：1、利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模型。2、分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析。3、具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。36 4、具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。5、具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。6、具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。7、自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线图形。8、可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。9、支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通讯。1.3课题内容1、照相，拍摄视频，对玩具海豚进行拆卸。2、测绘。为玩具的建模和装配提供必要的制图尺寸和定位尺寸。3、用UG对所有零件进行建模。4、在装配图中添加新的组件，对所有零件进行装配。5、将装配好的模型导入到ADAMS中，施加约束，构造运动学模型。6、在ADAMS中对玩具做运动学分析。36 2.玩具海豚的测绘和建模2.1玩具的拆卸、测绘玩具海豚是由若干个零件装配而成的，为了建模、仿真，首先必须进行拆卸，测绘，得到建模所需的尺寸。因此，在对实体测绘之后，首先对玩具海豚各个部件进行拍照，然后将照片带入CAD中进行标注，确保与实际测量的尺寸一致。下面就给出玩具海豚的零件图，并附带一些重要的尺寸：图1海豚整体图图2头部图3头部下底盖图4头部上盖36 图5连杆图6发条箱图7前轮图8尾巴2.2玩具海豚的零件建模UG提供了强大的基于特征的实体建模功能，用户可以通过拉伸特征、旋转特征、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作实现产品的设计，方便地添加特征、更改特征以及将特征重新排列，对特征和草图进行动态修改，并通过拖拽等方式实现实时修改设计。36 其特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，具有工程上的意义；因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以是常数，也可以是代数式；若一个特征的变量参数发生变化，则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化，与这个参数有关的内容都自动改变，用户不需要自己修改。对于零件的建模，尤其是像玩具海豚这样曲面造型不是很复杂时，在掌握了UG的基本操作之后就基本上没什么问题了。需要注意的是装配尺寸，必须要保证零件能够装配好，如下图所示：图9头部上盖图10头部下底盖图11发条箱图12发条轮图13连杆36 由于尾巴分为3节，故在此先给出装配后的尾巴效果图，然后再将每节的尾巴建模图形展示出来，如下所示：图14尾巴全图图15尾巴1图16尾巴2图17尾巴32.3零件建模的关键技术玩具海豚结构比较简单，部件不多，运动也比较单一，建模时要留意配合零件之间的尺寸。个人认为建模过程中的难点有两个：一是对上盖的建模；二是对尾巴的建模，尤其要注意对尾巴摆动幅度的控制。下面就对其中一些关键点进行概述：36 对上盖进行建模时，由于涉及到曲面，故在此应用了扫掠功能，然后进行抽壳完成建模。首先，以海豚的对称中心建一个基准面，在此基准面上绘制出海豚的大致侧面曲线；然后完成草图，在依次建4个基准面，绘制出海豚的实体结构。同理，对于海豚的上鳍也是用了的方法。需要注意的是此处的曲线必须要封闭，否则无法完成扫掠。绘制图形如下所示：图18海豚上盖轮廓曲线图1）在扫掠对话框选择曲线项，然后依次选取身体的四条封闭曲线，再选取海豚的轮廓曲线为引导线，预览可以看见其效果图如下：图19上盖头部扫掠图2）点击应用即可得到上盖的大致模型。同理对海豚上鳍操作也是一样，下面直接给出效果图：图20鳍的扫掠图36 通过扫掠得到两部分实体，然后抽壳，求和，就得到上盖的整体模型：图图21海豚头部扫掠效果图对尾巴建模时，同样也是使用扫掠来完成。操作步骤基本一致：1）创建基准面；2）绘制轮廓曲线和引导线；3）进行扫掠操作来完成。具体的过程这里就不再赘述了，而对尾巴摆幅控制不好就会在后面的仿真中带来麻烦，因此尾巴1和下底盖连接的那部分尺寸尤其重要，同时尾巴截面的曲率也有一定的影响。2.4海豚玩具的零件装配根据装配体和零件之间的应用关系，可以有3中创建装配体的方法，即自顶向下装配、自底向上装配和混合装配。自顶向下装配，是指首先设计完成装配体，并在装配中创建零部件模型，然后在拆成子装配体和单个可以直接用于加工的零件模型。自底向上装配，是指首先创建零部件模型，在组合成子装配，最后生成装配部件的装配方法。36 混合装配是将自顶向下装配和自底向上装配组合在一起的装配方法。例如，首先创建几个主要部件模型，再将其装配在一起，然后在装配中设计其他部件，即为混合装配。海豚玩具的装配过程（自底向上）：添加海豚玩具组件到装配体后，还要确定各组件之间的配对关系，以确定组件的装配位置。在整个装配过程中运用了装配、角度、平行、相切等装配方式。在装配过程中，选取配对对象的顺序不同，其配对结果一般也不相同。通常情况下，选取的第一个对象的位置和姿势保持不变，其他对象相对于第一个进行调整。装配过程：先在UG装配界面中导入下图所示底板零件固定。然后依次添加发条箱、发条轮、前轮、连杆等零件，如下所示图22头部下底盖图23发条箱的装配图24发条轮的装配图25前轮的装配36 图26连杆的装配接着就是依次添加3节尾巴和3个后轮，如图所示：图27尾巴1的装配图28尾巴2的装配图29尾巴3的装配36 最后添加上盖全部装配完成如图所示：图30装配完成图玩具海豚采用自下而上的装配方法，下盖与发条箱、上盖与下盖都是通过定位尺寸来约束定位的。而3节尾巴都通过转动副与相邻的部件装配在一起，每个轮子也与相邻部件构成转动副装配起来。具体过程在上述装配图中可以清楚看出。36 3.玩具海豚的Adams仿真3.1模型的导入首先从UG中导出玩具海豚的x_t文件，保存在桌面。然后打开Adams，将该x_t文件导入，具体如下：在UG总装配图中单击导出命令，在Parasolid对话框中，选中装配体后单击【确定】，此时文件已经以x_t文件的格式保存在了桌面上；然后进入Adams界面，在filetype中选择有bin的文件格式，在filetoread中选到保存在桌面的haitun.x_t文件，在modelname创建一个model1。点击ok便可将文件导入到Adams中，导入界面如图所示：图31玩具海豚导入Adams中36 3.2零件的重命名装配图导入Adams中之后，需要对其中的零件进行重命名，方便后面工作的顺利进行。同时，对于建模时产生的多余的部件可以将其删除。具体步骤如下所示：1）打开body下拉菜单；2）选择其中一个部件，点击鼠标右键；3）将光标移至rename处点击左键便可重命名。图32零件重命名方式1当然也有另外的一种做法：将光标移至需要改名的部件上，点击鼠标右键，选择正确的部件，将光标移至rename便可以开始改名，如图所示图33零件重命名方式236 3.3模型中约束的施加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。Adams2012界面十分人性化，对约束的施加也十分方便，各种施加约束的对话框都显示在界面之中，各部件间的约束关系如表格所示：3.3.1固定副的施加在Adams仿真过程中，需要固定的地方有三个，包括地面、上盖与下盖、下盖与发条箱，具体步骤如下：1）打开Adams界面，将鼠标移至connectors，点击鼠标左键；2）在界面中点击，然后将以此选取要固定的两个部件。效果图如下所示：图34施加固定副36 3.3.2转动副的施加玩具海豚存在的转动副较多，总共有8个，除了五个轮子之外，每节尾巴都存在一个转动副，操作界面如下：图35施加转动副操作步骤比较简单：首先点击鼠标左键，将两个部件分别选到，然后就是选择转动中心轴。注意中心轴的选取需要尝试，将光标移至大致的地方，在显示出部件center等字幕后可开始选取，操作图如下：图36发条轮与发条箱间的转动副36 3.3.3动力的施加玩具海豚的动力只有一个，它由发条箱内齿轮间的相互啮合传动所产生，然后将动力传递给发条轮、连杆，进而带动尾巴摆动。此处为了降低仿真的难度，故将模型简化，直接将动力施加在发条轮上达到预期的效果，具体操作界面如下所示：图37施加动力转动的速度给出的是30，其效果图如下所示：图38发条轮动力的施加36 3.3.4碰撞的施加在玩具海豚中，两个相互接触的部件间均需施加碰撞，总共施加的碰撞有11个，操作界面如下所示：图39施加碰撞部件的选择通过点击鼠标右键，contactsolid，然后pick进行选择，该下拉菜单中还有关于摩擦力是否添加的选项，在与地面接触的轮子中需要添加摩擦力，其他的则不需要，关于摩擦系数等默认值在界面中会有所显示，将动态摩擦系数设为0.1，静态摩擦系数设为0.3，操作界面如下所示：图40施加摩擦力36 3.4海豚玩具的运动学仿真3.4.1海豚玩具模型的仿真在完成了前面的改名和施加约束之后，要完成仿真过程还需要进行一些其他的设置，包括设置重力、运动时间、步径等，下面就首先介绍这些基本设置，然后来进行运动仿真。1.首先设置重力，沿Z轴正方向将重力加速度设为9.80665N/S2，如下所示：图41施加重力,2.接着设置Endtime和Steps，将模型运动时间设为20s，仿真步数设为100，如下所示：36 图42参数设置3．由于玩具的材料为聚苯乙烯，为了使玩具有更好的运动效果，故将玩具的密度设定为1050kg/m3，操作视图如下：图43材料密度设定此时点击开始按钮，开始玩具海豚模型的仿真：图44运动仿真图36 3.4.2模型的测试玩具海豚是一件比较普通的玩具。头部的结构十分常见，这里就不多加研究，尾巴结构虽然简单，但是很巧妙，包括尾巴摆幅的控制以及每一节尾巴的连接方式都很有讲究。因此，对于尾巴我们选择对第一节做摆动角度的测试，对第二节做相对摆动角速度的测试。1、尾巴1摆动角度的测量选择尾巴1与头部下盖之间的转动副，选择joint4，点击鼠标右键，选择measure，出现如下对话框，在jointmeasure对话框中进行参数的选择：图45尾巴1摆动角度的测量点击ok，获得尾巴1摆动角度的曲线图：图46尾巴1摆角曲线图36 从曲线图中很容易看出，尾巴1摆动的最大角度为11.37度，当然这与实际的摆动角度可能有些出入，主要原因是在尾巴建模上与实体有些出入，但是这并不影响仿真的过程。2、尾巴2相对摆动角速度的测量同样选取尾巴1与尾巴2间的转动副，点击右键选择measure，出现如下对话框，如图所示：图47尾巴2摆动相对角速度点击ok可获得尾巴2相对尾巴1摆动角速度曲线：图48尾巴2相对角速度曲线图这里测的角速度实际上是尾巴1与尾巴2之间的相对角速度，从图中很容易看出，在启动阶段，二者相对角速度逐渐增大；等到动力传递到尾巴3之后，两者相对角速度又减小，基本上呈周期性变化。3、尾巴3相对摆动角加速度的测量选取尾巴2与尾巴3之间的转动副，点击右键选择measure，出现如下对话框，如图所示：36 图49尾巴3摆动相对角加速度点击ok，获得尾巴2与尾巴3摆动相对角加速度曲线图：图50尾巴3相对角加速度曲线图从图中显示，尾巴2与尾巴3之间的相对角加速度变化很快，使得它们的相对角速度在特定时间段也会发生骤变，这与仿真过程也是一致的。36 4.小结玩具海豚经过拆卸、测绘，在UG中建模，在Adams中进行运动学仿真。在整个过程中，通过对各种参数的调节，以及不断的建模和导入，经过不懈的努力最终完成了海豚玩具的运动学仿真。在仿真过程中遇到了一些问题，主要还是跟玩具海豚的尾巴有关：1）在建模初期，尾巴1与头部的距离不够，导致在仿真时尾巴摆动时与头部干涉。其实尾巴1的摆动不仅与距离有关，同时还与尾巴的造型有关，尾巴弧度的增加会大大影响其摆幅，这在建模之前需要一定的计算，同时还要考虑尾巴与头部的碰撞，所以随意的建模很容易导致仿真的失败；2）由于尾巴有3节，因此每节的摆动相互之间都有影响。起初第二节尾巴的建模上与实际模型有点差别，即将第2节尾巴伸出的固定转动副错误地装在第三节上，刚开始我并没有想到这会对仿真造成影响，然而在仿真过程中却导致2、3节尾巴摆到一边后无法摆回来。在修改模型之后，结合实体的运动，本人发现尾巴2在带动尾巴3摆动的过程中起到至关重要的作用，这并不是随意添加一个转动副就可以的；3）由于海豚的轮子较多，尤其好几个在同一条直线上，因此必须轮子必须共面，特别是不要让发条轮脱离地面，必须保证动力输出。社会在飞速地发展，人们对物质文化的需求不断地提出了更新的要求。玩具在人类社会生活中占有重要的位置。当代玩具的发展离不开对传统玩具的继承与革新、玩具的丰富内容和多样形式为中国当代玩具的生产提供了坚实的基础，对各种玩具的深入研究有助于玩具事业的兴旺发达，将为当代玩具的民族化、现代化提供理论依据。因此，在对海豚玩具的研究设计是很有意义的。36 参考文献[1]、张庆功，马晓丽，周兆忠.基于ADAMS软件的摆动导杆机构的运动学分析.2008[2]、王沫楠，王立权，孟庆鑫，袁鹏，于艳爽.基于ADAMS软件两栖仿生机器蟹的动力学建模与仿真.2003[3]、朱海荣，彭海英，熊义强，王群辉.基于ADAMS的往复活塞式压缩机运动机构仿真研究.2010[4]、王树逵，田宗远，张小锋，居海军.基于ADAMS的足行马机构的动力学仿真2009[5]、刘义翔，李瑞峰，李东婉.应用ADAMS软件对点焊机器人大臂机构进行动力学仿真研究.2001[6]、阮鹏，俞志伟，张昊，张晓峰，戴振东.基于ADAMS的仿壁虎机器人步态规划及仿真.2010[7]、周俊龙，吴铭.应用ADAMS/CAR对轿车悬架系统进行建模仿真.2001’ADAMS软件中国地区用户年会论文集[8]、李精湛，朱敏杰，王力，詹文章.夏利TJ7100U轿车动力学仿真分析.2001’ADAMS软件中国地区用户年会论文集[9]、任卫群，张云清，杨玉良.ADAMS在汽车操纵稳定性分析与设计中的应用.1998’ADAMS软件中国地区用户年会论文集[10]、濮良贵，纪明刚.1960.机械设计，高等教育出版社[11]、孙田文，崔子伟，袁琦.基于ADAMS对下摆式递纸机构的动力学研究.2008[12]、张春山.基于ADAMS抓斗机构运动和受力分析.2011[13]、郝云堂，金烨，季辉.虚拟样机技术及其在ADAMS中的实践.2003[14]、靳桂芳.机动玩具中凸轮机构的设计特点与应用.2005[15]、吕原军，楼敏，周林航，周理静.基于ADAMS的四足机器人仿真.2006[16]、MechanicalDynamicsInc.RoadMaptoADAMS/EngineDocumentation，2000[17]、MechanicalDynamicsInc.RoadMaptoADAMS/FLEXDocumentation，2000[18]、MechanicalDynamicsInc.RoadMaptoADAMS/HydraulicsDocumentation，2000[19]、MechanicalDynamicsInc.RoadMaptoADAMS/InsightDocumentation，2000[20]、MechanicalDynamicsInc.UsingADAMS/PostProcessor，200036 致谢在完成论文时，我要由衷地感谢在这次毕业设计中给予我帮助和支持的指导老师、学长以及周围的同学们。首先，真的很感谢曹老师对我的支持的帮助。今天毕业论文的顺利完成，离不开曹老师的热心帮助。因为老师的鼓励，我才摆脱了一次次的灰心丧气，让我有了更加坚定的克服困难的毅力和决心。其次，要感谢同组的同学们，是大家的共同努力和坚持才有了我今天论文的完成；最后，要感谢寝室的兄弟，是你们给我提供了一个搞毕业设计的良好氛围，同时在建模和仿真中也很感谢你们提供的帮助。36 36'