1 虚拟样机技术
（1）虚拟样机技术的基本概念
虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中, 将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD 和FEA 技术) 糅合在一起, 在计算机上创建出产品的整体模型, 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析, 预测产品的整体性能, 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 （2）虚拟样机技术常用软件 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争, 比较有影响的有美国机械动力学公司(M echan ical Dy2nam ics Inc1) 的ADAM S、比利时LM S 公司的DADS以及德国航天局的S IM PACK。其中美国机械动力学公司的ADAM S 占据了市场的50% 以上。其它的软件还有Wo rk ingModel、Fo lw 3D、IDEA S、Phoen ics、A n2sys、Pam crash 等等。由于机械系统仿真提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求, 通过建立机械系统的模拟样机, 使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能, 因而其日益受到国内外机械领域的重视。2 ADAMS软件
该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。国外的一些著名大学也已开设了介绍 ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是由美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机——电——液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以DAMS软件的课程，而将三维CAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。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软件占据了销售总额近8千万美元的51%份额。
ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，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机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果: (1)分析时间由数月减少为数日； (2)降低工程制造和测试费用； (3)在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案； (4)在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量； (5)当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真； (6)缩短产品的开发周期。 使用ADAMS建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单元库，用户快速地建立系统的模型。ADAMS与先进的CAD软件(UG, PRO/E)以及CAE软件(ANSYS)可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性。ADAMS软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统参数优化提供了一种高效开发工具。 ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块:ADAMS/View基本环境、ADAMS/Solver(求解器)和ADAMS/Postprocessor(后处理)。另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块，例如:ADAMS/Car(轿车模块)、ADAMS/Rail(机车模块)、ADAMS/Driver(驾驶员模块)、ADAMS/Tire(轮胎模块)、ADAMS/Linear(线性模块)、ADAMS/Flex(柔性模块)、ADAMS/Controls(控制模块)、ADAMS/FEA(有限元模块)、ADAMS/Hydraulics(液压模块)、ADAMS/Exchange(接口模块)、Mechanism/Fro(与Pro/Engineer的接口模块)、ADAMS/Animation(高速动画模块)等。 在3个基本解题程序模块中，ADAMS/View提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。自ADAMS9.0版本开始，ADAMS/View采用了Windows风格的操作界面和各种操作习J惯，使得ADAMS/View9.0版以后的程序操作界面非常友好。 ADAMS/Solve:是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准备工作以后，ADAMS/View程序可以自动地调用ADAMS/Solver模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回ADAMS/View操作界面。因此，一般用户可以将ADAMS/Solver的操作视为一个“黑匣子”，只需熟悉ADAMS/View的操作，即可完成建模和整个分析过程。 ADAMS仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块ADAMS/Postprocessor来完成。ADAMS/Postprocessor:模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外，ADAMS/Postprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算;可以输入实验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较;可以进行分析结果曲线图的各种编辑。 一般ADAMS分析功能如下: (1)可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩;还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。 (2)利用ADAMS可模拟大位移的系统。ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程，而且可进行线性近似。 (3)可分析运动学静定(对于非完整的束或速度约束一般情况的零自由度)系统。 (4)对于一个或多自由度机构，ADAMS可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析。 (5)有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。 (6)利用ADAMS/VIEW提供的控制工具箱或ADAMS/Control与MATLAB一起可以方便地进行机电一体化系统仿真。DADS与ADAMS同属机械系统动态仿真软件，两者的原理和功能相似。但ADAMS软件是专门针对汽车及悬架开发，在模拟和仿真汽车及悬架系统方面比其它的软件方便得多 。3 手部模型的建立
由于较复杂的模型在ADAMS中难以建立.所以对所建立的模型做如下简化和假设：
（1）机械手中所有零部件都认为是刚体。（2）零部件之间的所有连接都简化为铰链。内部间隙不计；（2）各运动副内的摩擦力忽略不计。 由于本文所设计的手部机构难以用来建模，因此选用它的等效机构进行运动仿真。将机械手的手部抽象出来，对其进行建模，如下图1所示。
图1 机械手约束副图
本图创建的是机械手的运动模型，夹持点到手指旋转点的距离为100mm,通过旋转副，直线副，固定副来约束机械手的各部件，再给活塞杆一个驱动力，可以实现手部直线运动带动手抓张合运动。 对于手部的运动仿真，为避免机构自锁，应考虑活塞杆的实际运动范围，本设计中，活塞杆的运动范围是34mm。 下图2是手部的张开过程仿真。(a)
(b)
(c)
图2
对机械手的张开进行仿真后，可以用曲线的形式输出仿真结果。在ADAMS/View中可以测量模型的任意参数，如：物体任意点的位移、速度、加速度等，约束副的相对位移、相对速度、相对加速度以及所受的力和力矩等。下面分别对机械手的活塞杆进行力、速度、加速度、位移进行曲线输出。 该曲线图是在一个恒定的驱动力的作用下，设置时间为5秒，如图3所示图3
设置时间为5秒，加速度变化曲线图如图4所示图4
设置时间为5秒，速度变化曲线图如图5所示
图5
以下为活塞杆的位移变化曲线图，设计时间为0.5秒，如图6所示
图6
