基于ADAMS的钻杆夹持机械手的动力学仿真

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Dynamic Simulation for Clamping Manipulator Based on ADAMSWAN Xiaopeng ，SHA Yongbai ，ZHAO Xiaoying(1.Colege of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130025，China；2.School of Information，Changchun Vocational Technical Colege，Changchun Jilin 130000，China)Abstract：The deep wel driling and the super deep well driling need a credible automatic arranging drill pipe system，especiallyhave higher requirements to drill pipe clamping manipulator. CATIA was used to model，an d then it was led into ADAMS for dynamicsimulation. Comparing the simulation data with the theoretical data，correlative problems were discovered and solved. So the design cy-cle Cal be shoflened。

Keywords：Deep well driling and super de印 wel driling；Clamping manipulator；CATIA；ADAMS；Dynamic simulation随着近年来人们对地球内部研究的深入，陆地深井超深井钻探技术愈发受到重视。深井超深井钻探技术需要先进的装备作保证，而钻杆自动排放系统无疑是其中非常重要的-环。钻杆自动排放系统的钻杆夹持机械手由于直接和钻杆相接触，而且作业环境-般比较恶劣，所以夹持机械手的可靠性对整个系统能否安全顺利地作业至关重要。

作者采用三维CAD建模软件CATIA进行钻杆夹持机械手的虚拟建模，然后将模型导人到专业虚拟仿真软件ADAMS中进行动力学仿真，观察各个参数的变化，将得到的数据与理论数据对比，进而分析结构的合理性。

1 夹持机械手的工作原理该钻杆夹持机械手主要由液压缸、滑块、连杆、手指等组成，如图1所示。液压缸收缩通过滑块带动左右两个连杆摆动，进而带动两个手指绕铰点 O ，O：转动，即实现手爪的张合。

该机械爪用来夹持立根，夹持的质量大，并且完全是靠立根与手爪之间的摩擦力来提升立根，故所需的夹持力很大，通过相关计算可得到所需的夹持力大约为N：5.73 kN。下面通过对比动力学分析所得的数据和理论计算所得数据，来检测该结构能否达到所需夹持力的要求。

图 1 夹持机械手的受力简图2 夹持机械手的驱动力分析当夹紧立根时，夹持机械手的受力如图 1所示。

驱动力P通过滑块传递给两个连杆的分力：P2丢 (1)式中：P。，尸2为驱动力传递给连杆的分力。

分别对固定铰点 0 ，0 蓉可求出P ，P2。又由于结构左右对称，现以对点0 蓉为例，可得：收稿 日期 ：2012-06-07基金项 目：国家国土资源部基金项目 (SinoProbe-09)作者简介：万晓鹏 (1987-)，男，硕士研究生，研究方向为流体传动。E-mail：ligederiyue###qq.com。

万晓鹏 等：基于ADAMS的钻杆夹持机械手的动力学仿真 ·143·，日、 r、 然后测量弹簧力随时间的变化情况，同样将其转- 换为 ADAMS/PostProcessor的曲线图，如图5所示。

)，整理可得： 通过 Statistics Toolbar，可 以得 到弹簧 的最 小 力 为， -5.86 kN，即机械爪的最大夹持力为5.86 kN。

最后根据公式 (3)建立测量函数，观察公式杆时取 5。， 60。，。 (3)中夹持力 N随时间的变化情况， 将其转换为(3)，司得： ADAMS/PostProcessor的曲线图，如图6所示∩以(4) 观察到它的最大值为5.21 kN。

处于领先地位的法国达索：维制图软件 CATIA建立模件保存成 iges格式的文件，件转换成 parasolid格式，然至过修饰后得到如图3所示的图3 导入 ADAMS后的模型。 通过固定副 (Fix Joint)固定机械手的空间位置。然善副 (Revolute Joint)；在导(Translational Joint)。在两(取 K180，C0)，实际的，加上弹簧主要是为了方夹持力。最后在导杆末端面至此，整个模型已经可以直时间的变化情况，并将测Processor的曲线图，如图 4做准备。

85.080.0商75·070.0l25 0.0 0.005 o.01 0.015 0.02 0.025时间，s(b)角口 随时间的变化情况· 随时间的变化情况0·0- 1.0- 2.0堇3.0- 4.0-5.0. 6.O5·04.0杂3·02·01.O0.0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.0 0.OO5 0.Ol 0.015 0.02 0.025时间，s 时间，s图5 弹簧力随时间 图6 测量夹持力随时的变化情况 间的变化情况对比发现：理论计算值、仿真输出的最大弹簧力值和测量函数输出的最大力值在误差允许的范围内。

在理论计算中，两个角度的值取的是约数、以及样机本身的重力对弹簧力测量值的影响等因素都是导致误差出现的原因。

通过以上数据，可以看到该机械手能够满足作业要求。同时，通过虚拟样机技术大大简化了产品的设计开发过程，大幅缩短了产品的开发周期。

5 结论在 CATIA中建立机械手的三维模型，然后将模型导人 ADAMS中进行虚拟仿真，发现该机构基本能够满足抓取立根所需的夹持力的要求。同样也可以通过对夹持机械手的动力学仿真，快速发现结构的不合理之处，做出调整后继续仿真，直到满足作业的要求，这样大大提高了机械手的设计速度，大幅减少产品的开发费用和成本，同时还能保证产品的可靠性。