Delta并联机构在ADAMS仿真中的运动副设置

一、Delta机构分析：

Delta并联机构由固定平台、浮动平台以及连接固定平台与浮动平台的三条完全一致的支链，其中每一条支链都由主动杆和被动杆组成，被动杆是由两条长边和两条短边组成的平行四边形机构。三条支链在固定平台以及浮动平台上都以120度角均匀分布。固定平台与主动杆通过旋转副连接，主动杆与从动杆通过旋转副连接，从动杆与浮动平台也通过旋转副连接。其中组成从动杆的平行四边形，其四个关节处也是通过旋转副连接。从机构上分析，Delta机构的固定平台与浮动平台之间有三条支链，组成了一个闭环。而在支链内部，从动杆又由一个平行四边行组成，也是一个闭环。

二、ADAMS中仿真的步骤：

1.在Solidworks中建好Delta机构的三维模型后，另存为Parasolid格式的.x_t文件。然后把.x_t文件导入ADAMS中，保存为.bin格式的数据库文件。

2.在ADAMS中，先要对各Part进行重命名，这是因为在Solidworks中可能对同一个零件进行了多次装配。因此在ADAMS中会使这些零件Part名相同，从而导致只能选择一个Part。而对零件进行重命名就不会再出现这个问题。

3.之后把固连在一起，材料属性又相同的零件通过布尔或运算合并在一起，生成一个Part，这有利于后面对零件进行材料属性的赋值。因为如果不把这些零件合并在一起，则需要对每一个零件都进行一次材料属性的赋值，此后还得对这些结构上固连在一起的零件进行固定副的设置。而合并在一起后多个零件就成了一个Part，只需要进行一次材料属性的赋值即可，并且也不再需要对它们之间进行固定副的设置。

4.对各Part赋予不同的颜色。对不同的Part赋予不同的颜色，这有利于对零件的区分。方法是选择Part下面的Solid，右键--外观—颜色，即可修改零件颜色。

5.设置铰链。一般就是按照Solidworks中建模的运动副设置铰链。按照通常情况，固连在一起的两个零件之间设置固定铰链，旋转副的位置设置旋转铰链。此处要注意一个问题：设置旋转铰链时，是第一个Part绕第二个Parts旋转。旋转铰链的方向确定符合右手定则，因此在选择Part的顺序，以及之后的选择方向时要注意。在支链型结构中，应该按照顺序，后端的零件为第一个Part，前端的零件为第二个Part，这样出来的结果才不会出错。

6.设置驱动。在运动副上设置驱动，旋转驱动或者直线驱动。

7.进行仿真。设置好仿真时长和仿真步数之后，就可以进行仿真了。其中在设置了驱动后，模型只能进行运动学仿真。在没有驱动的情况下，进行动力学的仿真。

三、问题的提出：

查看模型的信息，会提示模型有20多个冗余约束，设置自由度只有一个。这明显与模型的实际情况不相符。按常理来说，Delta机构应该是有三个自由度的，即沿X、Y、Z三个方向的平动自由度。在有冗余约束存在的情况下，进行仿真分析是会报错的。

四、问题分析：

这种情况是冗余约束的存在而导致的。因此需要逐个去除模型的冗余自由度。按照常理来推断，固定的地方设置的是固定铰链，而旋转的地方设置的旋转铰链，因此会觉得没有地方有错。但仔细考虑，就会发现问题。Delta机构从动杆是一个平行四边形机构，四个旋转关节的位置设置了四个旋转铰链，构成了一个闭环。试想，如果把其中的某一个旋转铰链，换成圆柱铰链，会不会对约束造成影响？旋转铰链限制了5个自由度，只剩下一个旋转的自由度，而圆柱铰链只限制了4个自由度，剩下一个旋转的自由度和一个沿圆柱轴向平动的自由度。而对于平行四边形结构而言，其他三个铰链均为旋转自由度，已经限制了该平行四边形机构只能在一个平面内运动。因此，第四个旋转关节设置为圆柱铰链对于平行四边形机构根本不会产生影响。而通过这个转变，也使冗余约束的个数降低了一个。同理，对其余两个支链的从动杆，采用相同的方式，都把其中的一个旋转铰链换成圆柱铰链。整体模型的冗余约束减少了，但还有存在。在此情况下，不自主地就会想到是否可以把该设置了圆柱铰链的对角运动副也设置成圆柱铰链。但仿真的结果就是，平行四边形结构的两条边在缺少约束的情况下沿着铰链所在的轴线滑动，这与实际情况不相符。因此，把平行四边形的一个对角的两个旋转副同时换成圆柱副的方法是不可取的。

此时，注意到的现象是平行四边形的两条边在铰链的轴线上滑动。而如果把该旋转铰链换成球铰又会怎样呢？因为球铰会限制了3个自由度，即X，Y，Z，而旋转的三个自由度是没有约束的。这样会不会就可以约束平行四边形的滑动了呢？但对角的两个铰链换成球铰之后，该平行四边形是不能保证在同一个平面的。在将信将疑这下，进行这种设置，通过模型的信息发现，模型已经完全没有了冗余约束，而模型的自由度数也来到了正常的三个自由度。进行仿真发现，模型已经完全正常了，不会再有报错了。

这个结果就是我们需要的结果，但我们不仅需要知其然，而且还要知其所以然。因此，我们还需要对模型的结构进行分析。模型不仅从动杆处的平行四边形是闭环，三条支链都连接固定平台与浮动平台同样形成了闭环。因此，把平行边形的对角设置成球铰之后，并不会使平行四边形的四条边不处于同一平台。模型已处于完全没有过约束的状态了。

在此基础上，就可以自由地进行运动学仿真、静力仿真以及动力学仿真了。

五、问题解决：

因此，对于Delta机构而言，如果所有的旋转关节都设置成旋转铰链，是会导致过约束的出现，仿真报错。此时解决方案，就是把支链中平行四边形的对角两个旋转关节设置成球铰，模型就会消除所有的过约束，达到正常的三个自由度的运动状态。

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