基于Solidworks和Adams的玩具动力学仿真毕业论文（胡成骏） - 图文

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武汉工业学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：行走闹钟玩具的机构动力学仿真

2012届

姓名：胡成骏学号： 080301114

院（系）：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化指导老师：宋少云

2012年5月27日

摘要

目前，国内外将虚拟样机技术应用到玩具的设计仿真中，这一技术利用计算机三维软件建立玩具系统的三维实体模型和运动学及动力学模型，分析和评估玩具系统的性能，使得玩具的设计开发制造过程实现了真正意义上的柔性化和高效化。这一技术的运用不仅提高了产品的生产效率而且还不断完善其性能，从而使得研究开发的设计成本不断降低。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，这使得虚拟样机技术得到了进一步的运用，也使得设计周期大大缩短。随着计算机技术的发展和运用，使得整个玩具的设计过程不断简化，大大减少了成本开支和时间周期。

本课题通过运用Solidworks和Adams对行走闹钟玩具进行运动学的仿真，首先，对行走闹钟玩具进行拆卸、测绘，然后在Solidworks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分析和仿真，通过不断的调试和参数的设定，实现了行走闹钟的运动学仿真。

关键词：虚拟样机三维建模调试运动学

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Abstract

At present, domestic and international virtual prototyping technology to toy design and simulation, this technology uses computer software to create three-dimensional toy system of three-dimensional solid model and the kinematics and dynamics model, analyze and evaluate the performance of toy systems, making the toy design development of the manufacturing process to achieve a true sense of the flexible and efficient. The use of this technology not only improves the production efficiency but also to continuously improve its performance, making the design of research and development costs have been reduced. In order to meet consumer demand, research and design a greater variety of toy products update, which makes virtual prototyping technology has been further use, but also makes the design cycle significantly shortened. With the development and application of computer technology, making the toys continue to simplify the design process, greatly reducing the costs and time period

The subject of Adams through the use of Solidworks and the kinematics of walking clock toys simulation, first of all, the demolition of the walking clock toy, mapping, and then in the Solidworks software modeling three-dimensional parts and assembly, the assembly after its exercise into ADAMS software Science analysis and simulation, through continuous commissioning and parameter setting, and finally achieve the kinematic simulation walking clock.

Key words: virtual prototype, three-dimensional model, debugging , kinematic

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摘要..............................................................................1 Abstract..........................................................................2 目录..............................................................................3 1、前言...........................................................................4

1.1 课题的来源，研究目的和意义................................................4 1.2玩具动力学仿真的国内外研究现状及分析 ......................................4

1.2.1玩具动力学仿真的国内研究现状 ........................................5 1.2.2玩具动力学仿真的国外研究现状 ........................................7 1.2.3现状分析 ............................................................8 1.3本课题的研究目标与内容 ....................................................9 1.4 课题的研究步骤............................................................9 2、研究方案与研发工具............................................................10

2.1 研究方案.................................................................10 2.2 Solidworks软件简介 ......................................................11 2.3 ADAMS简介 ...............................................................14 3、基于Solidworks的行走闹钟玩具的三维几何建模..................................16

3.1 玩具的拆卸、测绘.........................................................16

3.1.1玩具外壳内部尺寸定位 ...............................................17 3.2 Solidworks建模中的关键技术 ..............................................19

3.2.1 自顶向下建模技术..................................................19 3.2.2 自底向上建模技术..................................................20 3.2.3 曲面建模技术.......................................................20 3.3行走闹钟玩具的零件建模 ...................................................27 3.4行走闹钟玩具的零件装配 ...................................................30 4、基于Adams的行走闹钟玩具的仿真...............................................33

4.1模型导入 .................................................................33 4.2模型的重命名 .............................................................35 4.3模型中约束的施加 .........................................................36

4.3.1 行走闹钟玩具中转动副的创建.........................................37 4.3.2碰撞的创建 .........................................................38 4.3.3 行走闹钟玩具中各零件的关系表.......................................40 4.4行走闹钟玩具的运动学仿真 .................................................40

4.4.1行走闹钟玩具模型的仿真 .............................................40 4.4.2播放仿真过程 .......................................................41

5、结论与展望....................................................................43 参考文献.........................................................................44

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1、前言

1.1 课题的来源，研究目的和意义

“玩具”是个很宽泛的概念，广义上讲，任何可以拿来玩的物品都可以称为“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玩具。

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操场，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、看电影等，大部分时间用来娱乐。如何让青少年有一个更健康的生活方式，这个问题急需解决。因而玩具对青少年来说是一个很不错的选择，可以开发孩子智力和培养孩子的动手能力。

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。玩具在漫长的发展过程中与其他社会科学领域发生着复杂的关系。因此，玩具的研究工作不可避免的涉及美学、儿童心理学、史学、商品学科的内容。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，还会丰富和完善上述各学科的内容。

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。

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。

1.2玩具动力学仿真的国内外研究现状及分析

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。

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。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。 1.2.1玩具动力学仿真的国内研究现状

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。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。

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。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。

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。据报导：有一对80岁的老夫妻，为了给朋友孩子送礼，一下买了三副多米诺牌，送给朋友孩子两副，受到朋友及孩子的欢迎，自己留了一副，老两口一起码玩，逐渐琢磨其中的规律，大约玩了十多次，就码到一百多张，连喊\不易，不易\。他感慨地说：“似也象征我的一生，爬起来，倒下去，倒下去，爬起来。当有点成就时，兴奋、欣慰之情也直溢于言表啊！”玩得兴冲冲，被邻居称为“好一对老小孩”。有一位李先生，“十一”休假时在家里办聚会，买玩具让朋友们玩具，他认为原来聚会多是唱歌、聊天，唱歌太吵，还影响邻里关系，光聊天太单调，玩具则是休闲时的调味品。北京百货大楼玩具部的经理介绍说：成人玩具与儿童玩具不同，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。因而北京、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。

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。

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。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。

1.2.2玩具动力学仿真的国外研究现状

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。

尽管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%。美国是中国传统玩具出口的主要市场，美国进口的玩具70%以上来自中国。因此，研究美国玩具市场的特点，对我国玩具出口意义重大。

美国堪称世界第一大玩具市场，具有3大特点：

玩具进口量占世界的1/3：美国玩具市场80%以上的产品从国外进口。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3千万元，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港、台；

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。；

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10亿零8千1百万儿童，人均年消费只有15美元。欧洲有1亿1千3百万儿童，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。

美国社会对玩具安全十分重视。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。

美国玩具协会（Toy Industry Association 缩写为TIA）是一个非盈利的团体，它有500个以上会员，占全美玩具贸易额的85%，主导着美国玩具经济的发展。它的会员不但包括从事制造、进口的企业，也有从事专利/授权、设计师、投资人、安全顾问、测试实验室、公关专家与媒体。董事会由美国最主要的玩具企业组成，如Mattle（美泰）、Hasbro（孩子宝）、Wild Plant、LEGO、Character、MEGA Brands、Sport-Fun、Radio Flyer、Spin Master、Cranium、 Alex、Playthings、Little Kids等。

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。

中国作为世界最大的玩具生产基地，有8000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。 1.2.3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。

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。

1.3本课题的研究目标与内容

在对玩具的调研和了解中，认识到玩具的重要性。选择行走闹钟玩具作为本课题的研究对象，是由于行走闹钟玩具其机构巧妙、运动多样性、价格便宜、易于拆卸等特点使得其成为研究对象。

通过在对行走闹钟玩具进行动力学和运动学的分析，联合使用Solidworks和ADAMS软件，使自己学会玩具测绘的方法，学习如何进行曲面建模，熟练掌握Solidworks的零件建模，装配，虚拟拆卸，虚拟装配的方法，并学会如何把外部装配体导入到ADAMS中的方法，学会在ADAMS中对零件施加约束，进行运动学和动力学分析的方法。

1.4 课题的研究步骤

行走闹钟玩具作为本课题的研究对象，通过学习和分析，对行走闹钟玩具的研究步骤如下：

1、对行走闹钟玩具拍照

2、对行走闹钟玩具进行测绘，计算出各零件的尺寸和相对关系 3、在Solidworks中建立玩具的各个零件，并装配 4、把装配图导入ADAMS中

5、在ADAMS中对各零件命名，创建约束 6、设定参数，进行调试

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3.2.2 自底向上建模技术

对于自顶向下建模虽然是符合一般设计思路，但是在目前环境下。实现这种建模方式还不很理想。方案设计阶段主要是由工程技术人员根据经验来进行设计的，目前的三维CAD软件一般都是在详细设计阶段介入的，SolidWorks常用在以零件为基础进行建模的，这就是自底向上建模技术，也就是建立零件，再装配。SolidWorks的参数化功能，可以根据情况随时改变零件的尺寸，而且其零件、装配体和工程图之间相互关联的，可以在其中任何一个模块进行尺寸的修改，所有的模块的尺寸都改变，这样可以大大地减少设计人员的工作量。在建立零件模型后，可以在装配环境下直接装配，生成装配体；然后单击【干涉检查】按钮在装配环境下编辑零件，完成设计。

自底向上建模技术的过程如下：零件草图→零件→装配体

，进行检查，若有干涉，可以直接

3.2.3 曲面建模技术

曲面是一种厚度为零的几何体。若想生成曲面，您使用与生成实体（如拉伸、旋转、及扫描）相同的许多工具。曲面还使用其它功能或特征，如剪裁、解除剪裁、延伸、以及缝合。

曲面比实体要具有优势。它们比实体更灵活，因为您可等到设计的最终步骤然后再定义曲面之间的边界。

曲面的最终目的还是实体，所以最后都需要形成实体，常用的方法有加厚，缝合（尝试形成实体）。

下面用一喷嘴实例来说明,如图3-6：放样、扫描、缝合、填充、平面、旋转、延伸、抽壳、阵列。

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1. 放样：绘制草图，放样，两端约束条件为垂直于轮廓，权值设成 0.5,如图3-7。

（a） (b)

图3-7

2. 扫描：绘制一截面 6，一路径 4和一引导线 5，如图3-8。