【正文】 ............................. 15 4 ADAMS 環(huán)境中切削機(jī)器人虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建 ................. 16 ADAMS 軟件介紹 ................................................. 17 導(dǎo)入切削機(jī)器人模型 ............................................. 18 切削機(jī)器人模型處理 ............................................ 19 設(shè)置材料與重力方向 ........................................... 19 設(shè)置約束與添加驅(qū)動(dòng) ........................................... 20 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 IV 頁 變量的創(chuàng)建與修改 ............................................. 20 輸出切削機(jī)器人模型 ........................................... 21 5 切削機(jī)器人軌跡規(guī)劃 ................................. 22 6 切削機(jī)器人控制系統(tǒng)的建立 ........................... 23 MATLAB/SIMULINK 介紹 ............................................. 23 切削機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................... 24 切削機(jī)器人的 PID 調(diào)節(jié) ........................................... 27 7 切削機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌 跡及分析 .......................... 29 直線軌跡的仿真結(jié)果及角位移分析 ................................. 29 斜線軌跡的仿真結(jié)果及角位移分析 ................................. 30 圓軌跡的仿真結(jié)果及角位移 分析 ................................... 31 橢圓軌跡的仿真結(jié)果及角位移分析 ................................. 32 8 結(jié)論 .............................................. 33 謝 辭 ............................................... 35 參考文獻(xiàn) ............................................. 36 附 錄 ............................................... 37 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁 引言 隨著經(jīng)濟(jì)全球化的影響，科技的不斷革新，每個(gè)行業(yè)對(duì)于生產(chǎn)的要求不斷朝著自動(dòng)化、高精度、高可靠、多功能、低消耗以及環(huán)保等方向發(fā)展。在當(dāng)前對(duì)于日漸突出的能源緊缺的問題和注重產(chǎn)出投入的生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)化 是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向。在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)和智能控制是非常有效的方法。在技術(shù)的推動(dòng)下，機(jī)械生產(chǎn)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了新的活力。尤其在智能機(jī)械的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及工作更是我們所期待的。 在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，基于物理原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和市場(chǎng)份額提高。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低了產(chǎn)品開發(fā)成本和費(fèi)用，提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，提高機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)的性能，并獲得最優(yōu)化、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。同時(shí)在機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究 中，通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃并仿真而獲得一系列的參數(shù)，為運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)和電動(dòng)機(jī)的選擇提供參考。劉已經(jīng)進(jìn)行了基于 ADAMS 的五自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的研究 [1]，余等人也進(jìn)行了基于 ADAMS 的六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真的研究 [2]。 同時(shí)，在傳統(tǒng)的機(jī)電一體化研究設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械工程師和控制工程師雖然在同時(shí)設(shè)計(jì)和開發(fā)同一個(gè)系統(tǒng)，但是他們需要各自建立一個(gè)并不相同的模型，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)采用不同的分析的軟件，進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行物理樣機(jī)的聯(lián)合 調(diào)試，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中有沖突的地方，又要回到個(gè)自的模型中進(jìn)行物理樣機(jī)的修改，并再次進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，直至調(diào)試成功，使得設(shè)計(jì)周期與成本都不能得到很好的控制。而使用 ADAMS與 MATLAB 的聯(lián)合仿真，各個(gè)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，可以共用一個(gè)虛擬樣機(jī)，從而減少了制作物理樣機(jī)的成本，應(yīng)用虛擬樣機(jī)可以隨時(shí)反復(fù)地進(jìn)行仿真模擬，直至取得合格的效果。本文研究基于 ADAMS 和 MATLAB 的六自由度切削機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真。 智能機(jī)器人的研究在過去是人類的設(shè)想，現(xiàn)在是實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用階段。機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)的噴漆機(jī)器人、生產(chǎn)線上的裝配機(jī)器 人和焊接機(jī)器人，航空、工程探險(xiǎn)機(jī)器人等，這些都體現(xiàn)出了在機(jī)器人研究的方向和目標(biāo)。 6R 切削機(jī)器人屬于六自由度串聯(lián)機(jī)器人，其 6 個(gè)關(guān)節(jié)全部為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，與其它的工業(yè)機(jī)器人相同，切削 機(jī)器人往往代替人類在工業(yè)生產(chǎn)中，從事在惡劣或危險(xiǎn)的環(huán)境下，有些單調(diào)，頻繁和重復(fù)長(zhǎng)時(shí)間的工作。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁 1 緒論 切削機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀 說到切削機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀，首先闡述的是如今機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀。 20 世紀(jì)中葉以來，機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用，是在科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步的重大成果之一。工業(yè)機(jī)器人在美國出生，在日本，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 1954 年， 美國首次提出了“機(jī)器人”的概念，并于 1959 年由當(dāng)時(shí)的 Unimation 公司生產(chǎn)的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。在 1967 年，日本川崎重工，從美國引進(jìn)技術(shù)，并于 1968 年生產(chǎn)的第一的 Unimate 機(jī)器人。此后，日本政府在經(jīng)濟(jì)中已采取了積極的扶持政策，在短短 10 年的時(shí)間里，它將成為世界上最大的機(jī)器人生產(chǎn)和應(yīng)用的國家。上世紀(jì)八十年代的中期，日本成為“機(jī)器人王國”。近年來，隨著控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的開始，機(jī)器人科學(xué)的快速發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。到 2021 年，機(jī)器人在全球投入使用約 100 萬臺(tái)，在 21 世紀(jì)里，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭。 虛擬樣機(jī)技術(shù) 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念 虛擬樣機(jī)技術(shù) （ VPT， virtual prototyping technology)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域 CAx/DFx 技術(shù)的發(fā)展和延伸。 機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又被稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而迅速發(fā)展的一種計(jì)算機(jī)輔助工程 （ CAE） 技術(shù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合了先進(jìn)建模 、仿真技術(shù)，現(xiàn)代信息技術(shù)，先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于 任何 產(chǎn)品 全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和全生命周期， 且對(duì)這些進(jìn)行管理 。 和 傳統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù) 重視 系統(tǒng)的 思維 ， 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中 ， 可最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本和費(fèi)用，對(duì)產(chǎn)品支持各個(gè)方面的測(cè)試、分析、評(píng)估。虛擬樣機(jī)技術(shù) 強(qiáng)調(diào)協(xié)同設(shè)計(jì) 。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程中的名稱，是國際上 20世紀(jì) 80 年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。機(jī)械系統(tǒng)是虛擬樣機(jī)的研究的對(duì)象。虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁 統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔 助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，確定系統(tǒng)及其機(jī)構(gòu)在任何時(shí)間，位置，速度和加速度，通過求解代數(shù)方程組，以確定是什么原因?qū)е孪到y(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)的力量和它們的反應(yīng)所需的各種組件。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 為先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)作在汽車制造、航空航天、工程制造、國防工業(yè)等工業(yè)和通用機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在我國，虛擬樣機(jī)技術(shù)剛處于起步階段，但正在逐步的引起重視，將來必將得到推廣和廣泛的應(yīng)用。在國外，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是很廣泛的了。美國克萊斯勒汽車公司在對(duì)新的產(chǎn)品“ 98”型汽車進(jìn)行檢查時(shí)，運(yùn)用 了在 1997 年發(fā)開的“克萊型斯勒數(shù)據(jù)可視化”仿真軟件平臺(tái)，此次檢查發(fā)現(xiàn)了 1500 處零件的干涉情況，因此，在制作第一個(gè)實(shí)物模型前進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤改進(jìn)工作，很有效地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。 課題背景及設(shè)計(jì)任務(wù) 聯(lián)合仿真是整個(gè) CAE 行業(yè)發(fā)展的方向， 因?yàn)橹挥袑?duì)關(guān)鍵學(xué)科之間復(fù)雜交互作用的準(zhǔn)確表述才能保證真實(shí)地模擬物理現(xiàn)象。聯(lián)合仿真技術(shù)開創(chuàng)了一條效果很好而又不是很復(fù)雜的新途徑。在現(xiàn)代機(jī)械工程中，控制和機(jī)械這兩大組成部分是機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須考慮的部分。首先利用 ADAMS 和 MATLAB 聯(lián)合仿真，這就是在設(shè) 計(jì)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)并帶有控制系統(tǒng)，運(yùn)用 ADAMS 建立一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)模型，并將其導(dǎo)入到 MATLAB 中進(jìn)行虛擬樣機(jī)調(diào)試和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后將結(jié)果反饋給機(jī)械系統(tǒng)模型的這樣一個(gè)過程。聯(lián)合仿真能夠?qū)⒒镜牧W(xué)原理和現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，直觀有效的解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。本課題研究具有 6 個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人在規(guī)劃的切削軌跡下跟蹤控制聯(lián)合仿真，主要工作內(nèi)容如下： 查閱相關(guān)資料，了解機(jī)器人的數(shù)學(xué)建模方法。學(xué)習(xí) Pro/e 或 Solid Works 或UG 軟件，掌握三維建模技術(shù)。學(xué)習(xí) ADAMS 軟件，掌握機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)。學(xué)習(xí) matlab 軟件，掌握 ADAMS 與 simulink 的接口技術(shù)。建立機(jī)器人的三維幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，規(guī)劃切削軌跡，設(shè)計(jì)控制器，完成控制仿真。 2 切削機(jī)器人的三維實(shí)體建模 本章內(nèi)容介紹六自由度切削機(jī)器人的三維實(shí)體模型的一般方法，通過運(yùn)用三維建模軟件 Solidworks 建立切削機(jī)器人的各個(gè)零部件，通過添加裝配體建立機(jī)器人的機(jī)械模型，為后續(xù)創(chuàng)建切削機(jī)器人的虛擬樣機(jī)做準(zhǔn)備。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁 Solidworks 軟件介紹 20 世紀(jì) 90 年代初，國際微型計(jì)算機(jī)市場(chǎng)發(fā)生了根本性的變化，微型計(jì)算機(jī)性能大幅提高，而價(jià)格一路下滑，微 型計(jì)算機(jī)卓越的性能足以運(yùn)行三維 CAD 軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微型計(jì)算機(jī)平臺(tái)的三維 CAD 系統(tǒng)， 1993 年 PTC公司的技術(shù)副總裁與 CV 公司的副總裁成立 Solidworks 公司，并于 1995 年成功推出了 Solidworks 軟件。 Solidworks 軟件采用熟悉的微軟圖形用戶界面，操作方便。 該軟件具有完善的二維繪圖功能、三維實(shí)體特征建立功能、三維實(shí)體裝配功能、工程圖紙模塊、仿真模塊以及產(chǎn)品外觀實(shí)效渲染功能，這些都使得我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)上提供了有了更好的設(shè)計(jì)工具 。 （ 1）三維實(shí)體功能： 在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中都是依靠人來手動(dòng)計(jì)算參數(shù)以及繪制草圖或者進(jìn)行三維圖紙的完善，著很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期 、誤差大 。在 solidworks 中，根據(jù)零件參數(shù)對(duì)應(yīng)繪出一定截面的形狀，再通過三維建模的相應(yīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等 命令 生成期望的立體零件。 Solidworks 在這一方面不斷強(qiáng)化，滿足不同設(shè)計(jì)人員的需求，集成這些建模的命令，只需通過簡(jiǎn)單的快捷鍵即可實(shí)現(xiàn)。 （ 2）機(jī)械裝配模塊：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師的大腦首先生成工程圖形標(biāo)準(zhǔn)，用二維圖形表示該實(shí)體的三維圖像的三維實(shí)體圖像。 Solidworks 的軟件，它允許工程師以產(chǎn)生一個(gè)三維腦圖像直觀 的物理反應(yīng)到計(jì)算機(jī)。因此，三維造型軟件的應(yīng)用，使工程師設(shè)計(jì)思路沒有“翻譯”直接溝通，更直接，準(zhǔn)確，清晰的設(shè)計(jì)思路與計(jì)算機(jī)之間。它和二維設(shè)計(jì)不同的是，在該組件被設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立三維零件的裝配體。 Solidworks 的裝配設(shè)計(jì)有兩種方式：一個(gè)是在裝配環(huán)境中完成零件設(shè)計(jì)，這種是用被稱為“自上而