【正文】 經(jīng)過兩個(gè)多月的艱苦奮戰(zhàn)，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于設(shè)計(jì)完成了，他給我留下了深思，同時(shí)還讓我們看到那些值得學(xué)習(xí)的方面。 下面是關(guān)于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)分析圖： 圖 43 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析圖 從上圖 43 中我們可以清 晰地看出： 機(jī)械 臂 的運(yùn)動(dòng)分析主要表現(xiàn) 以下 在三個(gè)方面 1. 構(gòu)件 1 和構(gòu)件 2 之間角度 的運(yùn)動(dòng)分析； 2. 構(gòu)件 2 和構(gòu)件 2 之間角度 的運(yùn)動(dòng)分析； 基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 23 3. 路徑上軌跡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)行程 S 的分析。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程序不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。 70 年代中期，有鑒于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)潛力和日本在工業(yè)機(jī)器人方面所取得的成就，美國(guó)才意識(shí)到問題的緊迫性并多方面采取措施。 圖 32 四桿機(jī)構(gòu)及模擬運(yùn)動(dòng)曲線 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，過調(diào)基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 16 整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。 2 程序說明 本程序使用 AutoCAD 的內(nèi)部編程語言 AutoLISP 編程。這樣，把 I機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 10 級(jí)機(jī)構(gòu)和各類基本桿組看成是各自獨(dú)立的模塊，分別建立其運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型并編制程序，對(duì)其位置、速度和角速度、加速度和角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行求解。 1984 年由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場(chǎng)。如果使用 AutoCAD 開發(fā)系統(tǒng)，則我們可以將上述計(jì)算和繪圖通過高級(jí)語言編制相應(yīng)的程序，在需要設(shè)計(jì)時(shí)，只一個(gè)命令便可以運(yùn)行該程序，計(jì)算和繪圖過程自動(dòng)完成。 目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如 FoxPro、Oracle、 Access 等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。在這個(gè)過程中，工藝設(shè)計(jì)以及采用數(shù)控機(jī)床時(shí)的加工編程等，從工藝過程設(shè)計(jì)到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的 CAM 過程。 近 20 年來，版本不斷更新，功能日益增強(qiáng)， Auto CAD 從最初的 Auto CAD Vl. 0 版本發(fā)展到現(xiàn)今流行的 Auto CAD2021，成為集平而作圖、三維實(shí)體、數(shù)據(jù)庫管理、渲染著色、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)等功能于一體的強(qiáng)人輔助設(shè)計(jì)軟件。 現(xiàn)在國(guó)外的現(xiàn)狀是 以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 隨著仿真技術(shù)的發(fā)展 , 仿真技術(shù)應(yīng)用目的趨于多樣化、全面化。半實(shí)物仿真系統(tǒng)的應(yīng)用在國(guó)防工業(yè)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用、維護(hù)過程中發(fā)揮了巨大作用。 可以滿足地空空導(dǎo)彈毫米波精確制導(dǎo)仿真的需要。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。 與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理，對(duì)輸和輸出設(shè)備的控制等。既為工具，則務(wù)求易學(xué)好用、得心應(yīng)手，形成一個(gè)友好的、具有某種智能化的工作環(huán)境。 a) AutoLISP和 VisualLISP Visual LISP 是一個(gè)對(duì)使用 LISP 語言開發(fā)和定制 AutoCAD 的可視化開發(fā)環(huán)境。 18 世紀(jì)下半葉第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來的機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，通過對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究形成了機(jī)構(gòu)學(xué)獨(dú)立的體系和獨(dú)特的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于 18～ 19 世紀(jì)產(chǎn)生的紡織機(jī)械、蒸汽機(jī)及內(nèi)燃機(jī)等的結(jié)構(gòu)和性能的完善起了很大的推動(dòng)作用。 平面基本桿組應(yīng)滿足的基本條件為： 32Fn?? 0LPP?? () 式中 n—— 桿組中的構(gòu)件數(shù)目； Lp —— 桿組中所含的 低副數(shù)； Hp —— 桿組中所含的高副數(shù)； F —— 桿組的自由度數(shù)。當(dāng)需要輸入一個(gè)點(diǎn)時(shí)，既可直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用 AutoCAD 對(duì)光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個(gè)值時(shí)，既可直接鍵入一個(gè)值，也可通過橡皮筋的長(zhǎng)度給出。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生 —— 成長(zhǎng) —— 成熟期后，已成為制造業(yè)中不可少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。目前，世界上機(jī)器人無論從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢(shì)集中在以日美味代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家之中。如建筑機(jī)械臂可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機(jī)器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機(jī)器人可用于深海探測(cè)，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場(chǎng)；此外機(jī)械臂還有大量軍事應(yīng)用，個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā) 了許多海，陸，空戰(zhàn)用機(jī)器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實(shí)力。 如圖 46 所示： 圖 46 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿 真機(jī)械 臂運(yùn)動(dòng)實(shí)例 30 第五章 械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)例 我們?cè)谌粘Ｉ钪幸姷降降靡话銠C(jī)械臂，譬如：應(yīng)用于刷墻的刷墻機(jī)械臂，應(yīng)用于刷漆的噴漆機(jī)械臂，還有應(yīng)用于焊接的焊接機(jī)械臂等等。 設(shè)計(jì)過程中，在張旦聞老師的耐心指導(dǎo)和大力幫助 下 ，在同學(xué)的積極配合下，才使設(shè)計(jì)得以基本完成。 機(jī)械臂模擬是建立在 matlab 和 lisp 程序上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬的， 它 的運(yùn)動(dòng)可以通過修改運(yùn)動(dòng)軌跡來改善機(jī)械臂的運(yùn)行狀況，避免了大量的語言編程，使得運(yùn)動(dòng)模擬更加 快捷 和方便。由于解析法表達(dá)不直觀，因此，這里我們運(yùn)用圖示的方法來闡釋機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)問題。為此控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)等都取得了重大突破，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力。 圖 32 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式畫好機(jī)構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及是根據(jù)機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期 （ 2π） 內(nèi)的化規(guī)律。其目的在于研究評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。因此，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可以從 I 級(jí)機(jī)構(gòu)開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。 1 發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。這樣，一旦在設(shè)計(jì)完成后，要更改發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，則需要重復(fù)剛才的全部?jī)?nèi)容。③優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如 IBM 公司的 ODL、我國(guó)的 OPB— 2 等。制造過程是指從工藝過程設(shè)計(jì)開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場(chǎng)為止。 【 5】 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 4 第一章 概 述 AutoCAD 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展 1 Auto CAD 的發(fā)展史 AutoCAD 是由美國(guó) Autodesk 公司于二十世紀(jì)八十年代初為微機(jī)上應(yīng)用 CAD 技術(shù)而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經(jīng)過不斷的完美，現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上廣為流行的繪圖工具。仿真系統(tǒng)將應(yīng)用于人類生產(chǎn)實(shí)踐的全過程 , 這樣可以避免決策 失誤 , 可以預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題 , 達(dá)到避免故障、安全控制的目的。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長(zhǎng)的 時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。在軍事領(lǐng)域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)室。 目前 , 用于愛國(guó)者 PAC 2 和 PAC 3 型導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真。 AutoCAD 具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行，并支持分辨率由 320200 到 20481024 的各種圖形顯示設(shè)備 40 多種，以及數(shù)字儀和鼠標(biāo)器 30 多種，繪圖儀和打印機(jī)數(shù)十種，這就為 AutoCAD 的普及創(chuàng)造了條件。 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場(chǎng)上所見到的各種商業(yè)化的 CAD 軟件大多屬于支撐軟件。這樣的工作環(huán)境可以開拓使用者的思路，解放其大腦，讓其集中精力于設(shè)計(jì)創(chuàng)作，而并非軟件的操作次序或使用規(guī)則。它擴(kuò)展和增強(qiáng)了現(xiàn)有的 AutoLISP 語言，提供了程序的編寫和調(diào)試環(huán)境，可將LISP 程序編譯成 ObjectARX，大大提高了 CAD 編 程效率和性能，是一個(gè)嶄新的一體化可視 CAD 編程環(huán)境。 現(xiàn)代機(jī)械已大大不同于 19 世紀(jì)機(jī)械的概念，其 特征是具有計(jì)算機(jī)信息處理和控制的手段，從而促使機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)生廣泛、深刻的變化。 其基本桿組全由低副所組成，則基本桿組的條件為： 3 2 0LF n P? ? ? 或 2/3 LnP? () 由于 n 和 PL 都應(yīng)為整數(shù)，故組成基本桿組的條件為： n =2, LP =3。 3 模擬結(jié)果及分析 (a) (b) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬（圖 31） 基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 15 圖 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式輸入鉸鏈點(diǎn) A，B， C， D 位置坐標(biāo)后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢(shì)，仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器 人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展，一方面表現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域的擴(kuò)大和機(jī)器人種類的增多；另已方面表現(xiàn) 在機(jī)器人的智能化?？梢哉f，在當(dāng)今世界上，機(jī)械臂的應(yīng)用已無處不在。 機(jī)械臂的一般結(jié)構(gòu)如圖 51 所示： 圖 51 機(jī)械臂的主要構(gòu)成 下面我們就 以 圖 51 的基本 結(jié)構(gòu)，以應(yīng)用于刷墻的刷墻機(jī)械臂為例，簡(jiǎn)單地介紹一下 它 的工作過程。這使我意識(shí)到團(tuán)隊(duì)精神不管是在現(xiàn)在還是在將來都是十分重要的 。機(jī)械臂模擬 是 建立在機(jī)器人的基礎(chǔ)之上，以矩陣為基本單位，利用矩 陣變換的基本原理， 通過程序模塊設(shè)計(jì)， 利用 接口程序 ，使 lisp和 matlab 之間 產(chǎn)生 互通關(guān)系， 使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)模擬的過程更加方便。圖解法主要是用圖示來說明問題，具有概念清楚，形象直觀，簡(jiǎn)單容易掌握，而解析法主要是運(yùn)用矩陣變換求出相關(guān)的量，用代數(shù)的方法表示出來 ，不直觀，沒有圖示法表現(xiàn)的一目了然，然而 有便于運(yùn)算，精確度高等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能達(dá)到的幾何空間，在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會(huì)得到為完成任務(wù)所需的支持，在運(yùn)動(dòng)空間中，機(jī)器人要設(shè)計(jì)好合理的運(yùn)動(dòng)路線控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負(fù)責(zé)信息處理和人交互，它接受來自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息；機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié) ，已完成特定的運(yùn)動(dòng)。 20 世紀(jì)，人類取得了輝煌的成就，從量子理論、相對(duì)論的創(chuàng)立，原子能的應(yīng)用，脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，到信息技術(shù)的騰飛，人類基因組工作草圖的繪就，世界科技發(fā)生了深刻的變革。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機(jī)構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)等。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 13 圖 23 四桿滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線圖 圖 24 拉包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線圖 基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 14 第三章 基于 LispAuto CAD 下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)例 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 1 運(yùn)動(dòng)分析的目的 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)給定的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 桿組法 根椐機(jī)構(gòu)組成原理，機(jī)構(gòu)可由 I 級(jí)機(jī)構(gòu) 加 基本桿組組成，當(dāng)給定 I級(jí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，機(jī)構(gòu)中各基本桿組的運(yùn)動(dòng)是確定的 、可解的。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多 的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。例如，我要設(shè)計(jì)一臺(tái)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，就需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率先手工計(jì)算出活塞直徑，然后再調(diào)用 AutoCAD 的繪圖命令，一筆一 筆地繪出發(fā)動(dòng)機(jī)的圖形。② 有限元機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 6 分析軟件，如 I— Deas， SAP— 5， ADINA， ANSYS 等，目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。 產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計(jì)與制造兩大部分，設(shè)計(jì)過程中除了需求分析及可行性 研究與分析這兩個(gè)環(huán)節(jié)很難用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)結(jié)果 都可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了 CAD 過程。但是 , 作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科 , 仿真技術(shù)還有許多理論及技術(shù)問題需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究探討 。系統(tǒng)仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益 , 可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)。又稱模擬。仿真技術(shù)的應(yīng)用為我軍部隊(duì)指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練提供了有效的工具 , 為我軍現(xiàn)