【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （ 33） 表 31 應(yīng)力系數(shù)表 [6] b/a α 查應(yīng)力系數(shù)表 ， b/a=400/200=2， 得 α=。板采用鋁合金材料，則 σ=274MPa，取安全系數(shù)為 ， 得 [σ]=σs/ns=274/=183MPa （ 34） 代入數(shù)據(jù)得， t≥，所以取板的厚度為 t=3mm。因?yàn)橹虚g板與上車(chē)身一樣高，而中間板加上軸的長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)，也就是說(shuō)，軸承沒(méi)法固定在下車(chē)身上，也沒(méi)法固定了，因此我們需要做一個(gè)凸臺(tái)來(lái)固定軸承 ，其結(jié)構(gòu) 如圖 。 9 圖 下車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 其中： H中間板的厚度， mm； L為軸的長(zhǎng)度， mm； D凸臺(tái)的高度， mm。 12 毫米是中間板和軸之間的距離，選取 9 毫米厚的軸承。 代入數(shù)據(jù) 得 d=100+12+95127=37mm （ 35） 凸臺(tái)的形狀與尺寸如圖： 圖 凸臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 上車(chē)身和下車(chē)身已設(shè)計(jì)完畢，需要一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)連接兩者使機(jī)器人能完成其功能，因此設(shè)計(jì)出圖 中的支板來(lái)完成這個(gè)使命。 10 圖 支板形狀尺寸圖 采用這種結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致支板在安裝到車(chē)身之間時(shí)產(chǎn)生重疊區(qū)，出現(xiàn)新的技術(shù)和工藝問(wèn)題，具體見(jiàn)下圖 [7]。 圖 支板交接處 所以，要采取措施改進(jìn)設(shè)計(jì)將重疊區(qū)消除，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析和論證，決定采用兩個(gè)較短的支板，如圖所示。 圖 短支板的形狀 由已知條件，選用 5 毫米規(guī)格的螺栓，把底端寬度定位 20 毫米，且板厚是 2 毫米 ， 于是得出短支板的結(jié)構(gòu)（圖 ）。 圖 短支板的尺寸 11 所以長(zhǎng)支板尺寸要將兩個(gè)短邊的尺寸去掉，代入數(shù)據(jù)得 ， 4002 2=396mm， 尺寸如圖 。 圖 長(zhǎng)支板結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié) 本章對(duì)裝箱機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,并給出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)尺寸 ,參照國(guó)內(nèi)外機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)制定出本系統(tǒng)運(yùn)行性能參數(shù)。確定了 機(jī)器人的行走、機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四大部分的關(guān)鍵零部件的合理參數(shù)，為后續(xù)的參數(shù)化建模和虛擬裝配打下了基礎(chǔ)。 12 第 4 章 裝箱機(jī)器人的建模與虛擬裝配 基于 UG 的參數(shù)化建模 參數(shù)化設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用已有的幾何要素的 數(shù)值，使自己的設(shè)計(jì)工作更加規(guī)范，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加合理適用，以期達(dá)到省事省力、事半功倍的效果。具體過(guò)程如下圖所示。 圖 參數(shù)化建模示意圖 從根本上說(shuō)，參數(shù)化設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)的作用下最大限度的保持參數(shù)不變，當(dāng)然這是在可變參數(shù)的影響下進(jìn)行的。參數(shù)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作提供了便利，設(shè)計(jì)者正是在這些可變和不變參數(shù)的交替作用中，不斷改進(jìn)，直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功。 參數(shù)化的模型包括工程約束和幾何約束兩大方面，這其中的幾何約束又包括兩部分內(nèi)容。 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，無(wú)數(shù)科學(xué)家的不斷開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑已展現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)，其主要途徑有： （ 1）系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束； （ 2）特征和表達(dá)式驅(qū)動(dòng)圖形； （ 3）利用電子表格驅(qū)動(dòng)圖形。 機(jī)器人各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)需要所有零件的密切配合，從而取得 1+12 的效果。而組成該機(jī)器人的所有兩件在未裝配前，許多問(wèn)題很難發(fā)覺(jué)，這也就需要借助高科技手段來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)設(shè)計(jì)。 UG 的出現(xiàn)與發(fā)展，極大地促進(jìn)了這一問(wèn)題的解決。 幾何約束 幾何形體 實(shí)力匹配 方程求解 幾何尺寸 求解實(shí)例 13 將裝箱機(jī)器人的零部件進(jìn)行三維建模，需要使用 UG 的建模功能。而 UG 的渲染功能，可以幫助設(shè)計(jì)者隨產(chǎn)品的材料和外觀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) [8,9]。在生產(chǎn)實(shí)際中，常用零件的特征可總結(jié)為管理特征、技術(shù)特征、材料特征、形狀特征和裝配特征。 圖 零件形狀特征分類(lèi) 如上圖所示，組成裝箱機(jī)器人的零件特征可分為主特征和輔特征。輔特征又分為組合特征、復(fù)制特征和輔助特征了，其中涉及到了孔、螺紋和槽。主特征是零件外形方面的信息，再在組成此機(jī)器人的主要零件中， 涉及主特征的有長(zhǎng)方體、圓錐體和圓柱體。不同的零件可選擇不同的建模方法，可根據(jù)具體情況酌情選擇。 基于 UG 的虛擬裝配技術(shù) 在產(chǎn)品的主體方案與具體零件的設(shè)計(jì)工作完成后，需要借助虛擬裝配技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配的相關(guān)操作。虛擬裝配的作用是在虛擬環(huán)境下對(duì)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行模型組裝與分析，最大限度的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。實(shí)踐證明，使用 UG 的虛擬裝配技術(shù)能夠顯著縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化工作流程。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索與改進(jìn)， UG 軟 件形狀特征 輔特征 主特征 組合特征 復(fù)制特征 輔助特征 中心孔 同軸孔 陣列孔 周向陣列孔 槽 螺紋 孔 錐孔 圓孔 長(zhǎng)方體 圓錐體 圓柱體 14 的虛擬仿真功能已日趨完善，收到越來(lái)越多用戶的青睞。在眾多的三維建模軟件中，UG 軟件能夠一直保 持自身的長(zhǎng)處，主要的裝配特點(diǎn)總結(jié)如下 [10]： (1)生成裝配體的方法多樣； (2)用戶的多個(gè)組件可以同時(shí)打開(kāi)和編輯； (3)易于創(chuàng)建零件特征，這些特征可在任何情況下被修改； (4)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，不隨編輯的進(jìn)行而消失關(guān)聯(lián)性； (5)靈活性大，組件隨總體的修改而做出相應(yīng)的變化。 裝箱機(jī)器人虛擬裝配 如今，虛擬裝配已經(jīng)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配可以保證設(shè)計(jì)的合理性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、修正問(wèn)題。本論文設(shè)計(jì)的裝箱機(jī)器人主要包括 小車(chē)的行走， 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四個(gè)功能模式。虛擬裝配按照由部分到整體的順序，由零件到部件，再由部件到整機(jī)模型 [2,11,12]。 （ 1） 建立零件圖： 圖 固定板 圖 連桿盤(pán) 圖 連桿 15 圖 螺桿螺母 圖 絲桿螺母 圖 上車(chē)身 圖 中間件 圖 爪子 16 （ 2）機(jī)器人四大主要運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 圖 機(jī)器手抓物動(dòng)作 圖 機(jī)器手臂的升降 1）抓物動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)由電機(jī)提供動(dòng)力，由電機(jī)到絲桿，再由絲桿到螺母，最后推動(dòng)連桿，爪片抓住物體（圖 ）。 2）機(jī)械臂的升降動(dòng)作同樣由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到絲桿，加上螺母副的作用，機(jī)械手臂便能上下移動(dòng)（圖 ）。 圖 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng) 3）通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到大齒輪，使轉(zhuǎn)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鍵的連接使中間件轉(zhuǎn)動(dòng)，而中間件上面則是固定了絲桿和軸承，還有固定板。于是絲桿上的轉(zhuǎn)臂也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。 17 圖 機(jī)器人的移動(dòng) 4）小車(chē)的移動(dòng)動(dòng)作有前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整，是兩邊的車(chē)輪具有不同的轉(zhuǎn)向，使小車(chē)實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。前進(jìn)和后退則只需控制好電 機(jī)轉(zhuǎn)速 [13]。 本章小結(jié) 本章通過(guò)裝箱機(jī)器人的所有零件進(jìn)行了參數(shù)化建模，對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了檢驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。充分利用了 UG 軟件的參數(shù)化建模和虛擬裝配技術(shù)，體現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)風(fēng)格和設(shè)計(jì)思路。參數(shù)化建模和虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)的主體工作已經(jīng)完成。 18 第 5 章 裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的整體構(gòu)架 在 對(duì)于裝箱機(jī)器人的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及虛擬裝配工作完成之后，還需要對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試工作，目的是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題， 使 裝箱機(jī)器人更加 完美。本次虛擬仿真主要包括機(jī)構(gòu)建模、求解和仿真三個(gè)階段，具體過(guò)程如圖所示 [14]。 圖 系統(tǒng)工作流程圖 載入 模型，帶入裝配體位置坐標(biāo) 定義基礎(chǔ)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件 相互定義構(gòu)件 相互定義運(yùn)動(dòng)副 機(jī)構(gòu)建模階段 定義驅(qū)動(dòng)變量 給定驅(qū)動(dòng)便便變化規(guī)律 添加變量間的約束 初始條件 列寫(xiě)位移方程 列寫(xiě)速度方程 列寫(xiě)加速度方程 求解方程組 機(jī)構(gòu)求解階段 模擬質(zhì)心空間運(yùn)動(dòng)軌跡 圖形仿真 干涉檢查 定義興趣點(diǎn) 選擇仿真次數(shù)和模式 選擇干涉檢查組 機(jī)構(gòu)仿真階段 19 每一個(gè)階段的工作，都會(huì)對(duì)裝箱機(jī)器人的整個(gè)仿真過(guò)程產(chǎn)生影響，機(jī)構(gòu)建模階段結(jié)束后，可以定義出運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，機(jī)構(gòu)求解階段結(jié)束后，便可以根據(jù)初始條件和所列方程組求解和檢驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)入最后一個(gè)階段，才可以進(jìn)行圖形的仿真。 流程圖 對(duì)于裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真還要建立一套針對(duì)用戶的仿真程序，從用戶的角度出發(fā)，以簡(jiǎn)明扼要、通俗易懂的語(yǔ)言指導(dǎo)用戶的適用和實(shí)踐，具體流程如圖（圖 ）。 圖 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真操作流程圖 根據(jù)裝配模型數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)建模，之后對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行干涉檢查，完成裝置的運(yùn)動(dòng)仿真。亦可先進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，再對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真處理，最后再得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和速度加速度曲線，完成了仿真 。 運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建 用戶文件定義 構(gòu)件定義 運(yùn)動(dòng)副定義 自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)變量 變量初始化 添加變量約束 調(diào)用求解算法 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)建模 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解 機(jī)構(gòu)仿真處理 裝配模型數(shù)據(jù) 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型 機(jī)構(gòu)求解結(jié)果 用戶 完成仿真 干涉檢查 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖形仿真 機(jī)構(gòu)速度加速度曲線 20 接下來(lái)進(jìn)行裝箱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建工作，首先打開(kāi)裝箱機(jī)器人的模型，將其取名為 yuanxing，然后點(diǎn)擊 “ 開(kāi)始 ” 按鈕，進(jìn)入下一級(jí)頁(yè)面，選擇 “ 運(yùn)動(dòng)仿真 ” ，在 “ 運(yùn)動(dòng)仿真導(dǎo)航器 ” 中選擇想要對(duì)其操作的對(duì)象。 圖 新建運(yùn)動(dòng)仿真界面 右鍵想要操作的部件的名字，然后點(diǎn)擊 “ 環(huán)境 ” 并在新的界面中點(diǎn)擊 “ 動(dòng)態(tài) ” ，若運(yùn)動(dòng)仿真的工具條全都是高亮狀態(tài)，就完成新的仿真創(chuàng)建了 ，如 圖 。 圖 創(chuàng)建構(gòu)件仿真界面 界面中會(huì)出現(xiàn) 圖標(biāo)，單擊這個(gè)圖標(biāo)，就可以創(chuàng)建連桿，點(diǎn)擊 “ 質(zhì)量屬性 ” 并選擇 “ 自動(dòng) ” 模式，如上圖 （圖 ）。 21 構(gòu)件以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建完成之后，還學(xué)要運(yùn)動(dòng)副來(lái)連接構(gòu)件，是運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)能夠發(fā)揮作用，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的流程圖如圖所示 [14,15]： N N Y N Y 圖 運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建流程圖 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果 分析 準(zhǔn)備工作完成后，就要逐步對(duì)裝箱機(jī)器人整體進(jìn)行仿真結(jié)果分析，結(jié)合分析的結(jié)果對(duì)裝置進(jìn)行有針對(duì)性的評(píng)價(jià)和改進(jìn)，本次將對(duì)裝箱機(jī)器人進(jìn)行以下項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)仿真 [16]： (1)檢驗(yàn)其是否按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)； (2)檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求； (3)檢驗(yàn)速度是否達(dá)到要求。 備準(zhǔn) 讀取表格 創(chuàng)