【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 下”的方法來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工程師考慮組件的形狀，組裝的整體框架，通過各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，使用受限的設(shè)置即約束完全組裝的每一個(gè)部分。 另一種方法 則 是先設(shè)計(jì)每個(gè)零件 ， 然后把設(shè)計(jì)好的零件利用同軸、貼面 、平行 等 約束 關(guān)系進(jìn)行裝配，發(fā)現(xiàn)問題 及時(shí)進(jìn)行修改。 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“自上而下”的方法來設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工程師考慮組件的形 狀，組裝的整體桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 框架，通過各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，使用受限的設(shè)置即約束完全組裝的每一個(gè)部分。 （ 3） 功能仿真模塊 ： Solidworks 有著功能行很強(qiáng)的仿真分析模塊。設(shè)計(jì)中，對(duì)零件或整體 的 有限元分析、力學(xué)分析、流體分析、疲勞分析、運(yùn)動(dòng)分析（ MOTION）、彎折分析、模具分析、熱分析是必不可少的。這些在軟件 實(shí)現(xiàn)的分析不僅能使得根據(jù)實(shí)際環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行模擬分析，而且解決了在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上理論驗(yàn)證困難的問題得以充分的解決。 在 Solidworks 軟件支持多種建模軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出，這在多方式實(shí)現(xiàn)仿真、多數(shù)據(jù)分析的途徑上 提供了 可 實(shí)現(xiàn)性 。 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，當(dāng)前的三維設(shè)計(jì)考慮到設(shè)計(jì)產(chǎn)品生產(chǎn)后的使用環(huán)境、使用條件、產(chǎn)品的使用極限等，極大的提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和生產(chǎn)周期，這些也是對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)最具魅力的地方。三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛使用以及更多類似 Solidworks 系列軟件的開發(fā)，這與數(shù)字化設(shè)計(jì)的理念得到了實(shí)質(zhì)性的推廣，更適應(yīng)當(dāng)代的各方面的設(shè)計(jì)。 （ 4）工程圖繪制：對(duì)于設(shè)計(jì)方面來說，工程圖是生產(chǎn)的必須，也是裝配、校驗(yàn)的強(qiáng)有力工具。因此，對(duì)于一款優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件來說，完善的工程圖繪制是其功能研發(fā)的重點(diǎn)之一。工程圖的繪制是一項(xiàng)十分繁瑣而精細(xì)的工作，在最終 的工程圖中是不允許出現(xiàn)錯(cuò)誤的。在 Solidworks 軟件中，工程圖的特點(diǎn)可謂是很突出的。首先是工程圖可以通過之前三維建模得到工程圖，并且在導(dǎo)入中是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的三視圖進(jìn)行投射，允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行多種的視圖的調(diào)整。為了準(zhǔn)確的表達(dá)某一零件或者裝配體，可進(jìn)行斷面視圖、局部視圖等有力的表達(dá)方式。 切削機(jī)器人的實(shí)體建模 該切削機(jī)器人為六自由度的機(jī)器人，其六個(gè)關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。切削機(jī)器人由基座到執(zhí)行部件共有 7 個(gè)部件，其 7 個(gè)部件類似于人體結(jié)構(gòu)，即：腰、大臂、小臂、手腕的運(yùn)動(dòng)。切削機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)按照 PUMA560 機(jī)器 人的結(jié)構(gòu)參數(shù)來創(chuàng)建。采用 Solidworks 創(chuàng)建零件功能模塊分別創(chuàng)建三維實(shí)體模型的 7 個(gè)部件：基座、連桿 1~末端執(zhí)行器。 基座的設(shè)計(jì) 切削機(jī)器人的基座與人體結(jié)構(gòu)的腳相似，它與大地連接，起固定機(jī)器人的作用。打開 Solidworks 軟件，選擇文件→新建→單一設(shè)計(jì)零部件的 3D 展示，然后點(diǎn)擊確定，打開了 Solidworks 軟件的繪圖界面，基座的尺寸參數(shù)如圖 21 所示，在此界面中完成了基座的設(shè)計(jì)，并完成對(duì)基座部件的顏色處理。完成后基座零部件的 3D 展示如圖 21 所示 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 圖 21 基座 連桿的 設(shè)計(jì) 切削機(jī)器人的連桿分為 5，它們分別與人體結(jié)構(gòu)的腰、肩、肘、腕部相似。腰、肩、肘分別提供一個(gè)自由度，手腕提供兩個(gè)自由度。因此，除了手腕需要用到兩個(gè)連桿來代替之外，其余關(guān)節(jié)只需要一個(gè)連桿代替。各個(gè)連桿的參數(shù)如圖 22 所示。三維模型的建立與基座的步驟相似，各個(gè)零部件的 3D 展示如圖 22 所示 。 （ a） （ b） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) （ c） （ d） （ e） 圖 22 連桿 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 切削機(jī)器人的末端執(zhí)行器為切削刀具，在此，模型的尺寸設(shè)計(jì)為 φ=2mm，l=32mm。刀具的三維模 型建立也與基座的模型建立步驟類似，刀具的二維圖如圖 23 所示。 圖 23 末端執(zhí)行器 模型的裝配 利用 Solidworks 的創(chuàng)建零件功能模塊完成了 7 個(gè)部件的創(chuàng)建后，接下來要完成的工作便是三維模型的裝配，選擇文件→新建→零件和其它裝配體的 3D排列，接著點(diǎn)擊確定，彈出裝配界面，點(diǎn)擊瀏覽選項(xiàng)，從基座到執(zhí)行部件部件依次點(diǎn)擊瀏覽添加到裝配界面內(nèi)，點(diǎn)擊添加約束，把各個(gè)部件應(yīng)該約束的地方約束起來，直至裝配體完成，點(diǎn)擊保存命令，將新建的裝配體模型以拋物面（ *.x_t）的格式保存，新建的裝配體模型如圖 24 所示 。需要說明的是在 Solidworks 中新建的裝配體模型的約束關(guān)系在三維實(shí)體模型導(dǎo)入 ADAMS 后將不再存在。 圖 24 切削機(jī)器人的三維實(shí)體模型 本章完成了對(duì)切削機(jī)器人的零部件的設(shè)置，零部件的三維實(shí)體模型建立，零部件模型的顏色處理，切削機(jī)器人的裝配體裝配的工作，實(shí)現(xiàn)了切削機(jī)器人的三維實(shí)體模型建立，為后續(xù)的在 ADAMS 環(huán)境下的切削機(jī)器人的模型處理做了充分桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 的準(zhǔn)備。 3 切削機(jī)器人數(shù)學(xué)建模及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 對(duì)切削機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立在機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上。本章介紹切削機(jī)器人的數(shù)學(xué)建模及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的一般方 法。數(shù)學(xué)模型的建立即是建立切削機(jī)器人的坐標(biāo)系及 DH 參數(shù)。切削機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)反解兩個(gè)部分。 切削機(jī)器人的空間描述和坐標(biāo)變換 在切削機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人的各個(gè)連桿、末端執(zhí)行器和機(jī)器人的整體部分都是在空間中做著比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。將這些做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)物體看成剛體，需要一種數(shù)學(xué)方法，它用于描述剛體在空間的位姿。 該切削機(jī)器人是由多個(gè)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接形成。機(jī)器人的位姿指的是機(jī)器人的各關(guān)節(jié)連桿在空間位置中的位置和姿態(tài)。描述機(jī)器人的各個(gè)連桿在同一位置所處的不同位置和姿態(tài)，一般需要在每 個(gè)連桿上設(shè)置一個(gè)固定的坐標(biāo)系。因此，每一個(gè)連桿在工作空間中的位置就可以通過固定在每個(gè)連桿上的坐標(biāo)系的原點(diǎn)在操作空間的坐標(biāo)值來描述，它的位姿就可以用該坐標(biāo)系的坐標(biāo)向量在工作空間的坐標(biāo)給定。 平移變換 假設(shè)坐標(biāo)系 {A}與 {B}的坐標(biāo)向量相互平行，但是原點(diǎn)在不同點(diǎn)上，如圖 31所示。坐標(biāo)系 {B}的原點(diǎn)在坐標(biāo)系 {A}的位置矢量為 BAP 。我們可以把坐標(biāo)系 {B}看作是坐標(biāo)系 {A}沿向量 BAP 平移得到的一個(gè)新坐標(biāo)系。 圖 31 平移坐標(biāo)變換 已知點(diǎn) p 在坐標(biāo)系 {B}中的位置向量為 PB ，那么 p 點(diǎn)在坐標(biāo)系 {A}中的位置向量 PA 可由式 （ 31） 表示。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) A B A BP P P?? (31) 可以看出，平移坐標(biāo)之間的關(guān)系取決于兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)變換 圖 32 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 如果兩個(gè)坐標(biāo)擁有同一個(gè)原點(diǎn)，并且有一個(gè)坐標(biāo)軸的方向是相同的，則稱這兩個(gè)坐標(biāo)系之間 是旋轉(zhuǎn)關(guān)系。如圖 32 所示，假設(shè)坐標(biāo)系 {A}和坐標(biāo)系 {B}的原點(diǎn)相同，但是方向不相同。我們可以用旋轉(zhuǎn)矩陣 ABR 來描述坐標(biāo)系 {B}相對(duì)于坐標(biāo)系 {A}的方位。點(diǎn) p 在坐標(biāo)系 {A}和坐標(biāo)系 {B}中的方位描述分別為 PA 和 PB ，則PA 和 PB 具有以下關(guān)系： A A BBP R P?? (32) 更進(jìn)一步， ABR 可以寫成 ABR = ABR (x,θ ) ABR (y,θ ) ABR (z,θ ) (33) 其中 ABR (x,θ), ABR (y,θ), ABR (z,θ)稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，分別表示繞坐標(biāo)軸 x,y,z 的旋轉(zhuǎn)矩陣，參數(shù) x,y,z 表示旋轉(zhuǎn)軸，參數(shù)θ表示旋轉(zhuǎn)角度。繞 x,y,z 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣分別是： ? ?1 0 0, 0 c o s sin0 sin c o sAB Rx ? ? ??????????? ? ?c os 0 si n, 0 1 0si n 0 c osAB Ry ????????? ? ?c o s sin 0, sin c o s 00 0 1AB Rz??? ? ????????? 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 復(fù)合變換 對(duì)于一般的情況，坐標(biāo)系 {B}與坐標(biāo)系 {A}的原點(diǎn) 既不相同，姿態(tài)也不相同，坐標(biāo)系 {B}的原點(diǎn) BO 在坐標(biāo)系 {A}的位置向量表示為 ABR ，坐標(biāo)系 {B}相對(duì)于坐標(biāo)系 {A}的旋轉(zhuǎn)矩陣為 ABR ，則坐標(biāo)系 {B}可以看作是坐標(biāo)系 {A}沿 oBAB 先平移至 BO點(diǎn)，然后在旋轉(zhuǎn)而得到的坐標(biāo)系。 圖 33 復(fù)合變換 如圖 33 所示，點(diǎn) p 在坐標(biāo)系 {A}和坐標(biāo)系 {B}中的位置矢量分別為 PA 和 PB ，PA 和 PB 具有以下變換關(guān)系： oA A B ABBP R P P?? (34) 空間某點(diǎn)由矢量 ai bj ck?? 描述。其中 ,i jk 為軸 x， y， z 上的單位矢量。此 點(diǎn)可用平移齊次變換表示為 ? ?1 0 00 1 0,0 0 10 0 0 1abT ra ns a b cc????? ???? 其中， Trans 表示平移變換。 對(duì)應(yīng)于軸 x， y 或 z 作轉(zhuǎn)角位移 ? 的旋轉(zhuǎn)變換，分別可得： ? ?1 0 0 000,0 0 0 1csR o t xsc?????????????? ? ?000 1 0 0,000 0 0 1csRot y sc??? ??????? ????? 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) ? ?0000,0 0 1 00 0 0 1csscR o t z??????????????? 其中： s? 表示 ? ?sin? ， c? 表示 ? ?cos? ， Rot 表示旋轉(zhuǎn)變換。 切削機(jī)器人的 DH 表示方法 目前被廣泛運(yùn)用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是 DH 模型。 DH 方法是由 Denavit與 Hartenberg 在 1955 年提出的，該方法能夠唯一地描述運(yùn)動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，也就是兩個(gè)相鄰運(yùn)動(dòng)副之間相對(duì)位置和方位。一般情況下機(jī)器人各關(guān)節(jié)的幾何關(guān)系可通過 DH 參數(shù)表來描述。切削機(jī)器人由 6 個(gè)連桿構(gòu)成，在這里，一方面需要用到 2 個(gè)不同的參數(shù)來表示任何一個(gè)連桿，即公共法 線距離 ai 和垂直于 ai 所在平面兩軸線的夾角α i；另一方面需要另外 2 個(gè)不同的參數(shù)來表示相互相鄰