【文章內(nèi)容簡介】 下”的方法來設計。設計工程師考慮組件的形狀，組裝的整體框架，通過各部分的詳細設計，使用受限的設置即約束完全組裝的每一個部分。 另一種方法 則 是先設計每個零件 ， 然后把設計好的零件利用同軸、貼面 、平行 等 約束 關系進行裝配，發(fā)現(xiàn)問題 及時進行修改。 傳統(tǒng)的設計中，設計工程師的大腦首先生成工程圖形標準，用二維圖形表示該實體的三維圖像的三維實體圖像。 Solidworks 的軟件，它允許工程師以產(chǎn)生一個三維腦圖像直觀的物理反應到計算機。因此，三維造型軟件的應用，使工程師設計思路沒有“翻譯”直接溝通，更直接，準確，清晰的設計思路與計算機之間。它和二維設計不同的是，在該組件被設計的基礎上，建立三維零件的裝配體。 Solidworks 的裝配設計有兩種方式：一個是在裝配環(huán)境中完成零件設計，這種是用被稱為“自上而下”的方法來設計。設計工程師考慮組件的形 狀，組裝的整體桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 框架，通過各部分的詳細設計，使用受限的設置即約束完全組裝的每一個部分。 （ 3） 功能仿真模塊 ： Solidworks 有著功能行很強的仿真分析模塊。設計中，對零件或整體 的 有限元分析、力學分析、流體分析、疲勞分析、運動分析（ MOTION）、彎折分析、模具分析、熱分析是必不可少的。這些在軟件 實現(xiàn)的分析不僅能使得根據(jù)實際環(huán)境的參數(shù)進行模擬分析，而且解決了在傳統(tǒng)設計上理論驗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)導入和導出，這在多方式實現(xiàn)仿真、多數(shù)據(jù)分析的途徑上 提供了 可 實現(xiàn)性 。 與傳統(tǒng)設計相比，當前的三維設計考慮到設計產(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，極大的提高設計的質(zhì)量和生產(chǎn)周期，這些也是對于工業(yè)生產(chǎn)最具魅力的地方。三維設計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)字化設計的理念得到了實質(zhì)性的推廣，更適應當代的各方面的設計。 （ 4）工程圖繪制：對于設計方面來說，工程圖是生產(chǎn)的必須，也是裝配、校驗的強有力工具。因此，對于一款優(yōu)秀的三維設計軟件來說，完善的工程圖繪制是其功能研發(fā)的重點之一。工程圖的繪制是一項十分繁瑣而精細的工作，在最終 的工程圖中是不允許出現(xiàn)錯誤的。在 Solidworks 軟件中，工程圖的特點可謂是很突出的。首先是工程圖可以通過之前三維建模得到工程圖，并且在導入中是按照國際標準的三視圖進行投射，允許設計者進行多種的視圖的調(diào)整。為了準確的表達某一零件或者裝配體，可進行斷面視圖、局部視圖等有力的表達方式。 切削機器人的實體建模 該切削機器人為六自由度的機器人，其六個關節(jié)均為轉動關節(jié)。切削機器人由基座到執(zhí)行部件共有 7 個部件，其 7 個部件類似于人體結構，即：腰、大臂、小臂、手腕的運動。切削機器人的機構參數(shù)按照 PUMA560 機器 人的結構參數(shù)來創(chuàng)建。采用 Solidworks 創(chuàng)建零件功能模塊分別創(chuàng)建三維實體模型的 7 個部件：基座、連桿 1~末端執(zhí)行器。 基座的設計 切削機器人的基座與人體結構的腳相似，它與大地連接，起固定機器人的作用。打開 Solidworks 軟件，選擇文件→新建→單一設計零部件的 3D 展示，然后點擊確定，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計，并完成對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 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 圖 21 基座 連桿的 設計 切削機器人的連桿分為 5，它們分別與人體結構的腰、肩、肘、腕部相似。腰、肩、肘分別提供一個自由度，手腕提供兩個自由度。因此，除了手腕需要用到兩個連桿來代替之外，其余關節(jié)只需要一個連桿代替。各個連桿的參數(shù)如圖 22 所示。三維模型的建立與基座的步驟相似，各個零部件的 3D 展示如圖 22 所示 。 （ a） （ b） 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 （ c） （ d） （ e） 圖 22 連桿 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 末端執(zhí)行器的設計 切削機器人的末端執(zhí)行器為切削刀具，在此，模型的尺寸設計為 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，接著點擊確定，彈出裝配界面，點擊瀏覽選項，從基座到執(zhí)行部件部件依次點擊瀏覽添加到裝配界面內(nèi)，點擊添加約束，把各個部件應該約束的地方約束起來，直至裝配體完成，點擊保存命令，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系在三維實體模型導入 ADAMS 后將不再存在。 圖 24 切削機器人的三維實體模型 本章完成了對切削機器人的零部件的設置，零部件的三維實體模型建立，零部件模型的顏色處理，切削機器人的裝配體裝配的工作，實現(xiàn)了切削機器人的三維實體模型建立，為后續(xù)的在 ADAMS 環(huán)境下的切削機器人的模型處理做了充分桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 的準備。 3 切削機器人數(shù)學建模及運動學分析 對切削機器人的運動學分析建立在機器人的數(shù)學模型的基礎上。本章介紹切削機器人的數(shù)學建模及其運動學分析的一般方 法。數(shù)學模型的建立即是建立切削機器人的坐標系及 DH 參數(shù)。切削機器人的運動學分析包括運動學正解和運動學反解兩個部分。 切削機器人的空間描述和坐標變換 在切削機器人的運動過程中，機器人的各個連桿、末端執(zhí)行器和機器人的整體部分都是在空間中做著比較復雜的運動。將這些做復雜運動物體看成剛體，需要一種數(shù)學方法，它用于描述剛體在空間的位姿。 該切削機器人是由多個連桿通過轉動關節(jié)連接形成。機器人的位姿指的是機器人的各關節(jié)連桿在空間位置中的位置和姿態(tài)。描述機器人的各個連桿在同一位置所處的不同位置和姿態(tài)，一般需要在每 個連桿上設置一個固定的坐標系。因此，每一個連桿在工作空間中的位置就可以通過固定在每個連桿上的坐標系的原點在操作空間的坐標值來描述，它的位姿就可以用該坐標系的坐標向量在工作空間的坐標給定。 平移變換 假設坐標系 {A}與 {B}的坐標向量相互平行，但是原點在不同點上，如圖 31所示。坐標系 {B}的原點在坐標系 {A}的位置矢量為 BAP 。我們可以把坐標系 {B}看作是坐標系 {A}沿向量 BAP 平移得到的一個新坐標系。 圖 31 平移坐標變換 已知點 p 在坐標系 {B}中的位置向量為 PB ，那么 p 點在坐標系 {A}中的位置向量 PA 可由式 （ 31） 表示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 A B A BP P P?? (31) 可以看出，平移坐標之間的關系取決于兩個坐標系原點之間的關系。 旋轉變換 圖 32 旋轉坐標變換 如果兩個坐標擁有同一個原點，并且有一個坐標軸的方向是相同的，則稱這兩個坐標系之間 是旋轉關系。如圖 32 所示，假設坐標系 {A}和坐標系 {B}的原點相同，但是方向不相同。我們可以用旋轉矩陣 ABR 來描述坐標系 {B}相對于坐標系 {A}的方位。點 p 在坐標系 {A}和坐標系 {B}中的方位描述分別為 PA 和 PB ，則PA 和 PB 具有以下關系： A A BBP R P?? (32) 更進一步， 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)稱為旋轉矩陣，分別表示繞坐標軸 x,y,z 的旋轉矩陣，參數(shù) x,y,z 表示旋轉軸，參數(shù)θ表示旋轉角度。繞 x,y,z 軸的旋轉矩陣分別是： ? ?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??? ? ????????? 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 11 頁 復合變換 對于一般的情況，坐標系 {B}與坐標系 {A}的原點 既不相同，姿態(tài)也不相同，坐標系 {B}的原點 BO 在坐標系 {A}的位置向量表示為 ABR ，坐標系 {B}相對于坐標系 {A}的旋轉矩陣為 ABR ，則坐標系 {B}可以看作是坐標系 {A}沿 oBAB 先平移至 BO點，然后在旋轉而得到的坐標系。 圖 33 復合變換 如圖 33 所示，點 p 在坐標系 {A}和坐標系 {B}中的位置矢量分別為 PA 和 PB ，PA 和 PB 具有以下變換關系： oA A B ABBP R P P?? (34) 空間某點由矢量 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。 對應于軸 x， y 或 z 作轉角位移 ? 的旋轉變換，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??? ??????? ????? 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 12 頁 ? ?0000,0 0 1 00 0 0 1csscR o t z??????????????? 其中： s? 表示 ? ?sin? ， c? 表示 ? ?cos? ， Rot 表示旋轉變換。 切削機器人的 DH 表示方法 目前被廣泛運用的機器人運動學模型是 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動鏈的結構，也就是兩個相鄰運動副之間相對位置和方位。一般情況下機器人各關節(jié)的幾何關系可通過 DH 參數(shù)表來描述。切削機器人由 6 個連桿構成，在這里，一方面需要用到 2 個不同的參數(shù)來表示任何一個連桿，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 個不同的參數(shù)來表示相互相鄰