【導(dǎo)讀】本文以六自由度焊接機(jī)械手部的三維運(yùn)動(dòng)仿真為背景。介紹了國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r并。行了繪制，運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬。對(duì)于CATIA制圖軟件主要介紹了其產(chǎn)生和發(fā)展的歷史以及應(yīng)用前。景，具體介紹了零件三維制圖的操作方法和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，展示了CATIA強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)仿真功能。

　　

【正文】 據(jù)升降立柱的力平衡條件 : 1R = 2R ?總GhR ?1 總GRR h21 ??? fh2f22 1121 總總 GRFFFG ?????? （ ） 所以 ?f2h? 17 f為摩擦系數(shù)，一般為 f= 則 ??h （ ） 上式即為升降導(dǎo)向立柱不自鎖的條件。 導(dǎo)套的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù) h 值的大小做成長(zhǎng)的套管，或用兩個(gè)相距很近的短套管。 焊接機(jī)械手各零部件的設(shè)計(jì) 焊接機(jī)械手的零部件包括 :機(jī)座、機(jī)座蓋板、機(jī)身、轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)手腕、擺動(dòng)手腕、手抓、銷釘、螺栓、螺母等構(gòu)成。各零部件的設(shè)計(jì)如下： （ 1）機(jī)座的設(shè)計(jì) 制造精度：此機(jī)構(gòu)為一般工作機(jī)械，故選用 7 級(jí)精度。 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 18 （ 2）機(jī)座蓋板的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 19 （ 3）機(jī)身的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 20 （ 4）轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 21 （ 5）大臂的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 22 （ 6）小臂的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 23 （ 7）旋轉(zhuǎn)手腕的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 24 （ 8）擺動(dòng)手腕的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 25 （ 9）手抓的設(shè)計(jì) 利用 CATIA V5 R19 實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖 26 組裝后的樣子，如圖 27 28 三維實(shí)體建模 模擬方 案的確定 圖 4— 1 六自由度機(jī)械手模擬加載仿真流程圖 CATIA 是微機(jī)版技術(shù)指標(biāo)化特征造型軟件 ,旨在以 1/4～ 1/5 的工作站版相應(yīng)軟件的價(jià)格向廣大機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供用戶界面更友好 ,運(yùn)行環(huán)境更廣大的實(shí)體造型實(shí)用功能。 CATIA 實(shí)施金伙伴 (gold partner) 合作策略 ,在單一的運(yùn)動(dòng)分析 MotionWorks 中不必再與其他的軟件進(jìn)行連接可直接模擬規(guī)劃出工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。流程如圖 4— 1 ,由圖可知對(duì)仿真實(shí)體的模擬加載與仿真分析 ,旨在對(duì)樣機(jī)的整體動(dòng) 態(tài)性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 ,從而達(dá)到縮短物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間 ,降低試驗(yàn)成本 ,加快研究進(jìn)程的目的。 仿真實(shí)體的繪制 六自由度機(jī)械手不是很復(fù)雜的機(jī)構(gòu) ,CATIA軟件建立三維模型并不太困難 ,用 CATIA 強(qiáng)大CATIA數(shù)字化模型 模型導(dǎo)入 導(dǎo)入成功？ 添加復(fù)雜約束力 仿真分析 是否符合實(shí)際？ 模型優(yōu)化 是 否 是 否 29 的三維設(shè)計(jì)能力利用拉伸、陣列和切除等功能將模擬機(jī)器人的各零部件分別繪制出來(lái) ,然后根據(jù)同軸、共面等幾何約束關(guān)系將幾個(gè)零部件裝配起來(lái)可以得到六自由度機(jī)械手的裝配圖。 表 4— 1 機(jī)械手零部件明細(xì)表 序號(hào) 零部件名稱 數(shù)量 序號(hào) 零部件名稱 數(shù)量 1 機(jī)座 1 8 轉(zhuǎn)軸 1 2 機(jī)身 1 9 銷釘 1 3 轉(zhuǎn)臺(tái) 1 10 銷釘 1 4 大臂 1 11 銷釘 1 5 小臂 1 12 螺栓 M18 4 6 手腕 1 13 螺母 M18 4 7 手抓 2 模擬加載是在所作 CATIA 文件基礎(chǔ)上進(jìn)行的 ,此種情況下建立仿真需要注意 :設(shè)置長(zhǎng)度單位選擇 mm ,質(zhì)量單位選擇 kg ,時(shí)間選擇 s。設(shè)置單位的正確對(duì)于得到清晰合理的設(shè)計(jì)結(jié)果有很重要的意義。 簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型的建立 根據(jù)所給出的六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況給出各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)角度 (見表 4— 2) 。 表 4— 2 各軸所在轉(zhuǎn)動(dòng)副旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)表 構(gòu)造 旋轉(zhuǎn)范圍 軸 1 （轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)） 180~180176。 軸 2 （大臂） 0~90176。 最大運(yùn)動(dòng)范圍 軸 3 （小臂） 90~+90176。 軸 4 （手腕） 360176。 軸 5 （手抓） 90~+90176。 圖 4— 3 六自由度機(jī)器人簡(jiǎn)化模型 圖 4— 3為六自由度機(jī)械手簡(jiǎn)化模型 ,以基座底面圓的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)立三維坐標(biāo)系。 30 設(shè)大臂所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度為 la 。小臂和手腕所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度為 lb 。手抓到焊接點(diǎn)所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度分別為 lc ?；椎降?1個(gè)旋轉(zhuǎn)副的高度為 h1 。 角 α 為大臂 x 、 z 軸所在平面的夾角。角 β 為小臂與大臂所在直線所成 夾角 ,順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正。角 γ 為手抓與小臂所在直線所成夾角 ,順時(shí) 針為負(fù)逆時(shí)針為正。 φ 為轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度 , x 軸正向?yàn)?0176。 ,順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正。 可得機(jī)器人 x 軸的總水平伸長(zhǎng)量 l = al sin + bl sin (α +β ) + cl sin (α +β +γ )=104 總的身長(zhǎng)高度 h = al sin + bl sin (α +β ) + cl sin (α +β +γ ) + h1=200 根據(jù)基座的旋轉(zhuǎn)角度可得到爪手所持的焊接點(diǎn)的三維空間坐標(biāo) ( x , y , z) : ( lcos φ , h , lsin φ ) 根據(jù)坐標(biāo)可分別逆推待定和計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)。 將總長(zhǎng)的變化量和時(shí)間作商則可得平均速度 Vx =Δ l/t 。 Vy =Δ h/t 。 Vz = Vx tan φ 。 若每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度一定則可得瞬時(shí)速度 ,設(shè)軸 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)速分別為 Vα 、 Vβ 、 Vγ 。轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為 Vφ 則瞬時(shí)速度 Vx = dl/dt , Vy = dh/dt 。其中 l = al os ( Vα t) +bl cos ( Vβ t ) + cl cos ( Vγ t) , h =al sin ( Vα t) + bl sin ( Vβ t) + cl sin ( Vγ t) + h1 ,然后瞬時(shí)加速度及相關(guān)的數(shù)據(jù)也可得出。 三維設(shè)計(jì)裝配過(guò)程 （ 1）機(jī)構(gòu)的裝配過(guò)程 該機(jī)構(gòu)由 13 個(gè)零件裝配而成，分別是定位轉(zhuǎn)臺(tái) 、 大臂 、 小臂 、 手腕 、 手抓等。三維零件圖已經(jīng)準(zhǔn)備好，裝配過(guò)程如下： 啟動(dòng) CATIA軟件，如下圖選擇“裝配圖”選項(xiàng)，單擊“確定”按鈕，建立裝配體操作界面。 31 結(jié)語(yǔ) 從三維模擬方案出發(fā) ,闡明了利用 CATIA實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模擬的有效方法 ,從 CATIA 的方法重點(diǎn)分析了六自由度機(jī)械手的三維實(shí)體模型的構(gòu)建過(guò)程 ,并且給出了 cosmosmotion 方法及其加入 模擬旋轉(zhuǎn)馬達(dá) ,模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程同時(shí)建立簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型設(shè)定模型系數(shù)后得到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)圖 ,從而為進(jìn)一步改進(jìn)打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 總結(jié) 通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的閱讀，了解了關(guān)于機(jī)械手的發(fā)展過(guò)程，以及組成、分類。加深對(duì)機(jī)器人這種高端技術(shù)認(rèn)識(shí)。 熟練掌握 CATIA 的三維建模和動(dòng)態(tài)仿真與其他三維動(dòng)態(tài)仿真軟件的差別，掌握了使用CATIA在汽車與航空方面 的基本流程。 隨著對(duì)機(jī)械手研究的不斷深入和機(jī)械手領(lǐng)域的不斷拓展，機(jī)械手仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的安全可靠，靈活方便的工具，在本領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它對(duì)于驗(yàn)證機(jī)械手的工作原理工作空間及碰撞檢測(cè)都具 有非常重要的指導(dǎo)意義 。 參考文獻(xiàn) 【 1】 張鐵 ， 謝存禧著 .機(jī)器人學(xué) .華南理工大學(xué)出版社， 2020， 4 頁(yè) — 34 頁(yè) . 【 2】 喬蘭東 . 機(jī)械手 — 理論與應(yīng)用 .中國(guó)鐵道出版社， 1985， 290 頁(yè) — 295 頁(yè) . 【 3】 李月景 .工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ) .天津大學(xué)，天津人民出版社， 1980， 117 頁(yè) — 135 頁(yè) . 【 4】 吳廣玉 .工業(yè)機(jī)械人的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 .機(jī)械工業(yè)出版社， 1977， 9， 88 頁(yè) — 105 頁(yè) . 【 5】 王天然 .機(jī)器人 .化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 年， 95 頁(yè) — 154 頁(yè) 【 6】 郭宇光 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