【導(dǎo)讀】本文以六自由度焊接機械手部的三維運動仿真為背景。介紹了國內(nèi)外焊接機器人的。用，在此軟件基礎(chǔ)上對手部進行了繪制，運動分析和動畫模擬。法和運動過程，展示了SolidWorks強大的運動仿真功能。重點分析了六自由度機械手。COSMOSMotion的應(yīng)用及特點...

　　

【正文】 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 SolidWorks 文件基礎(chǔ)上進行的 ,此種情況下建立仿真需要注意 :設(shè)置長度單位選擇 mm ,質(zhì)量單位選擇 kg ,時間選擇 s。設(shè)置單位的正確對于得到清晰合理的設(shè)計結(jié)果有很重要的意義。 簡單數(shù)學(xué)模型的建立 根據(jù)所給出的六自由度機 械手 的運動情況給出各個轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)角度 (見表 4—2) 。 表 4— 2 各軸所在轉(zhuǎn)動副旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)表 構(gòu)造 旋轉(zhuǎn)范圍 軸 1 （轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)） 180~180176。 軸 2 （大臂） 0~90176。 最大運動范圍 軸 3 （小臂） 90~+90176。 軸 4 （手腕） 360176。 軸 5 （手抓） 90~+90176。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 圖 4— 3 六自由度機器人簡化模型 圖 4— 3為六自由度機 械手 簡化模型 ,以基座底面圓的圓心為坐標原點設(shè)立三維坐標系。 設(shè)大臂 所在機件的線性長度為 la 。小臂和手腕所在機件的線性長度為 lb 。手抓到焊接點所在機件的線性長度分別為 lc ?；椎降?1個旋轉(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 ,順時針為負逆時針為正。角 γ 為手抓與小臂所在直線所成夾角 ,順時 針為負逆時針為正。 φ 為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度 , x 軸正向為 0176。 ,順時針為負逆時針為正。 可得機器人 x 軸的總水平伸長量 l = al sin + bl sin (α +β ) + cl sin (α +β +γ )=104 總的身長高度 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 手所持的焊接點的三維空間坐標 ( x , y , z) : ( lcos φ , h , lsin φ ) 根據(jù)坐標可分別逆推待定和計算每個轉(zhuǎn)動副的旋 轉(zhuǎn)角度進行可行性設(shè)計。 將總長的變化量和時間作商則可得平均速度 Vx =Δ l/t 。 Vy =Δ h/t 。 Vz = Vx tan φ 。 若每個伺服電動機的旋轉(zhuǎn)角速度一定則可得瞬時速度 ,設(shè)軸 3個轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)速分別為 Vα 、 Vβ 、 Vγ 。轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為 Vφ 則瞬時速度 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 ,然后瞬時加速度及相關(guān)的數(shù)據(jù)也可得出。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 28 模擬加載與仿真 仿真模擬的實現(xiàn) （ 1）機構(gòu)的裝配過程 該機構(gòu)由 13 個零件裝配而成，分別是定位轉(zhuǎn)臺 、 大臂 、 小臂 、 手腕 、 手抓等。三維零件圖已經(jīng)準備好，裝配過程如下： 啟動 SolidWorks 軟件，如下圖選擇“裝配圖”選項， 單擊“確定”按鈕，建立裝配體操作界面。 選擇左下方“瀏覽”按鈕如圖，打開零件存放的目錄，選擇第一個零件系統(tǒng)將默認為固定的零件，以后添加的零件依次為基準。先選擇名稱為轉(zhuǎn)臺的零件，單擊“打開”。單擊界面任何位置零件固定在界面中。在工具欄中選擇“插入零部件”，如前操作打開文件夾，繼續(xù)選擇零件大臂。為了不至于零件過多裝配過程復(fù)雜，采取逐個添加約束的方法，進行逐個配合并完成定位。繼續(xù)添加零件和配合的操作直到完成裝配體。裝配過程中合理的選擇配合關(guān)系以方便以后的運動仿真操作。如下圖 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 29 （ 2）機構(gòu)運動參數(shù)的設(shè)置 啟 動 COSMOSMotion 插件，為了實現(xiàn)運動形式的模擬，首先定義前進的運動形式，操作過程如下：在次節(jié)點“運動”上單擊鼠標右鍵，選擇“對零部件添加運動”選項，彈出定義運動的“插入”對話框添加相應(yīng)參數(shù)。在“選擇第一個部件”的選項框內(nèi)選擇“大臂”，在“選擇第二個部件”的選項框內(nèi)選擇“轉(zhuǎn)臺”，在“選擇位置”的選項框中選擇“大臂”，在“選擇 Z 軸”選項框內(nèi)選擇“機身”的邊線，在“選擇 X 軸”選項框內(nèi)選擇“小臂”的邊線。打開“運動”選項卡，在“運動作用在”中選擇“沿 Z 軸平移”選項，在“運動類項”中選擇“速度”選項，初始位移 設(shè)置為“ 0”，在“函數(shù)”中選擇“恒定值”，速度設(shè)為 15mm/sec； 單擊“應(yīng)用”按鈕，完成設(shè)置。 （ 3）添加阻尼 為了保證機構(gòu)在運動過程中的穩(wěn)定性，對 小臂和手腕 鉸接的部位設(shè)計阻尼。添加過程如下：在節(jié)點“力”下選擇阻尼，單擊鼠標右鍵，選擇“添加扭轉(zhuǎn)阻尼”選項，彈出“插頭 阻尼”對話框，按圖示設(shè)置參數(shù)；單擊“應(yīng)用”按鈕，完成阻尼的設(shè)置。阻尼是為了穩(wěn)定 手腕 的擺動過程，從而保證整個機構(gòu)的穩(wěn)定性。在公式“ Torque Expression”中選擇 keF? () 式中 k 為阻尼系數(shù)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度決定施加阻尼的大小。 參 數(shù) 設(shè) 置 完 成 ， 在 COSMOSMotion 菜 單 中 選 擇 “ 選 項 ”， 打 開“ COSMOSMotion 選項”對話框，選擇仿真選項卡，將持續(xù)時間設(shè)置為 16秒，幀的數(shù)目設(shè)置為 800，其余參數(shù)選擇默認值，單擊“確定”完成設(shè)置。單擊“仿真”按鈕，對機構(gòu)進行運動仿真。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 30 進行運動校核 在 SolidWorks 有 cosmosmotion 插件是專門用來進行運動模擬和校核 ,首先在幾個零部件的可轉(zhuǎn)動連接 點加入轉(zhuǎn)動馬達 ,它有伺服電動機的作用。加入旋轉(zhuǎn)進行模擬 ,其方向和旋轉(zhuǎn)角速度都按照既定的數(shù)據(jù)進行規(guī)定 ,在幾個連接機構(gòu)的連接副上進行轉(zhuǎn)動副的設(shè)置后進行運動模擬 ,同時旋轉(zhuǎn)角度要防止零件的干涉 ,因此要嚴格按照表 4—2的最大旋轉(zhuǎn)角度進行約束 ,必要時可選擇錄像功能 ,可對動畫從多個方向進行觀察 ,可將動畫保存 ,更加直觀地得到六自由度機 械手 的運動效果圖 ,就像真正的機器在面前一樣 ,根據(jù)運動效果圖和模擬得到的數(shù)據(jù)可以按照要求對機器的運動進行改進。 SolidWorks 下的 cosmosmotion 插件可以做多種運動分析 ,以手抓 的運動為例得到它的 3 個坐標軸 (系統(tǒng)默認基建模坐標軸 ,如果需要可以自定義坐標位置 ,同樣采用系統(tǒng)默認速度 ) 位置運動變化曲線和速度變化曲線。除位置和速度變化曲線 ,還可以得到動能、加速度、角速度和角加速度等變化曲線。其他零部件同樣也可以得到類似曲線包括虛擬的旋轉(zhuǎn)馬達。這樣就為進行運動校核和模擬提供了數(shù)據(jù)依據(jù) ,可以對機械進行更好地改進和校核。 分析可知 : (1) 在設(shè)定的 情況下手 爪 的位置坐標 Y 幾乎沒有發(fā)生變化 ,即手臂的焊接點高度沒有太大變化。 X 坐標值減小 ,即手臂的總伸縮量減小 ,是一個縮進過程 , Z 坐標值減小 ,但是變化幅度不大 ,說明基座轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)幅度并不是很大。 (2) 在設(shè)定情況下手 爪 X 坐標方向中的速度變化先減小后增大 ,有速度的斜率可推斷手抓運動又劇烈慢慢減緩 ,這符合實際工作要求 ,在空載空間加速運動 ,在即將達到焊接點時減慢速度 ,防止加速產(chǎn)生的沖擊作用。 Y 軸方向速度趨于平穩(wěn) ,與上面位置點坐標分析相一致。 Z 軸速度起初變化較快后來趨于平穩(wěn) ,同樣也是符合實際情況的。 結(jié)語 從三維模擬方案出發(fā) ,闡明了利用 SolidWorks實現(xiàn)機器人運動模擬的有效方法 ,從 SolidWorks 的方法重點分析了六自由度機 械手 的三維 實體模型的構(gòu)建過程 ,并且給出了 cosmosmotion 方法及其加入模擬旋轉(zhuǎn)馬達 ,模擬運動過程同時建立簡單數(shù)學(xué)模型設(shè)定模型系數(shù)后得到運動數(shù)據(jù)圖 ,從而為進一步改進打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 31 總結(jié) 通過對文獻的閱讀，了解了關(guān)于機械手的發(fā)展過程，以及組成、分類。加深對機器人這種高端技術(shù)認識。 熟練掌握 Solidworks 的三維建模和動態(tài)仿真，尤其對了解了強大的COSMOSMotion 插件與其他三維動態(tài)仿真軟件 的 差別，掌握了使用 COSMOSMotion 的基本流程。 隨著對機 械手 研究的不斷深入和機 械手 領(lǐng)域的不斷拓展，機 械手 仿真 系統(tǒng)作為機器人設(shè)計和研究的安全可靠，靈活方便的工具，在本領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它對于驗證機 械手 的工作原理工作空間及碰撞檢測都具有非常重要的指導(dǎo)意義 。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 32 參考文獻 【 1】 張鐵 ， 謝存禧著 .機器人學(xué) .華南理工大學(xué)出版社 ， 2020， 4 頁 — 34 頁 . 【 2】 喬蘭東 . 機械手 — 理論與應(yīng)用 .中國鐵道出版社， 1985， 290 頁 — 295 頁 . 【 3】 李月景 .工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ) .天 津大學(xué)，天津人民出版社， 1980， 117 頁 —135 頁 . 【 4】 吳廣玉 .工業(yè)機械人的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 .機械工業(yè)出版社， 1977， 9， 88 頁 — 105頁 . 【 5】 王天然 .機器人 .化學(xué)工業(yè)出版社， 2020 年， 95 頁 — 154 頁 【 6】 郭宇光 .機器人發(fā)展的歷史現(xiàn)狀趨勢 .哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ， 1989，162 頁 — 171頁 . 【 7】 張伯鵬，張昆，徐家球 .機器人工程基礎(chǔ) .機械工業(yè)出版社， 1989， 33 頁 — 58頁 . 【 8】 江洪，楊勇 .SoliWorks 實例解析 — 曲線、曲面、仿真、渲染 .機械工業(yè)出版社， 2020 【 9】 （日）藤森洋三 .機構(gòu)設(shè)計實例構(gòu)思圖冊 .機械工業(yè)出版社， 1985， 25 頁 — 38頁 【 10】 方建軍，劉仕良 .機械動態(tài)仿真也工程分析 —— Pro/ENGINEER Widfire 工程應(yīng)用 .化學(xué)工業(yè)出版社， 2020， 20 頁 — 44 頁 【 11】 胡仁喜，郭軍，王仁廣等 .Solidworks 2020 中文版機械設(shè)計 高級應(yīng)用實例 .機械工業(yè)出版社， 2020. 【 12】 隆飛，李珺等 .Solidworks 設(shè)計與應(yīng)用 .電子工業(yè)出版社， 2020 【 13】 Joel ,Knox ,.Remote Manipulator, 1988 【 14】 Ferrell ., Conteol of Rernote Maniption, IEEE Spectrum,1967.(4):8188 【 15】 LaSalle,., by Liapunov’ s Direct Method, Academic Press,London and New York,1961 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 33 致 謝 首先誠摯的感謝劉天祥老師，老師悉心的教導(dǎo)使我得以一窺機械手設(shè)計及SolidWorks 動態(tài)仿真領(lǐng)域的深奧，不時的討論并指點我正確的方向，使我在這兩個月中獲益匪淺。 另外， 也感謝 其他 老師 給予我很大幫助和指導(dǎo) ， 讓 我在實踐中 充分 掌握了大量的專業(yè)知識和 更好的 學(xué)習(xí)方法。 通過本 次設(shè)計 說明書 的撰寫 ，端正 了我 嚴謹?shù)?做事態(tài)度， 同時 培養(yǎng)了 我提高解決問題的能力和做事情端正的態(tài)度。 最后對論文完成工作中，給以作者關(guān)懷和幫助的所有老師和同學(xué)表示誠摯的謝意。