【正文】 用。為此控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個(gè)作業(yè)基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 19 系統(tǒng)之中，由于各種不同類型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，他們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷地變化。 根據(jù)以上的定義，機(jī)器人至少應(yīng)該具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分，比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂部分，控制系統(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機(jī)械臂部分的運(yùn)動(dòng)和任務(wù)，因此，機(jī)器是一種具有“柔性”的機(jī)器。 21 世紀(jì)，各種智能化機(jī)器人將得到廣泛的應(yīng)用，具有像人的四肢，靈巧的雙手，雙目視覺，力覺感知功能的仿人型智能機(jī)器人將被研制成功。目前，世界上機(jī)器人無論從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢(shì)集中在以日美味代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家之中。機(jī)器人研究開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展，高性能機(jī)器人所占比例不斷增加。日本的機(jī)器人技術(shù)人員引進(jìn)美國(guó) 機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)并在日本迅速將其實(shí)用化。信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)等都取得了重大突破，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力。 3 機(jī)器人的發(fā)展及趨勢(shì) 基于 MatlabAutoCAD 下的機(jī)械臂仿真 18 世界上第一臺(tái)機(jī)器人于 1954 年誕 生于美國(guó)，它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用機(jī)器人的重要特征。如建筑機(jī)器人可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機(jī)器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機(jī)器人可用于深海探測(cè)，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場(chǎng)；此外機(jī)器人還有大量軍事應(yīng)用，個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)了許多海，陸，空戰(zhàn)用機(jī)器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實(shí)力。 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)器人主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的搬用，噴涂，焊接等方面，使我們從繁重的，重復(fù)的，單調(diào)的，有害健 康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)作業(yè)中解脫出來。 1 機(jī)器人的概念 當(dāng)人們一提起機(jī)器人時(shí)，便會(huì)想起電影里虛擬的智能化機(jī)器人的場(chǎng)景。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生 —— 成長(zhǎng) —— 成熟期后，已成為制造業(yè)中不可少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。 上例的四桿機(jī)構(gòu)具有較平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)特性，急回特性不明顯。 圖 32 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式畫好機(jī)構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動(dòng)生成的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并按運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及是根據(jù)機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期 （ 2π） 內(nèi)的化規(guī)律。 典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例 1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例 機(jī)構(gòu)通過演示能夠得到許多有用的信息，如主要構(gòu)件的位移，速度，加速度曲線等。） ，通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動(dòng)角水平，有利于機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。 （ 2）： 在 ????曲線中傳動(dòng)角的變化幅度為 （ 128176。圖 (b)是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)繪制的搖桿 3 的擺角 ψ、角速度 3? 、角加速度 3? 以及傳動(dòng)角 ? 隨曲柄 ? 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期（ 2π）的變化規(guī)律。當(dāng)需要輸入一個(gè)點(diǎn)時(shí)，既可直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用 AutoCAD 對(duì)光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個(gè)值時(shí)，既可直接鍵入一個(gè)值，也可通過橡皮筋的長(zhǎng)度給出。 ，各種指令既可以直接鍵入，又可以點(diǎn)菜單。它的優(yōu)點(diǎn)是 ： 具 有寬松的運(yùn)行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考或使用；應(yīng)用軟件可以直接在 AutoCAD 的圖形編輯狀態(tài)下運(yùn)行。其目的在于研究評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。 圖 22 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖 圖 23為 四桿滑塊 機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動(dòng)結(jié)果機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動(dòng)特性。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機(jī)構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)等。 除 II 級(jí)組外，還有 III 級(jí)、 IV級(jí)等高級(jí)的基本桿組，表 21 中給出了兩種 III級(jí)桿組和一種 IV 級(jí)桿組，它們都是由 4 個(gè)桿件和 6 個(gè)低副組成的 表 21 II 級(jí)及部分 III、 IV級(jí)基本桿組結(jié)構(gòu)型式 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 11 桿組中含有構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副數(shù) 桿 組 型 式 N=2 P=3 二桿三副 （ II 級(jí)桿組） (1)RRR (2)RRP (3)RPR (4)PRP (5)RPP N=4P=6 四桿六副 （部分級(jí)桿組） (1)III 級(jí)桿組 (2)IV 級(jí)桿組 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1 DCL 對(duì)話框 對(duì)話框是操作者與計(jì)算機(jī)對(duì)話的工具，所以是必不可少的，我們的對(duì)話框是使用 DCL 語句所編寫的，在其上可以選擇所要的機(jī)構(gòu)，其界面如 圖 21。 n =4, LP =6,…… () 最簡(jiǎn)單的平面基本桿組是由二個(gè)構(gòu)件和三個(gè)低副所組成的，稱為 II 級(jí)桿組，它是應(yīng)用得最廣泛的基本桿組。 平面基本桿組應(yīng)滿足的基本條件為： 32Fn?? 0LPP?? () 式中 n—— 桿組中的構(gòu)件數(shù)目； Lp —— 桿組中所含的 低副數(shù)； Hp —— 桿組中所含的高副數(shù)； F —— 桿組的自由度數(shù)。 關(guān)于機(jī)構(gòu)和桿組的基本知識(shí) 一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，總可以看成是原動(dòng)件與自由度為 0 的構(gòu)件和機(jī)架相連而組成的。對(duì)所要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的具體機(jī)構(gòu)，可以通過調(diào)用原動(dòng)件和機(jī)構(gòu)中所需的基本桿組的運(yùn)動(dòng)分析模塊來解決，這樣，可快速成求解出各構(gòu)件及其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因此，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可以從 I 級(jí)機(jī)構(gòu)開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。由原動(dòng)件的已知位置開始，按機(jī)構(gòu)的組成順序，逐步按桿組依次確定各個(gè)構(gòu)件的位置。圖解法運(yùn)動(dòng)概念清楚，形象直觀，簡(jiǎn)單容易掌握，但是精度要不高，而解析法相對(duì)來說精度要求可能以很高，應(yīng)用較廣，但比較抽象（抽象成數(shù)學(xué)關(guān)系或計(jì)算機(jī)程序），就解析法而言，由于所用的數(shù)學(xué)工具的不同，又有許多種方法，但其本質(zhì)上，可以分為約束法和桿組法兩大類?？傊?，運(yùn)動(dòng)分析是了解、分析現(xiàn)有機(jī)械或優(yōu)化綜合新機(jī)械的基本手段。 運(yùn)動(dòng)分析的目的及基本方法 1 運(yùn)動(dòng)分析的目的 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)加速度、或角位置、角速度，角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 18 世紀(jì)下半葉第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來的機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，通過對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究形成了機(jī)構(gòu)學(xué)獨(dú)立的體系和獨(dú)特的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于 18～ 19 世紀(jì)產(chǎn)生的紡織機(jī)械、蒸汽機(jī)及內(nèi)燃機(jī)等的結(jié)構(gòu)和性能的完善起了很大的推動(dòng)作用。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。到 20 世紀(jì) 90 年代， MATLAB 已成為國(guó)際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。 1 發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持。 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 是 矩陣實(shí)驗(yàn)室 （ Matrix Laboratory） 的簡(jiǎn)稱，和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。 Visual LISP 提供標(biāo)準(zhǔn) Windows 安裝界面，安裝方便。 a) AutoLISP和 VisualLISP Visual LISP 是一個(gè)對(duì)使用 LISP 語言開發(fā)和定制 AutoCAD 的可視化開發(fā)環(huán)境。有時(shí)稱作AutoCAD API (Application programming Interface 應(yīng)用編程接口），是將 AutoCAD環(huán)境客戶化的基本手段。顯而易見，這不僅大大提高了設(shè)計(jì)效率，而且通過開發(fā)系統(tǒng)可以定制出某些專業(yè)化模塊，甚至大型設(shè)計(jì)繪圖軟件。這樣，一旦在設(shè)計(jì)完成后，要更改發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，則需要重復(fù)剛才的全部?jī)?nèi)容。如果不利用 AutoCAD 開發(fā)系統(tǒng)，要想完成某一具體醒目的設(shè)計(jì)，就會(huì)顯得較為復(fù)雜。無論你是繼續(xù)提高你的 Lisp編程知識(shí)并寫出功能強(qiáng)大的子程，還是僅僅有一個(gè)一般的理解并寫出簡(jiǎn)單的子程，你都會(huì)發(fā)現(xiàn) Autolisp會(huì)大大加強(qiáng)你的AutoCAD工作。多年來，用戶用 Autolisp來自動(dòng)地為建筑圖生成樓梯，為機(jī)械圖生成齒輪，以及各種測(cè)量圖。 Lisp 語言簡(jiǎn)介及在仿真方法 Autolisp是由 Autodesk公司開發(fā)的一種采用 Lisp程序 語言的編程工具 .除了Fortran和 Cobol語言，大多數(shù)在 6 0年代初期開發(fā)的編程語言都已經(jīng)很少使用了，但Lisp保留了下來，并演變成了一種在人工智（ AI）領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位的編程語言Autolisp容許用戶建立新命令來實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)功能。既為工具，則務(wù)求易學(xué)好用、得心應(yīng)手，形成一個(gè)友好的、具有某種智能化的工作環(huán)境。因此，在設(shè)計(jì)者要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程 序。適用于 CAD 工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動(dòng)態(tài)的。③優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如 IBM 公司的 ODL、我國(guó)的 OPB— 2 等。包括： ① 數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，如 MATLAB、 MATHCAD 等 。目前較為成熟的 CAD／ CAM 集成系統(tǒng)包括：UG， Pro— Engineer， CATIA， DUCT， CADDS— 5 等。如 AutoCAD 等。支撐軟件主要用來實(shí)現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計(jì)計(jì)算和分析等功能。 與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對(duì)系統(tǒng)資源的管理，對(duì)輸和輸出設(shè)備的控制等。自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高則有賴于這兩個(gè)過程的進(jìn)一步集成。在 CAM 過程中主要包括兩類軟件，一類叫計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì) (CAPP： Computer Aided Proess Planning) ，另一類叫數(shù)控編程 (NCP： NC Programming)。制造過程是指從工藝過程設(shè)計(jì)開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場(chǎng)為止。這種人機(jī)交互式的設(shè)計(jì)方法，就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD(puter aided design)?？s短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。 械設(shè)計(jì) 是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計(jì)的過程是設(shè)計(jì)一評(píng)價(jià)一再設(shè)計(jì)的反復(fù)過程。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。 AutoCAD 具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的應(yīng)川與普及覆蓋了機(jī)械、汽車、造船、家電、工程、建筑、輕工、電氣、電力、紡織等許多行業(yè)。 【 5】 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 4 第一章 概 述 AutoCAD 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展 1 Auto CAD 的發(fā)展史 AutoCAD 是由美國(guó) Autodesk 公司于二十世紀(jì)八十年代初為微機(jī)上應(yīng)用 CAD 技術(shù)而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經(jīng)過不斷的完美，現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上廣為流行的繪圖工具。 仿真作為一門綜合性科學(xué) , 將隨著其相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展 , 繼續(xù)向縱深快速發(fā)展 , 同時(shí)將擴(kuò)大其綜合應(yīng)用的領(lǐng)域 , 在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在仿真領(lǐng)域一直是將建模理論和方法的研究工 作列為重中之重。 2． 展望 建模理論和方法 , 仍然是推動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。 【 1】 復(fù)合制導(dǎo)是精確打擊武器裝備的標(biāo)志性發(fā)展 ,支持復(fù)合制導(dǎo)武器的仿真技術(shù) , 成為當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的仿真技術(shù)。 可以滿足地空空導(dǎo)彈毫米波精確制導(dǎo)仿真的需要。美國(guó)三軍先后建成了 :為滿足紅外成像制導(dǎo)武器仿真需要的紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。 10 多年來美國(guó)國(guó)防部一直將仿真和建模技術(shù)列為國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)。仿真系統(tǒng)將應(yīng)用于人類生產(chǎn)實(shí)踐的全過程 , 這樣可以避免決策 失誤 , 可以預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題 , 達(dá)到避免故障、安全控制的目的。但總的技術(shù)水平 , 特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國(guó)家比較還有差距 , 需要進(jìn)一步努力 , 加速發(fā)展仿真技術(shù)以縮小差距。我國(guó)仿真技術(shù)經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”期間的努力 , 已有長(zhǎng)足發(fā)展。該系統(tǒng)是一個(gè)含有靈境技術(shù)的、開放的、支持分布交互仿真的支撐環(huán)境 , 支持復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評(píng)