【正文】 來的后兩個(gè)字，就是 32 位實(shí)際的位置。 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 圖 狀態(tài)字的定義 到位 箱子傳送帶停止 瓶子傳動(dòng)帶停止 JOG 放瓶尋位到 抓瓶尋位到 尋參完成 反限位 正限位 故障 激活的參數(shù) 激活的斜率 數(shù)據(jù)輸出使能 準(zhǔn)備好 數(shù)據(jù)輸出 5 機(jī)器人的自學(xué)習(xí)模式，就 是在機(jī)器人能夠記住每次抓瓶的方位，下一次抓瓶時(shí)，系統(tǒng)能夠記住上一次學(xué)習(xí)出的位置。放瓶位置的學(xué)習(xí)則與抓瓶位置的學(xué)習(xí)相似。 N Y N Y 圖 自學(xué)習(xí)模式流程圖 本章從整體上分析了裝箱機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，采用了無線通信技術(shù)對機(jī)器人的各項(xiàng)動(dòng)作進(jìn)行控制，選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。此外，在對機(jī)器人在設(shè)備的選擇上，也添加了設(shè)計(jì)者獨(dú)到的思考和見解。結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖 四桿結(jié)構(gòu)簡圖 L1 表示抓盤與連桿盤之間的長度， L2 則表示爪子上兩個(gè)圓柱銷相距的長度， L3表示爪子跟連桿之間的最佳長度， L4 表示使用的連桿。 圖 四桿結(jié)構(gòu)的受力分析 L3//L1，取 L1=10mm, 則 θ1=45176。 當(dāng)抓手的開口最大時(shí)，如圖 ： 圖 抓 手開口最大 7 此時(shí) L L4 連成一線，則 θ=30176。 設(shè) L1=30mm,則 L3+L4=2cosθ130=52 mm。 爪片直接與物體接觸，作用是抓住物體，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證抓片的這一作用，因此在其下面設(shè)計(jì)一傾角 [3,4]，其受力如下圖所示。則 F=210cos45176。F， F=112/=158 N。取安全系數(shù) n=， 代入數(shù)據(jù)得，[σ]=540/=450 Mpa， A ≥（ 112/450） 610? = 610? 。 車身的設(shè)計(jì) 從機(jī)器人車善的功能和美觀角度出發(fā)，絲杠應(yīng)位于中心，其具體位置和尺寸見 圖。 因?yàn)樯宪嚿頉]有起固定的作用，取厚度為 ，能用螺栓、螺釘?shù)葋磉B接，可以把車身四周折彎 1020mm。 根據(jù)彈性小撓度理論 [5] σmax=α ? ?a/t 2 q （ 32） 式中： σ應(yīng)力系數(shù)； q設(shè)計(jì)壓力， MPa ； a矩形板短邊長度， mm； t矩形板厚度， mm。板采用鋁合金材料，則 σ=274MPa，取安全系數(shù)為 ， 得 [σ]=σs/ns=274/=183MPa （ 34） 代入數(shù)據(jù)得， t≥，所以取板的厚度為 t=3mm。 9 圖 下車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 其中： H中間板的厚度， mm； L為軸的長度， mm； D凸臺的高度， mm。 代入數(shù)據(jù) 得 d=100+12+95127=37mm （ 35） 凸臺的形狀與尺寸如圖： 圖 凸臺結(jié)構(gòu)圖 上車身和下車身已設(shè)計(jì)完畢，需要一個(gè)機(jī)構(gòu)來連接兩者使機(jī)器人能完成其功能，因此設(shè)計(jì)出圖 中的支板來完成這個(gè)使命。 圖 支板交接處 所以，要采取措施改進(jìn)設(shè)計(jì)將重疊區(qū)消除，經(jīng)過反復(fù)分析和論證，決定采用兩個(gè)較短的支板，如圖所示。 圖 短支板的尺寸 11 所以長支板尺寸要將兩個(gè)短邊的尺寸去掉，代入數(shù)據(jù)得 ， 4002 2=396mm， 尺寸如圖 。確定了 機(jī)器人的行走、機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四大部分的關(guān)鍵零部件的合理參數(shù)，為后續(xù)的參數(shù)化建模和虛擬裝配打下了基礎(chǔ)。具體過程如下圖所示。參數(shù)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作提供了便利，設(shè)計(jì)者正是在這些可變和不變參數(shù)的交替作用中，不斷改進(jìn)，直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功。 經(jīng)過多年的發(fā)展，無數(shù)科學(xué)家的不斷開發(fā)與改進(jìn)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途徑已展現(xiàn)出多元化的趨勢，其主要途徑有： （ 1）系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束； （ 2）特征和表達(dá)式驅(qū)動(dòng)圖形； （ 3）利用電子表格驅(qū)動(dòng)圖形。而組成該機(jī)器人的所有兩件在未裝配前，許多問題很難發(fā)覺，這也就需要借助高科技手段來發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)設(shè)計(jì)。 幾何約束 幾何形體 實(shí)力匹配 方程求解 幾何尺寸 求解實(shí)例 13 將裝箱機(jī)器人的零部件進(jìn)行三維建模，需要使用 UG 的建模功能。在生產(chǎn)實(shí)際中，常用零件的特征可總結(jié)為管理特征、技術(shù)特征、材料特征、形狀特征和裝配特征。輔特征又分為組合特征、復(fù)制特征和輔助特征了，其中涉及到了孔、螺紋和槽。不同的零件可選擇不同的建模方法，可根據(jù)具體情況酌情選擇。虛擬裝配的作用是在虛擬環(huán)境下對具體設(shè)計(jì)進(jìn)行模型組裝與分析，最大限度的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。經(jīng)過長期的探索與改進(jìn)， UG 軟 件形狀特征 輔特征 主特征 組合特征 復(fù)制特征 輔助特征 中心孔 同軸孔 陣列孔 周向陣列孔 槽 螺紋 孔 錐孔 圓孔 長方體 圓錐體 圓柱體 14 的虛擬仿真功能已日趨完善，收到越來越多用戶的青睞。 裝箱機(jī)器人虛擬裝配 如今，虛擬裝配已經(jīng)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。本論文設(shè)計(jì)的裝箱機(jī)器人主要包括 小車的行走， 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四個(gè)功能模式。 （ 1） 建立零件圖： 圖 固定板 圖 連桿盤 圖 連桿 15 圖 螺桿螺母 圖 絲桿螺母 圖 上車身 圖 中間件 圖 爪子 16 （ 2）機(jī)器人四大主要運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 圖 機(jī)器手抓物動(dòng)作 圖 機(jī)器手臂的升降 1）抓物動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)由電機(jī)提供動(dòng)力，由電機(jī)到絲桿，再由絲桿到螺母，最后推動(dòng)連桿，爪片抓住物體（圖 ）。 圖 機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng) 3）通過電機(jī)帶動(dòng)小齒輪的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到大齒輪，使轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鍵的連接使中間件轉(zhuǎn)動(dòng)，而中間件上面則是固定了絲桿和軸承，還有固定板。 17 圖 機(jī)器人的移動(dòng) 4）小車的移動(dòng)動(dòng)作有前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。前進(jìn)和后退則只需控制好電 機(jī)轉(zhuǎn)速 [13]。充分利用了 UG 軟件的參數(shù)化建模和虛擬裝配技術(shù)，體現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)風(fēng)格和設(shè)計(jì)思路。 18 第 5 章 裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的整體構(gòu)架 在 對于裝箱機(jī)器人的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及虛擬裝配工作完成之后，還需要對裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測試工作，目的是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題， 使 裝箱機(jī)器人更加 完美。 圖 系統(tǒng)工作流程圖 載入 模型，帶入裝配體位置坐標(biāo) 定義基礎(chǔ)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件 相互定義構(gòu)件 相互定義運(yùn)動(dòng)副 機(jī)構(gòu)建模階段 定義驅(qū)動(dòng)變量 給定驅(qū)動(dòng)便便變化規(guī)律 添加變量間的約束 初始條件 列寫位移方程 列寫速度方程 列寫加速度方程 求解方程組 機(jī)構(gòu)求解階段 模擬質(zhì)心空間運(yùn)動(dòng)軌跡 圖形仿真 干涉檢查 定義興趣點(diǎn) 選擇仿真次數(shù)和模式 選擇干涉檢查組 機(jī)構(gòu)仿真階段 19 每一個(gè)階段的工作，都會(huì)對裝箱機(jī)器人的整個(gè)仿真過程產(chǎn)生影響，機(jī)構(gòu)建模階段結(jié)束后，可以定義出運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，機(jī)構(gòu)求解階段結(jié)束后，便可以根據(jù)初始條件和所列方程組求解和檢驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)入最后一個(gè)階段，才可以進(jìn)行圖形的仿真。 圖 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真操作流程圖 根據(jù)裝配模型數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)建模，之后對機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行干涉檢查，完成裝置的運(yùn)動(dòng)仿真。 運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建 用戶文件定義 構(gòu)件定義 運(yùn)動(dòng)副定義 自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)變量 變量初始化 添加變量約束 調(diào)用求解算法 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)建模 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解 機(jī)構(gòu)仿真處理 裝配模型數(shù)據(jù) 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型 機(jī)構(gòu)求解結(jié)果 用戶 完成仿真 干涉檢查 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖形仿真 機(jī)構(gòu)速度加速度曲線 20 接下來進(jìn)行裝箱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建工作，首先打開裝箱機(jī)器人的模型，將其取名為 yuanxing，然后點(diǎn)擊 “ 開始 ” 按鈕，進(jìn)入下一級頁面，選擇 “ 運(yùn)動(dòng)仿真 ” ，在 “ 運(yùn)動(dòng)仿真導(dǎo)航器 ” 中選擇想要對其操作的對象。 圖 創(chuàng)建構(gòu)件仿真界面 界面中會(huì)出現(xiàn) 圖標(biāo)，單擊這個(gè)圖標(biāo)，就可以創(chuàng)建連桿，點(diǎn)擊 “ 質(zhì)量屬性 ” 并選擇 “ 自動(dòng) ” 模式，如上圖 （圖 ）。 備準(zhǔn) 讀取表格 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副數(shù)量小于 定義數(shù)量 運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件都不為空 讀取構(gòu)件數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù) 根據(jù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建滑動(dòng)副 結(jié)束 創(chuàng)建各個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)標(biāo)識 對其中一個(gè)構(gòu)建創(chuàng)建固定副 22 在仿真的過程中，裝箱機(jī)器人的每個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生圖 中的數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)會(huì)被軟件保存留作后用，這些數(shù)據(jù)會(huì)被連續(xù)記錄。 圖 機(jī)構(gòu)仿真輸出數(shù)據(jù) 需要指出的是，該表格生成的數(shù)據(jù)是交互式的， 這些經(jīng)過測試得到的數(shù)據(jù)具有極大的應(yīng)用價(jià)值，它們可以用來將選定的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)到特定位置。 23 圖 拉力作用下位移曲線 圖 拉力作用下速度曲線 由裝箱機(jī)器人的速度變化曲線能夠得出，機(jī)器人小車的移動(dòng)過程是先加速再勻速最后減速，其運(yùn)動(dòng)的速度在 秒的時(shí)候達(dá)到了一個(gè)最大值，在此之后便一直保持著一個(gè)最大的速度運(yùn)動(dòng)到了 秒左右，接著又開始了減速過程，并且在短短的 秒內(nèi)迅速減到了零，這一變化趨勢與前面的加速度變化曲線基本能夠保持一致，表明這與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，設(shè)計(jì)是合理的。仿真完成后，對結(jié)果數(shù)據(jù)和構(gòu)件在測試下的變化曲線進(jìn)行分析，具有一定的技術(shù)參考價(jià)值。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，介紹了應(yīng)用廣泛的 UG 軟件，詳細(xì)敘述整個(gè)裝箱機(jī)器人的零部件設(shè)計(jì)過程、三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，并且探討了相關(guān)技術(shù)的原理，詳細(xì)的分析了機(jī)器人系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案。 總的來說，此次設(shè)計(jì)為裝箱機(jī)器人的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真提供了基礎(chǔ)功能的參考，能夠?yàn)闄C(jī)器人等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的裝配體進(jìn)行仿真和分析探索一條行之有效的途徑，具有一定的技術(shù)參考價(jià)值。裝箱機(jī)器人的智能化程度還需進(jìn)一步提高，其適應(yīng)范圍需進(jìn)一步提高，可操作性仍需加強(qiáng)，諸如此類問題，都將是當(dāng)今科技工作者不懈奮斗的目標(biāo)！ 26 參考文獻(xiàn) [1] 詹友剛 . 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