【正文】 成后，為了驗證設(shè)計，通常要制造樣機進行試驗，有時這些試驗甚至是破壞性的。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計 試驗 設(shè)計過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。在大多數(shù)情況下，工 程師往往為了保證產(chǎn)品按時投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時便有先天不足的毛病。隨著經(jīng)濟貿(mào)易的全球化，要想在競爭日趨激烈的市場上取勝，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本以及對市場的靈活反應(yīng)都已成為競爭者們所追求的運營方式，誰早推出產(chǎn)品，誰就占有市場。 計算機運動仿真作為計算機仿真技術(shù)的一個重要分支，可以歸入虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR(VirtualReality)的 范疇，它匯集了計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、實時計算技術(shù)、人機接口技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)。尤其在航天、國防及其它大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，計算機運動仿真己經(jīng)成為不可缺少的工具。計算機運動仿真技術(shù)已經(jīng)越來越成為人們代替或部分代替樣機制作、工藝試驗，以獲取所需數(shù)據(jù)結(jié)果并最終完成對產(chǎn)品的性能 測試及驗證的有力技術(shù)手段。作為 PLM 協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計他們未來的產(chǎn)品，并支持從項目前階段、具體的設(shè)計、分析、模擬、組裝到維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程。 CATIA具有以下特點 : (l).CATIA 是當(dāng)今世界基于 NT/Windows平臺的三維機械 CAD 軟件系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，目前己在國內(nèi)外中小型企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 (3).完全漢化，使用過程中無任何語言障礙。 (5).可以自動生成程序，便于機械數(shù)控加工要比 mastercam穩(wěn)定不易出錯 。工作原理是固定機座后通過機身上轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)和大小手臂的運動帶動旋轉(zhuǎn)手腕的轉(zhuǎn)動和擺動手腕的運動，在給手抓一個配合尺寸使之能夠自由的伸縮以便夾取工件。隨著電子計算機的應(yīng)用，為機械手的動作分析、設(shè)計和計算提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。為了分析研究上述的動作，可用機械手的本體、手腕到手指一系列動作的矢量 R R G 之和來表示，見圖（ 3— 1） 即 P= GRR ??? ??21 機械手特性方程式 設(shè)機械手以初始狀 態(tài)到達夾持點順次經(jīng)過幾次位移，其位移角分別取 ? ?2??等，規(guī)定標(biāo)記： 從原始點零開始依次標(biāo)上下腳注字 3 ?? 有長度變化的矢量用 L表示， 無長度變化的矢量用 C表示， 夾持矢量用 G表示。 旋轉(zhuǎn)按照旋轉(zhuǎn)變換張量來表示。六個變數(shù)，其中前面三個主要是為了給出位置，后面三個主要是用來給出姿勢的。 經(jīng)整理 )))))()()()( 83232184321432121 ijjijkijjjkiijkkk GEEEEECEEEECLEECCP ??????????? ??????? （ ） 從上式可見右邊每一項對應(yīng)于 821 GRRP ????? 這里 8G 為姿勢適量。用 a*表示工件的姿勢，設(shè)其初始值為 *0a 。 手臂的設(shè)計計算 對手臂結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度。現(xiàn)分述如下 : 15 驅(qū)動力的計算 根據(jù)手臂運動的不同，驅(qū)動力可分為兩種情況 來計算。其大小可按下式計算 ； tg??? VGF慣（ ） 其中 G —— 手臂移動部件的重量 (公斤 )， g —— 重力加速度 .(米 / 2秒 } V? —— 起動或制動前后的速度差 (米 /秒 ) t? —— 起動或制動所需的時間 (秒 )。 慣M —— 手臂啟動時的慣性力矩； )()( k gmtJJtJM co ??????? ??慣 （ ） J— 手臂回轉(zhuǎn)部件對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量 (公斤 2秒 ) ?? — 手臂回轉(zhuǎn)的角速度差 (弧度 /秒 )， t? — 啟動時所需的時間 (秒 ) ； cJ — 零件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量 (公斤 2秒 )， J。米 計算 cJ 時，可把形狀復(fù)雜的零件分成幾種形狀 細(xì)棒： 221212 lgGlmJ c ?? 圓柱體： )3(12)3(12 2222 RlgGRlmJ c ???? 16 圓盤： 2222 RgGRmJ c ?? 長方體： )(12)(12 2222 bagGbamJ c ???? 偏重力矩的計算 偏重力矩就是手臂懸伸部分的全部零件重量 (作用在各自的重心上 )對手臂回轉(zhuǎn)中心的靜力矩 eM 。各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形狀、材料比重進行粗略計算。計算時可把手臂偏重部分分解為幾個單元，先分別計算，然后匯總。但這樣又會增大手臂重量及轉(zhuǎn)動慣量。 如圖 4 l0a所示，手臂 總G 的作用下有順時針方向傾斜趨勢，而立柱導(dǎo)套可阻止手臂傾斜。 導(dǎo)套的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù) h 值的大小做成長的套管，或用兩個相距很近的短套管。各零部件的設(shè)計如下： （ 1）機座的設(shè)計 制造精度：此機構(gòu)為一般工作機械，故選用 7 級精度。 CATIA 實施金伙伴 (gold partner) 合作策略 ,在單一的運動分析 MotionWorks 中不必再與其他的軟件進行連接可直接模擬規(guī)劃出工件的運動軌跡。 仿真實體的繪制 六自由度機械手不是很復(fù)雜的機構(gòu) ,CATIA軟件建立三維模型并不太困難 ,用 CATIA 強大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 是否符合實際？ 模型優(yōu)化 是 否 是 否 29 的三維設(shè)計能力利用拉伸、陣列和切除等功能將模擬機器人的各零部件分別繪制出來 ,然后根據(jù)同軸、共面等幾何約束關(guān)系將幾個零部件裝配起來可以得到六自由度機械手的裝配圖。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。 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。 最大運動范圍 軸 3 （小臂） 90~+90176。 軸 5 （手抓） 90~+90176。 30 設(shè)大臂所在機件的線性長度為 la 。手抓到焊接點所在機件的線性長度分別為 lc 。 角 α 為大臂 x 、 z 軸所在平面的夾角。角 γ 為手抓與小臂所在直線所成夾角 ,順時 針為負(fù)逆時針為正。 ,順時針為負(fù)逆時針為正。 將總長的變化量和時間作商則可得平均速度 Vx =Δ l/t 。 Vz = Vx tan φ 。轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為 Vφ 則瞬時速度 Vx = dl/dt , Vy = dh/dt 。 三維設(shè)計裝配過程 （ 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。 31 結(jié)語 從三維模擬方案出發(fā) ,闡明了利用 CATIA實現(xiàn)機器人運動模擬的有效方法 ,從 CATIA 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)。加深對機器人這種高端技術(shù)認(rèn)識。 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。 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】 （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 【 9】 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 【 10】 隆飛，李珺等 .CATIA設(shè)計與應(yīng)用 .電子工業(yè)出版社， 2020 【 11】 Joel ,Knox ,.Remote Manipulator, 1988 【 12】 Ferrell ., Conteol of Rernote Maniption, IEEE Spectrum,1967.(4):8188 【 13】 LaSalle,., by Liapunov’ s Direct Method, Academic Press,London and New York,1961