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基于proe六自由度機(jī)械手建模及運(yùn)動仿真的設(shè)計
摘要
本文以六自由度焊接機(jī)械手部的三維運(yùn)動仿真為背景。介紹了國內(nèi)外焊接機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r并著重分析了六自由度焊接機(jī)械手運(yùn)動原理和三維制圖軟件Proe的應(yīng)用，在此軟件基礎(chǔ)上對手部進(jìn)行了繪制，運(yùn)動分析和動畫模擬。對于Proe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)動過程，展示了Proe強(qiáng)大的運(yùn)動仿真功能。重點分析了六自由度機(jī)械手的三維建模和建模后運(yùn)動軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)
關(guān)鍵詞：Proe ; cosmosmotion ; 三維運(yùn)動模擬; 動畫模擬
Abstract
In this paper, welding robot of six degrees of freedom of hand motion simulation for the three-dimensional background. Welding robot at home and abroad and focus on the development of analysis of the welding robot of six degrees of freedom of hand movement and three-dimensional mapping principle Proe software applications based on this software in the department of drawing opponents, motion analysis and animation simulation. Mapping software for Proe introduces the emergence and development of its history and application specific parts introduced the method of operation of three-dimensional graphics and motion simulation of the operation of plug-ins COSMOSMotion process, demonstrated the powerful movement Proe simulation. Analysis focused on the six degrees of freedom robot arm
modeling of three-dimensional modeling and trajectory planning, after the realization of
Key words: :Proe ; cosmosmotion ; simulation of 3D motion ; Animated Simulation
II
目錄
摘要 Ⅰ
前言 1
第1章 焊接機(jī)器人概述 2
1.1 焊接機(jī)器人的發(fā)展 2
1.1.1 國外焊接機(jī)器人的發(fā)展 2
1.1.2 國內(nèi)焊接機(jī)器人研究的歷史及現(xiàn)狀 3
1.1.3 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀 3
1.1.4 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢 4
1.2 焊接機(jī)械手的組成、分類 4
1.2.1 組成 4
1.2.2 分類 6
1.3 基本型式 7
1.3.1 直角坐標(biāo)式機(jī)械手 7
1.3.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 7
1.3.3 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 8
第2章 計算機(jī)輔助設(shè)計和Proe軟件的發(fā)展 9
2.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 9
2.2 軟件的特點及前景 9
2.3 COSMOSMotion的應(yīng)用及特點 10
第3章 焊接機(jī)械手的設(shè)計思想 12
3.1 機(jī)械手特性方程式 12
3.2 手臂的設(shè)計計算 14
3.2.1 驅(qū)動力的計算 14
3.2.2 水平回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力矩的計算 14
3.2.3 偏重力矩的計算 15
3.2.4焊接機(jī)械手各零部件的設(shè)計 16
第4章 三維實體建模 25
4.1 模擬方案的確定 25
4.2 仿真實體的繪制 26
4.3 簡單數(shù)學(xué)模型的建立 26
4.4 模擬加載與仿真 28
4.4.1 仿真模擬的實現(xiàn) 28
4.4.2 進(jìn)行運(yùn)動校核 30
4.4.3 結(jié)語 30
總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
- 33 -
前言
機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、焊接、電子、輕工和原子能等部門。
機(jī)器人三維運(yùn)動仿真技術(shù)在機(jī)器人的研究與應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。它對于在實際工作中機(jī)器人行走路徑的生成、工作空間防止碰撞等具有十分重要的現(xiàn)實意義。
本文對機(jī)器人的產(chǎn)生發(fā)展及前景展望進(jìn)行分析，主要利用Proe對機(jī)械手設(shè)計并進(jìn)行了動態(tài)仿真，介紹了基于Proe設(shè)計三維零件的操作方法及運(yùn)動分析插件cosmosmotion基本功能。
第1章 焊接機(jī)器人的概述
焊接機(jī)器人是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科。
焊接機(jī)器人的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識:其一、它能部分地代替人工操作，其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸，其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、嗓音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
1.1 焊接機(jī)器人的發(fā)展
1.1.1 國外焊接機(jī)器人的發(fā)展
焊接機(jī)器人是近十年來迅速發(fā)展起來的智能機(jī)器目前不少焊接機(jī)器人不僅具有“ 示教再現(xiàn)” 功能, 而且在實際焊接過程中能自動對準(zhǔn)焊縫, 焊接大量不同空間位置的焊縫。焊接機(jī)器人工作時, 重復(fù)精度高, 焊接質(zhì)量好, 而兼?zhèn)溲b、卸工件和焊接功能, 具有較高的機(jī)械化水平和生產(chǎn)效率, 特別適宜在有毒、書強(qiáng)射線和水下等特殊場合作業(yè)在國外, 焊接機(jī)器人除在焊接汽車車身、底盤、轎殼、車輪和十字頭等零部件的生產(chǎn)線上獲得廣泛應(yīng)用外, 在高壓容器、動力設(shè)備、大型壓縮氣體儲罐、汽輪機(jī)葉片、水下設(shè)施和核反應(yīng)堆等焊接結(jié)構(gòu)上也日益顯示出它的重要作用。近年來, 由于焊接機(jī)器人造價迅速降低和功能不斷完善,它已成為國際市場上供不應(yīng)求的“ 熱門貨”。
近十年來, 日、美、蘇、英、法等國都投入了大量的人力、物力從事焊接機(jī)器人的開發(fā)工作, 其中日本焊接機(jī)器人的進(jìn)展速度尤為驚人。日本從1978年開始研制點焊機(jī)器人,1980年研制成功第一個弧焊機(jī)器人，1981年日本生產(chǎn)了1500個焊接機(jī)器人, 產(chǎn)值達(dá)到145億日元, 由日本工業(yè)機(jī)器人的第六位躍居為第二位目前有10家工廠具有年產(chǎn)1000多個焊接機(jī)器人的能力為日本發(fā)展和普及焊接機(jī)器人,于1982年成立了全國機(jī)器人焊接研究委員會。此外,許多日本大公司, 如大阪變壓器公司先后在大阪、東京、名古屋等地設(shè)立了焊接機(jī)器人培訓(xùn)學(xué)校。1984年豐田汽車公司己在其作業(yè)線上安排了1300個機(jī)器人, 今年又將引進(jìn)300個晝夜工作的機(jī)器人。預(yù)計在未來的五年中, 日本焊接機(jī)器人的產(chǎn)值將迅速增長。
目前世界上已有七十多種數(shù)萬個焊接機(jī)器人在各種生產(chǎn)線上從事焊接操作。從數(shù)量和智能化的程度來看, 日本的焊接機(jī)器人在世界上占明顯優(yōu)勢, 并已向美、英等國大量出口。
1.1.2 國內(nèi)焊接機(jī)器人研究的歷史及現(xiàn)狀
我國自上世紀(jì)70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過40% , 焊接機(jī)器人的增長率超過了60% ；2004年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400 臺，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過9000臺，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005 年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了5000臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的6% ，遠(yuǎn)小于韓國所占的15% ，更遠(yuǎn)小于日本所占的69% 。這對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。
當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。
1.1.3 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會和中國焊接協(xié)會進(jìn)行了一次比較全面的焊接機(jī)器人在制造業(yè)中應(yīng)用情況調(diào)查,結(jié)果顯示, 到1996年底焊接機(jī)器人已得到廣泛應(yīng)用。我國使用焊接機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)的企業(yè)已有幾百家, 全國安裝的焊接機(jī)器人已超過千臺套, 主要集中在汽車、摩托車和工程機(jī)械個重要行業(yè)并且90%以上屬于5或6軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人。
新松公司以關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、自主產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用工程示范為技術(shù)路線, 將各類汽車車身自動沖壓線、白車身焊裝線、汽車總裝線、發(fā)動機(jī)裝配線、工裝夾具及輸送系統(tǒng)的設(shè)計制造焊裝線鋼結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)工程的設(shè)計制造焊裝線工藝設(shè)計、平面布置、機(jī)器人選型、機(jī)器人用自動焊鉗設(shè)計與選型、非標(biāo)機(jī)械裝備、輔具、控制系統(tǒng)的設(shè)計制造與生產(chǎn)工藝調(diào)試等方面的先進(jìn)裝備技術(shù)成功應(yīng)用于企業(yè)實際生產(chǎn)。開發(fā)出了適用性強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡便、工藝結(jié)構(gòu)性良好、經(jīng)濟(jì)高效的系列裝備生產(chǎn)線, 在機(jī)器人弧焊、點焊系統(tǒng)總體設(shè)計和應(yīng)用工程的實施上, 積累了豐富的生產(chǎn)線設(shè)計與機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)。屹今, 新松公司完成的弧焊、點焊機(jī)器人工作站, 各種裝焊線等機(jī)器人自動化應(yīng)用工程已超過600多臺套，連續(xù)多年順利通過ISO9001國際質(zhì)量體系認(rèn)證。解決了國內(nèi)眾多企業(yè)生產(chǎn)裝備技術(shù)難題, 提升了在國際舞臺上的抗衡能力, 為中國企業(yè)的騰飛乃至民族工業(yè)的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。
1.1.4 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢
為保障公司的產(chǎn)品和技術(shù)與世界水平同步發(fā)展, 新松公司充分利用自身的技術(shù)優(yōu)勢和行業(yè)地位, 除了開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)機(jī)器人自動化系列產(chǎn)品外。公司還與國際眾多知名的機(jī)器人自動化企業(yè)建立了緊密的商業(yè)合作伙伴關(guān)系, 緊緊圍繞客戶需求, 公司把國外先進(jìn)的機(jī)器人自動化技術(shù)、產(chǎn)品與自身強(qiáng)大的研發(fā)設(shè)計能力、先進(jìn)的技術(shù)裝備與完善的服務(wù)體系進(jìn)行完美整合, 充分發(fā)揮各自的技術(shù)和資源優(yōu)勢, 為客戶提供完整的技術(shù)解決方案和交鑰匙工程。保證了公司的產(chǎn)品技術(shù)水平始終與世界先進(jìn)水平同步, 為廣大客戶提供最大增值服務(wù), 形成了以機(jī)器人和先進(jìn)裝備為主體的核心技術(shù), 從而具有較強(qiáng)的綜合競爭優(yōu)勢和差異化競爭優(yōu)勢。
隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和企業(yè)對自動化水平要求的不斷提高, 將為焊接機(jī)器人市場的快速增長提供一個良好的平臺, 也將為新松公司機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的拓展帶來前所未有的機(jī)遇。預(yù)計未來5年, 國內(nèi)企業(yè)對焊接機(jī)器人的需求量將以以上的速度增長。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看, 焊接機(jī)器人不斷向智能化方向發(fā)展, 完全實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人的群體協(xié)調(diào)和集成控制, 從而達(dá)到更高的可靠性和安全性。
焊接發(fā)展趨勢為發(fā)展自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng), 主要集自動化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點于一身, 這也是近幾年國內(nèi)轎車生產(chǎn)大規(guī)模、迅速地使用了機(jī)器人的緣故。焊接機(jī)器人生產(chǎn)線更加要求高度自動化, 廣泛采用6自由度的機(jī)器人, 且機(jī)器人具有焊鉗儲存庫, 可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更, 自動從儲存庫抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無人駕駛的更具柔性化的感應(yīng)導(dǎo)向小車。對未來大量采用焊接機(jī)器人的生產(chǎn)企業(yè), 在高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本條件下必將獲得高速發(fā)展, 真正實現(xiàn)與國際接軌,也必將為民族工業(yè)的發(fā)展帶來新的生機(jī)。
1.2焊接機(jī)械手的組成、分類
1.2.1組成
焊接機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1.手部
手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。
機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般是指真空吸盤或磁性吸盤。
2.手臂
手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。
總括機(jī)械手的運(yùn)動，離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、交流伺服馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。
3.軀干
軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
驅(qū)動機(jī)構(gòu)
驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種:液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓、氣動用的最多，占90％以上；電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。
液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運(yùn)動，利用擺動油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。
氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4~6個大氣壓，個別的達(dá)到8~10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
為了減少停機(jī)時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。
電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動則用電機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu);有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮采用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。
電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單；維護(hù)、使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動力，出力比較大，缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。
機(jī)械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高。成本低，缺點是不易于調(diào)整。
控制系統(tǒng)
機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運(yùn)動速度和加減速度等。
機(jī)械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制為主，占90%以上。
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
程序的存貯方式分為分離存貯和集中存貯兩種。分離存貯是將各種控制因素的信息分別存貯于兩種以上的存貯裝置中，如順序信息存貯于插銷.飯、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)，位置信息存貯于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等。
集中存貯是將各種控制因素的信息全部存貯于一種存貯裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式適用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。
對動作復(fù)雜的機(jī)械手(機(jī)器人)，采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機(jī)或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)以插銷板用得最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一凸輪分配給一個運(yùn)動軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動一周便完成一個工作循環(huán)。
插銷板適用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板就可，而同一插件又可以反復(fù)使用。
穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換。穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存、可重復(fù)使用。
磁芯和磁鼓僅適用子存貯容量較大的場合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動作的復(fù)雜程度和精確程度來確定。
1.2.2 分類
1、按用途分類
（1）專用機(jī)械手
專用機(jī)械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。
（2）通用機(jī)械手
通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)，如插銷板、插件板、穿孔帶、穿孔卡、凸輪轉(zhuǎn)鼓、磁芯和磁鼓等。
通用機(jī)械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和智能機(jī)械手、操縱式機(jī)械手等幾種。
1簡易型通用機(jī)械手是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的一種，固定程序采用凸輪轉(zhuǎn)鼓可變程序則采用插銷板或插件板進(jìn)行控制。
2示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手，先由人操縱機(jī)械手完成必要的動作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進(jìn)行動作。故又稱之為重復(fù)型機(jī)械手。
3智能機(jī)械手具有較高的判斷能力，它以光敏元件模擬人的“眼睛”，以聲敏元件模擬人的“耳朵”，以熱電偶和電阻應(yīng)變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺和觸覺，以電子計算機(jī)模擬人的“大腦”。具有以上“視覺”、“聽覺”、“觸覺”以及能思考的智能機(jī)械手(機(jī)械人)，目前正處在研究試制階段，個別已達(dá)到實用的階段。
4操縱式機(jī)械手在人的操縱之下完成多種復(fù)雜動作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時改變。操縱式機(jī)械手可以近距離直接操縱，也可以遠(yuǎn)距離操縱。其特點是適合于人不宜進(jìn)入的環(huán)境中工作，如海底資源開發(fā)，宇宙空間探索，以及危險的工作地區(qū)。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
2、按控制型式分類
（1）點位控制型機(jī)械手
點位控制型機(jī)械手的運(yùn)動軌跡是空間二個點之間的聯(lián)接?？刂泣c數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機(jī)械手是點位控制型。
（2）連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手
這種機(jī)械手的運(yùn)動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線。它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。
1.3基本型式
機(jī)械手型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式—直兔坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式?，F(xiàn)簡述如下:
1.3.1直角坐標(biāo)式機(jī)械手
直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X，Y，Z只個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動，其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動，二個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。
如在X、Y、Z三個直線運(yùn)動方向上各具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。
1.直角坐標(biāo)式機(jī)械手的優(yōu)缺點是:
(1)產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求，
(2)容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機(jī)械相配合，
(3)適于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更,
(4)定位精度高，可達(dá)到士0.5毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度，
(5)易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。
缺點是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小。
1.3.2圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、Ф三個運(yùn)動組成。它的工作范圍可分為:一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
1、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作:
(1)手臂水平回轉(zhuǎn);
(2)手臂伸縮;
(3)少手臂上下;
(4)手臂回轉(zhuǎn)動作;
(5)手爪夾緊動作;
2、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(Ф)。
1.3.3關(guān)節(jié)式機(jī)械手
關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。
1.特點
關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。
表1—2為關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動作角度比較：
表1—2 關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動作角度比較
肩旋轉(zhuǎn)
上臂曲擺
下臂曲擺
下臂旋轉(zhuǎn)
手腕曲擺
手腕搖擺
手旋轉(zhuǎn)
人體上肢
～
–～+
–～+
–～+
—
關(guān)節(jié)式機(jī)械手
—
關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動式。傳動機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。若按擺動式扭矩來設(shè)計，則油缸將加大，而裝載油缸的機(jī)架也將隨之加大。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端關(guān)節(jié)部分的重量對肩部影響很大。傳動機(jī)構(gòu)在承受負(fù)荷的同時必須承受自重。因此，傳動效率很低。如需要大的轉(zhuǎn)動角，則宜采用擺動油缸。
以上三種基本型式的機(jī)械手各有特點，但在基本尺寸相同的情況下，如當(dāng)手臂長度和機(jī)體高度相等時，應(yīng)比較哪一種機(jī)械手能達(dá)到的動作范圍為最大，以便于在工作中加以有效的利用。
第2章 計算機(jī)輔助設(shè)計和Proe軟件的發(fā)展
2.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展
近些年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)圖形處理能力日益增強(qiáng)，以計算機(jī)為主要工具的仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來，并很快應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在計算機(jī)輔助下進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計、校核，并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動仿真己經(jīng)逐漸成為機(jī)械設(shè)計的發(fā)展方向。
在傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中，首先是方案設(shè)計及論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行試驗，有時這些試驗甚至是破壞性的。當(dāng)通過試驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，又要回頭修改設(shè)計并再用樣機(jī)驗證。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(dá)到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。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。在市場競爭的背景下，基于實際樣機(jī)上的設(shè)計驗證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品的質(zhì)量的提高、成本的降低和對市場的占有。隨著經(jīng)濟(jì)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(yùn)營方式，誰早推出產(chǎn)品，誰就占有市場。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式卻無法滿足這些要求。
計算機(jī)運(yùn)動仿真作為計算機(jī)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(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、實時計算技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)。作為一門新興的高技術(shù)，己經(jīng)成為工程技術(shù)領(lǐng)域計算機(jī)應(yīng)用的重要方向。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(jī)運(yùn)動仿真己經(jīng)成為不可缺少的工具。借助于這項技術(shù)，工程師們可以在計算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的虛擬模型，伴之以三維可視化處理，模擬其在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動和動力特性，并根據(jù)仿真的結(jié)果來精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計。計算機(jī)運(yùn)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(jī)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。
2.2 軟件的特點及前景
Proe是基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是由美國Proe公司總結(jié)和繼承了大型機(jī)械CAD軟件的基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機(jī)械三維CAD軟件，于1995年11月研制成功。Proe是市場份額增長最快、技術(shù)發(fā)展最快、市場前景最好、性能價格比最優(yōu)的軟件。隨著Proe版本的不斷提高、性能的不斷增強(qiáng)，Proe已經(jīng)能滿足一般企業(yè)的一般需求了。
Solidworsks具有以下特點:
(l).Proe是當(dāng)今世界基于NT/Windows平臺的三維機(jī)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。
(2).易學(xué)、易用，操作過程直觀、簡單，功能強(qiáng)大。
(3).完全漢化，使用過程中無任何語言障礙。
(4).可向下兼容二維AutoCAD，使得以前采用Aut0CAD進(jìn)行的設(shè)計可以繼續(xù)使用和轉(zhuǎn)化。
2.3 COSMOSMotion的應(yīng)用及特點
COSMOSMotion是模擬您的產(chǎn)品在 CAD 系統(tǒng)內(nèi)的功能的軟件。此過程稱作功能虛擬原型機(jī)仿真。COSMOSMotion對機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行模擬并輸出您通常應(yīng)實際收集的信息。COSMOSMotion旨在幫助用戶減少對使用物理原型機(jī)仿真和測試來確保設(shè)計工作順利進(jìn)行的需求。通過減少對硬件原型機(jī)的依賴，公司將減少開發(fā)產(chǎn)品所需的時間和節(jié)約資金。此外，通過采用功能虛擬原型機(jī)仿真，公司將能夠測試更多的產(chǎn)品配置。大多數(shù)公司發(fā)現(xiàn)，COSMOSMotion通常在一個項目中就可以收回投資。
COSMOSMotion和在 Proe 裝配體建模工具中看到的運(yùn)動之間有很多區(qū)別，COSMOSMotion將物理情況（作用力、動量和重力）考慮在內(nèi)，而裝配體建模工具則不然。在流行的裝配體建模工具內(nèi)，可以通過修改參數(shù)或拖動模型的各部分，看到系統(tǒng)移動情況。使用裝配體模塊運(yùn)動，可以擴(kuò)展具有多個促動器（例如馬達(dá)）和彈簧的裝配體模型，以了解機(jī)械運(yùn)動在現(xiàn)實世界的情況。干涉檢查和 AVI 影片可以幫助用戶找出問題并向他人表述這些問題。在裝配體模型中看到的運(yùn)動和在 COSMOSMotion中看到的運(yùn)動之間有一個顯著差別。裝配體建模工具無法模擬在 COSMOSMotion中提供的齒輪、凸輪、插銷、作用力等，或者無法生成在 XY 坐標(biāo)圖中可以查看的工程數(shù)據(jù)。
Proe 的運(yùn)動仿真及動畫制作也可以通過其插件Animator 軟件進(jìn)行的。通過Animator 可以將產(chǎn)品運(yùn)動及旋轉(zhuǎn)制作成AVI 格式的動畫,也可將動畫保存成. bmp 或. tga 格式的一系列的靜止圖像。但COSMOSMotion與Animator有很大區(qū)別。
COSMOSMotion基于物理性質(zhì)，而 Proe Animator 則不然。物理性質(zhì)意味著在運(yùn)動中捕獲像重力和摩擦力之類的影響。COSMOSMotion允許您模擬設(shè)計的物理運(yùn)動并通過基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)的動畫和坐標(biāo)圖形象地表現(xiàn)出運(yùn)動的情況。您可以使用COSMOSMotionAVI 捕獲物理運(yùn)動并與他人交流這些物理運(yùn)動。Proe Animator 是用于幫助您設(shè)計動畫的工具。這些動畫可以包含旋轉(zhuǎn)裝配體、裝配/拆卸零件以及樞接裝配體。與 COSMOSMotion一樣，這些動畫可被存儲為 AVI 文件以供協(xié)作。
COSMOSMotion用戶界面是 Proe 界面的無縫擴(kuò)展，它使用 Proe 數(shù)據(jù)存儲庫并且沒有 Proe 數(shù)據(jù)的復(fù)制/導(dǎo)出。這使它易于學(xué)習(xí)和使用。COSMOSMotion是基于功能強(qiáng)大的 ADAMS 解決方案引擎創(chuàng)建的。“Powered by ADAMS”意味著用戶可以從世界上最大的制造公司采用的同一種模擬技術(shù)中受益。ADAMS 已經(jīng)受了很多次考驗，表明比任何其它運(yùn)動模擬工具更精確并且能夠解決范圍更廣的問題。它是世界上最廣泛使用的機(jī)械系統(tǒng)模擬工具。
第3章 焊接機(jī)械手的設(shè)計思想
焊接機(jī)械手的任務(wù)就是從原始位置到達(dá)工作地點并完成一系列作業(yè)需要的動作。工作原理是固定機(jī)座后通過機(jī)身上轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)和大小手臂的運(yùn)動帶動旋轉(zhuǎn)手腕的轉(zhuǎn)動和擺動手腕的運(yùn)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。
機(jī)械手的動作分析十分復(fù)雜，需要應(yīng)用較高深的數(shù)學(xué)理論，面且計算也是十分繁雜。隨著電子計算機(jī)的應(yīng)用，為機(jī)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)。
圖3—1 機(jī)械手按矢量封閉圖表示
設(shè)機(jī)械手從初始狀態(tài)出發(fā)，到達(dá)夾持點需經(jīng)過多次位移，形成一系列動作。為了分析研究上述的動作，可用機(jī)械手的本體、手腕到手指一系列動作的矢量、、、、、、、之和來表示，見圖（3—1）
即P=
3.1 機(jī)械手特性方程式
設(shè)機(jī)械手以初始狀態(tài)到達(dá)夾持點順次經(jīng)過幾次位移，其位移角分別取、 ……等，規(guī)定標(biāo)記：
從原始點零開始依次標(biāo)上下腳注字1、2、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。
對于初始狀態(tài)而分別向著i、j、k方向的矢量上，則分別在右上角添上i、j、k。
旋轉(zhuǎn)按照旋轉(zhuǎn)變換張量來表示。
如對六個自由度的通用機(jī)械手如圖3-2具有、、、、、。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。
則機(jī)械手從初始狀態(tài)到達(dá)夾持點時，其矢量
（3.2）
圖3-2 用矢量圖表示機(jī)械手
即稱之為機(jī)械手特性方程式，這一特性方程式完全表達(dá)了機(jī)械手的性質(zhì)。經(jīng)整理
（3.3）
從上式可見右邊每一項對應(yīng)于
這里為姿勢適量。
其次研究一下保持夾持矢量的工作姿勢會變成什么樣子。用a*表示工件的姿勢，設(shè)其初始值為。則
（3.4）
將此式展開并取式（3.3）與（3.4）之差：
a*=
將各個方向的矢量代入給出各抽位移后，就變成a*。
3.2 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(dá)到動作靈活、運(yùn)動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運(yùn)動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動精度和定位精度。手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計重點是驅(qū)動力的計算和偏重力矩的計算。現(xiàn)分述如下:
3.2.1 驅(qū)動力的計算
根據(jù)手臂運(yùn)動的不同，驅(qū)動力可分為兩種情況來計算。
水平伸縮運(yùn)動時，主要是克服摩擦阻力和慣性力
式中——摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力、活塞與密封裝置處的摩擦阻力；
——手臂在起動過程中的慣性力。其大小可按下式計算；
（3.5）
其中G —— 手臂移動部件的重量(公斤)，
g —— 重力加速度9.81.(米/ }
——起動或制動前后的速度差(米/秒)
—— 起動或制動所需的時間(秒)。
3.2.2 水平回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力矩的計算
——摩擦力矩(包括各支承處摩擦祖力矩);
——手臂啟動時的慣性力矩；
（3.6）
J—手臂回轉(zhuǎn)部件對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量(公斤·米·)
—手臂回轉(zhuǎn)的角速度差(弧度/秒)，
—啟動時所需的時間 (秒) ；
— 零件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量(公斤·米·)，
J?！?零件作為其重心位置的質(zhì)點對手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量(公斤·米·)
—手臂回轉(zhuǎn)半徑〔重心到回轉(zhuǎn)中心的距離)(米)；
G—手臂運(yùn)動件的重量(公斤)。
計算時，可把形狀復(fù)雜的零件分成幾種形狀
細(xì)棒：
圓柱體：
圓盤：
長方體：
3.2.3 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。最大偏重力矩產(chǎn)生于手臂伸縮缸全部伸出，并夾持額定重量的零件時，如圖3——5所示。各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形狀、材料比重進(jìn)行粗略計算。重心位置，由于零件多數(shù)均選用對稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于其幾何截面的形心上。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。
=++++…=
式中i表示工件、手指、手腕、手臂等零部件的順序號，的重心位置距0點距離為；
= （3.7）
其偏重力矩為
（3.8）
如果求出的偏重力矩過大，可重新布置各部件在手臂上的位置.也可加平衡塊來改善受力情況。但這樣又會增大手臂重量及轉(zhuǎn)動慣量。因此要多方考慮。
如圖4 -l0a所示，手臂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)套對升降立柱的作用力如圖示和.根據(jù)升降立柱的力平衡條件:
=
（3.9）
所以
f為摩擦系數(shù)，一般為0.1這里可取f=0.16
則 （3.10）
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值的大小做成長的套管，或用兩個相距很近的短套管。3.2.4 焊接機(jī)械手各零部件的設(shè)計
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、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)手腕、擺動手腕、手抓、銷釘、螺栓、螺母等構(gòu)成。各零部件的設(shè)計如下：
（1）機(jī)座的設(shè)計
制造精度：此機(jī)構(gòu)為一般工作機(jī)械，故選用7級精度。
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（2）機(jī)座蓋板的設(shè)計
利用實體設(shè)計，如圖
（3）機(jī)身的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（4）轉(zhuǎn)臺的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（5）大臂的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（6）小臂的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（7）旋轉(zhuǎn)手腕的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（8）擺動手腕的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
（9）手抓的設(shè)計
利用PROE實體設(shè)計，如圖
組裝后的樣子，如圖
第4章 三維實體建模
4.1 模擬方案的確定
proe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
圖4—1六自由度機(jī)械手模擬加載仿真流程圖
Proe 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)軟件的價格向廣大機(jī)械設(shè)計人員提供用戶界面更友好,運(yùn)行環(huán)境更廣大的實體造型實用功能。Proe 實施金伙伴(gold partner) 合作策略,在單一的運(yùn)動分析Motion-Works 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)動軌跡。流程如圖4—1 ,由圖可知對仿真實體的模擬加載與仿真分析,旨在對樣機(jī)的整體動態(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)的實驗時間,降低試驗成本,加快研究進(jìn)程的目的。
4.2 仿真實體的繪制
六自由度機(jī)械手不是很復(fù)雜的機(jī)構(gòu),proe軟件建立三維模型并不太困難,用Proe 強(qiáng)大的三維設(shè)計能力利用拉伸、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,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(jī)械手的裝配圖。
表4—1機(jī)械手零部件明細(xì)表
序號
零部件名稱
數(shù)量
序號
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
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Proe 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。
4.3 簡單數(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)）
-180~180°
軸2 （大臂）
0~90°
最大運(yùn)動范圍
軸3 （小臂）
-90~+90°
軸4 （手腕）
360°
軸5 （手抓）
-90~+90°
圖4—3六自由度機(jī)器人簡化模型
圖4—3為六自由度機(jī)械手簡化模型,以基座底面圓的圓心為坐標(biāo)原點設(shè)立三維坐標(biāo)系。
設(shè)大臂所在機(jī)件的線性長度為la ;小臂和手腕所在機(jī)件的線性長度為lb ;手抓到焊接點所在機(jī)件的線性長度分別為lc ;基座底到第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(fù)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(fù)逆時針為正。φ為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度, x 軸正向為0°,順時針為負(fù)逆時針為正。
可得機(jī)器人x 軸的總水平伸長量
l = sin + sin (α+β) + sin (α+β+γ)=104
總的身長高度
h = sin + sin (α+β) + 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(biāo)
( x , y , z) : ( lcos φ, h , lsin φ)
根據(jù)坐標(biāo)可分別逆推待定和計算每個轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)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 =Δl/t ; Vy =Δh/t ; Vz = Vx tan φ。
若每個伺服電動機(jī)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(wèi) = os ( Vαt) +cos ( Vβt ) + cos ( Vγt) , h = sin ( Vαt) + sin ( Vβt) + sin ( Vγt) + h1 ,然后瞬時加速度及相關(guān)的數(shù)據(jù)也可得出。
4.4 模擬加載與仿真
4.4.1 仿真模擬的實現(xiàn)
（1）機(jī)構(gòu)的裝配過程
該機(jī)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(zhǔn)備好，裝配過程如下：
啟動Proe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(rèn)為固定的零件，以后添加的零件依次為基準(zhǔn)。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(jìn)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(yùn)動仿真操作。如下圖
（2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置
啟動COSMOSMotion插件，為了實現(xiàn)運(yùn)動形式的模擬，首先定義前進(jìn)的運(yùn)動形式，操作過程如下：在次節(jié)點“運(yùn)動”上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“對零部件添加運(yùn)動”選項，彈出定義運(yùn)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(jī)身”的邊線，在“選擇X軸”選項框內(nèi)選擇“小臂”的邊線。打開“運(yùn)動”選項卡，在“運(yùn)動作用在”中選擇“沿Z軸平移”選項，在“運(yùn)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(jī)構(gòu)在運(yùn)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(biāo)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(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。在公式“Torque Expression”中選擇
(6.9)
式中 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(rèn)值，單擊“確定”完成設(shè)置。單擊“仿真”按鈕，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真。
4.4.2 進(jìn)行運(yùn)動校核
在Proe 有cosmosmotion 插件是專門用來進(jìn)行運(yùn)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(dá),它有伺服電動機(jī)的作用。加入旋轉(zhuǎn)進(jìn)行模擬,其方向和旋轉(zhuǎn)角速度都按照既定的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)定,在幾個連接機(jī)構(gòu)的連接副上進(jìn)行轉(zhuǎn)動副的設(shè)置后進(jìn)行運(yùn)動模擬,同時旋轉(zhuǎn)角度要防止零件的干涉,因此要嚴(yán)格按照表4—2的最大旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行約束,必要時可選擇錄像功能,可對動畫從多個方向進(jìn)行觀察,可將動畫保存,更加直觀地得到六自由度機(jī)械手的運(yùn)動效果圖,就像真正的機(jī)器在面前一樣,根據(jù)運(yùn)動效果圖和模擬得到的數(shù)據(jù)可以按照要求對機(jī)器的運(yùn)動進(jìn)行改進(jìn)。
Proe 下的cosmosmotion 插件可以做多種運(yùn)動分析,以手抓的運(yùn)動為例得到它的3 個坐標(biāo)軸(系統(tǒng)默認(rèn)基建模坐標(biāo)軸,如果需要可以自定義坐標(biāo)位置,同樣采用系統(tǒng)默認(rèn)速度) 位置運(yùn)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(dá)。這樣就為進(jìn)行運(yùn)動校核和模擬提供了數(shù)據(jù)依據(jù),可以對機(jī)械進(jìn)行更好地改進(jìn)和校核。
分析可知:
(1) 在設(shè)定的情況下手爪的位置坐標(biāo)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(biāo)值減小,即手臂的總伸縮量減小,是一個縮進(jìn)過程, Z 坐標(biāo)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(biāo)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(yùn)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(yùn)動,在即將達(dá)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(biāo)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。
4.4.3 結(jié)語
從三維模擬方案出發(fā),闡明了利用Proe實現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動模擬的有效方法,從Proe 的方法重點分析了六自由度機(jī)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(dá),模擬運(yùn)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(yùn)動數(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)
通過對文獻(xiàn)的閱讀，了解了關(guān)于機(jī)械手的發(fā)展過程，以及組成、分類。加深對機(jī)器人這種高端技術(shù)認(rèn)識。
熟練掌握Proe的三維建模和動態(tài)仿真，尤其對了解了強(qiáng)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(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(jī)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。
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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(jī)械手設(shè)計及Proe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(yán)謹(jǐn)?shù)淖鍪聭B(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。