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學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
基于SolidWorks六自由度焊接機(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)模擬
學(xué)生姓名：馬俊
學(xué) 號(hào)：20054024148
指導(dǎo)教師：劉天祥
所在學(xué)院：工程學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
中國(guó)·大慶
2009 年 6 月
黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
本文以六自由度焊接機(jī)械手部的三維運(yùn)動(dòng)仿真為背景。介紹了國(guó)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(dòng)原理和三維制圖軟件SolidWorks的應(yīng)用，在此軟件基礎(chǔ)上對(duì)手部進(jìn)行了繪制，運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬。對(duì)于SolidWorks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(dòng)過(guò)程，展示了SolidWorks強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)仿真功能。重點(diǎn)分析了六自由度機(jī)械手的三維建模和建模后運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)
關(guān)鍵詞：SolidWorks ; cosmosmotion ; 三維運(yùn)動(dòng)模擬; 動(dòng)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 SolidWorks software applications based on this software in the department of drawing opponents, motion analysis and animation simulation. Mapping software for SolidWorks 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 SolidWorks 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: :SolidWorks ; 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(guó)外焊接機(jī)器人的發(fā)展 2
1.1.2 國(guó)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(shì) 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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和SolidWorks軟件的發(fā)展 9
2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展 9
2.2 軟件的特點(diǎn)及前景 9
2.3 COSMOSMotion的應(yīng)用及特點(diǎn) 10
第3章 焊接機(jī)械手的設(shè)計(jì)思想 12
3.1 機(jī)械手特性方程式 12
3.2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.2.1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 14
3.2.2 水平回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 14
3.2.3 偏重力矩的計(jì)算 15
3.2.4焊接機(jī)械手各零部件的設(shè)計(jì) 16
第4章 三維實(shí)體建模 25
4.1 模擬方案的確定 25
4.2 仿真實(shí)體的繪制 26
4.3 簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn) 28
4.4.2 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核 30
4.4.3 結(jié)語(yǔ) 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(dòng)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(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)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(dòng)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(duì)于在實(shí)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(shí)意義。
本文對(duì)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Solidworks對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，介紹了基于Solidworks設(shè)計(jì)三維零件的操作方法及運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)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(gè)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(shí):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(shí)間和位置來(lái)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(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)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(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)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(guó)外焊接機(jī)器人的發(fā)展
焊接機(jī)器人是近十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)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(shí)際焊接過(guò)程中能自動(dòng)對(duì)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(shí), 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(chǎng)合作業(yè)在國(guó)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(dòng)力設(shè)備、大型壓縮氣體儲(chǔ)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(lái), 由于焊接機(jī)器人造價(jià)迅速降低和功能不斷完善,它已成為國(guó)際市場(chǎng)上供不應(yīng)求的“ 熱門貨”。
近十年來(lái), 日、美、蘇、英、法等國(guó)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(diǎn)焊機(jī)器人,1980年研制成功第一個(gè)弧焊機(jī)器人，1981年日本生產(chǎn)了1500個(gè)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(gè)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(guó)機(jī)器人焊接研究委員會(huì)。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(gè)機(jī)器人, 今年又將引進(jìn)300個(gè)晝夜工作的機(jī)器人。預(yù)計(jì)在未來(lái)的五年中, 日本焊接機(jī)器人的產(chǎn)值將迅速增長(zhǎng)。
目前世界上已有七十多種數(shù)萬(wàn)個(gè)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(lái)看, 日本的焊接機(jī)器人在世界上占明顯優(yōu)勢(shì), 并已向美、英等國(guó)大量出口。
1.1.2 國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人研究的歷史及現(xiàn)狀
我國(guó)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(guò)二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均年增長(zhǎng)率都超過(guò)40% , 焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過(guò)了60% ；2004年國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400 臺(tái)，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過(guò)9000臺(tái)，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005 年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過(guò)了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量的6% ，遠(yuǎn)小于韓國(guó)所占的15% ，更遠(yuǎn)小于日本所占的69% 。這對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來(lái)說(shuō)顯然是不匹配的，這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)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(lái)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(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)和中國(guó)焊接協(xié)會(huì)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(guó)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(guó)安裝的焊接機(jī)器人已超過(guò)千臺(tái)套, 主要集中在汽車、摩托車和工程機(jī)械個(gè)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(dòng)沖壓線、白車身焊裝線、汽車總裝線、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線、工裝夾具及輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造焊裝線鋼結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)制造焊裝線工藝設(shè)計(jì)、平面布置、機(jī)器人選型、機(jī)器人用自動(dòng)焊鉗設(shè)計(jì)與選型、非標(biāo)機(jī)械裝備、輔具、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)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(jiǎn)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(diǎn)焊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程的實(shí)施上, 積累了豐富的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)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(diǎn)焊機(jī)器人工作站, 各種裝焊線等機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用工程已超過(guò)600多臺(tái)套，連續(xù)多年順利通過(guò)ISO9001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證。解決了國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)生產(chǎn)裝備技術(shù)難題, 提升了在國(guó)際舞臺(tái)上的抗衡能力, 為中國(guó)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(shì)
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(shì)和行業(yè)地位, 除了開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)器人自動(dòng)化系列產(chǎn)品外。公司還與國(guó)際眾多知名的機(jī)器人自動(dòng)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(guó)外先進(jìn)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)、產(chǎn)品與自身強(qiáng)大的研發(fā)設(shè)計(jì)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(shì), 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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展和企業(yè)對(duì)自動(dòng)化水平要求的不斷提高, 將為焊接機(jī)器人市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)提供一個(gè)良好的平臺(tái), 也將為新松公司機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的拓展帶來(lái)前所未有的機(jī)遇。預(yù)計(jì)未來(lái)5年, 國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)焊接機(jī)器人的需求量將以以上的速度增長(zhǎng)。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看, 焊接機(jī)器人不斷向智能化方向發(fā)展, 完全實(shí)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(shì)為發(fā)展自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng), 主要集自動(dòng)化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點(diǎn)于一身, 這也是近幾年國(guó)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(dòng)化, 廣泛采用6自由度的機(jī)器人, 且機(jī)器人具有焊鉗儲(chǔ)存庫(kù), 可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更, 自動(dòng)從儲(chǔ)存庫(kù)抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無(wú)人駕駛的更具柔性化的感應(yīng)導(dǎo)向小車。對(duì)未來(lái)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(shí)現(xiàn)與國(guó)際接軌,也必將為民族工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)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(dòng)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(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、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(wú)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?？筛鶕?jù)夾持對(duì)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(méi)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(wú)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(gè)自由度都需要精確地定位。
總括機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，離不開直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)二種，因此它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動(dòng)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(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種:液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占90％以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。
液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用擺動(dòng)油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。
氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。一般采用4~6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8~10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
為了減少停機(jī)時(shí)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(dòng)采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu);有的采用直線電動(dòng)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(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單；維護(hù)、使用方便。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動(dòng)力，出力比較大，缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。
機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高。成本低，缺點(diǎn)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(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。
機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點(diǎn)位控制為主，占90%以上。
控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續(xù)控制的情況下使用。
對(duì)動(dòng)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(jì)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(gè)運(yùn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周便完成一個(gè)工作循環(huán)。
插銷板適用于需要迅速改變程序的場(chǎng)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(zhǎng)度可不受限制，但如果發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)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(chǎng)合。范于選擇那一種控制元件，則根據(jù)動(dòng)作的復(fù)雜程度和精確程度來(lái)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(jiǎn)單、實(shí)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(lái)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(lái)的。它能對(duì)不同物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)化裝置。它的動(dòng)作程序可以按照工作需要來(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)易型通用機(jī)械手是目前國(guó)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(dòng)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(dòng)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(jué)和觸覺(jué)，以電子計(jì)算機(jī)模擬人的“大腦”。具有以上“視覺(jué)”、“聽(tīng)覺(jué)”、“觸覺(jué)”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(gè)別已達(dá)到實(shí)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(dòng)作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時(shí)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(diǎn)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(xiǎn)的工作地區(qū)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
2、按控制型式分類
（1）點(diǎn)位控制型機(jī)械手
點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間二個(gè)點(diǎn)之間的聯(lián)接?？刂泣c(diǎn)數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X，Y，Z只個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其工作范圍可以是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。
如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。
1.直角坐標(biāo)式機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)不會(huì)影響精度，
(5)易于實(shí)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(diǎn)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(cè)量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、Ф三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為:一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
1、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)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(dòng)作;
(5)手爪夾緊動(dòng)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(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)(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(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)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(diǎn)
關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)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(dòng)作角度比較：
表1—2 關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動(dòng)式。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來(lái)決定。若按擺動(dòng)式扭矩來(lái)設(shè)計(jì)，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(duì)肩部影響很大。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在承受負(fù)荷的同時(shí)必須承受自重。因此，傳動(dòng)效率很低。如需要大的轉(zhuǎn)動(dòng)角，則宜采用擺動(dòng)油缸。
以上三種基本型式的機(jī)械手各有特點(diǎn)，但在基本尺寸相同的情況下，如當(dāng)手臂長(zhǎng)度和機(jī)體高度相等時(shí)，應(yīng)比較哪一種機(jī)械手能達(dá)到的動(dòng)作范圍為最大，以便于在工作中加以有效的利用。
第2章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和SolidWorks軟件的發(fā)展
2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展
近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形處理能力日益增強(qiáng)，以計(jì)算機(jī)為主要工具的仿真技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，并很快應(yīng)用于工程領(lǐng)域。在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、校核，并進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真己經(jīng)逐漸成為機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，首先是方案設(shè)計(jì)及論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。只有通過(guò)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)--試驗(yàn)--設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過(guò)程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)周期無(wú)法縮短，更不用談對(duì)市場(chǎng)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(shí)投放市場(chǎng)而中斷這一過(guò)程，使產(chǎn)品在上市時(shí)便有先天不足的毛病。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的背景下，基于實(shí)際樣機(jī)上的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)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(duì)市場(chǎng)的占有。隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化，要想在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的市場(chǎng)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(duì)市場(chǎng)的靈活反應(yīng)都已成為競(jìng)爭(zhēng)者們所追求的運(yùn)營(yíng)方式，誰(shuí)早推出產(chǎn)品，誰(shuí)就占有市場(chǎng)。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式卻無(wú)法滿足這些要求。
計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真作為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一個(gè)重要分支，可以歸入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR(VirtualReality)的范疇，它匯集了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等多項(xiàng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用的重要方向。尤其在航天、國(guó)防及其它大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真己經(jīng)成為不可缺少的工具。借助于這項(xiàng)技術(shù)，工程師們可以在計(jì)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(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真的結(jié)果來(lái)精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成為人們代替或部分代替樣機(jī)制作、工藝試驗(yàn)，以獲取所需數(shù)據(jù)結(jié)果并最終完成對(duì)產(chǎn)品的性能測(cè)試及驗(yàn)證的有力技術(shù)手段。
2.2 軟件的特點(diǎn)及前景
SolidWorks是基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是由美國(guó)SolidWorks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(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD軟件，于1995年11月研制成功。SolidWorks是市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快、技術(shù)發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最好、性能價(jià)格比最優(yōu)的軟件。隨著SolidWorks版本的不斷提高、性能的不斷增強(qiáng)，SolidWorks已經(jīng)能滿足一般企業(yè)的一般需求了。
Solidworsks具有以下特點(diǎn):
(l).SolidWorks是當(dāng)今世界基于NT/Windows平臺(tái)的三維機(jī)械CAD軟件系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，目前己在國(guó)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(guò)程直觀、簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大。
(3).完全漢化，使用過(guò)程中無(wú)任何語(yǔ)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(jì)可以繼續(xù)使用和轉(zhuǎn)化。
2.3 COSMOSMotion的應(yīng)用及特點(diǎn)
COSMOSMotion是模擬您的產(chǎn)品在 CAD 系統(tǒng)內(nèi)的功能的軟件。此過(guò)程稱作功能虛擬原型機(jī)仿真。COSMOSMotion對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬并輸出您通常應(yīng)實(shí)際收集的信息。COSMOSMotion旨在幫助用戶減少對(duì)使用物理原型機(jī)仿真和測(cè)試來(lái)確保設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行的需求。通過(guò)減少對(duì)硬件原型機(jī)的依賴，公司將減少開發(fā)產(chǎn)品所需的時(shí)間和節(jié)約資金。此外，通過(guò)采用功能虛擬原型機(jī)仿真，公司將能夠測(cè)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(gè)項(xiàng)目中就可以收回投資。
COSMOSMotion和在 SolidWorks 裝配體建模工具中看到的運(yùn)動(dòng)之間有很多區(qū)別，COSMOSMotion將物理情況（作用力、動(dòng)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(guò)修改參數(shù)或拖動(dòng)模型的各部分，看到系統(tǒng)移動(dòng)情況。使用裝配體模塊運(yùn)動(dòng)，可以擴(kuò)展具有多個(gè)促動(dòng)器（例如馬達(dá)）和彈簧的裝配體模型，以了解機(jī)械運(yùn)動(dòng)在現(xiàn)實(shí)世界的情況。干涉檢查和 AVI 影片可以幫助用戶找出問(wèn)題并向他人表述這些問(wèn)題。在裝配體模型中看到的運(yùn)動(dòng)和在 COSMOSMotion中看到的運(yùn)動(dòng)之間有一個(gè)顯著差別。裝配體建模工具無(wú)法模擬在 COSMOSMotion中提供的齒輪、凸輪、插銷、作用力等，或者無(wú)法生成在 XY 坐標(biāo)圖中可以查看的工程數(shù)據(jù)。
SolidWorks 的運(yùn)動(dòng)仿真及動(dòng)畫制作也可以通過(guò)其插件Animator 軟件進(jìn)行的。通過(guò)Animator 可以將產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)制作成AVI 格式的動(dòng)畫,也可將動(dòng)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 SolidWorks Animator 則不然。物理性質(zhì)意味著在運(yùn)動(dòng)中捕獲像重力和摩擦力之類的影響。COSMOSMotion允許您模擬設(shè)計(jì)的物理運(yùn)動(dòng)并通過(guò)基礎(chǔ)工程數(shù)據(jù)的動(dòng)畫和坐標(biāo)圖形象地表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的情況。您可以使用COSMOSMotionAVI 捕獲物理運(yùn)動(dòng)并與他人交流這些物理運(yùn)動(dòng)。SolidWorks Animator 是用于幫助您設(shè)計(jì)動(dòng)畫的工具。這些動(dòng)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(dòng)畫可被存儲(chǔ)為 AVI 文件以供協(xié)作。
COSMOSMotion用戶界面是 SolidWorks 界面的無(wú)縫擴(kuò)展，它使用 SolidWorks 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)并且沒(méi)有 SolidWorks 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(yàn)，表明比任何其它運(yùn)動(dòng)模擬工具更精確并且能夠解決范圍更廣的問(wèn)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(jì)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(diǎn)并完成一系列作業(yè)需要的動(dòng)作。工作原理是固定機(jī)座后通過(guò)機(jī)身上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和大小手臂的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)手腕的運(yùn)動(dòng)，在給手抓一個(gè)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(dòng)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(jì)算也是十分繁雜。隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為機(jī)械手的動(dòng)作分析、設(shè)計(jì)和計(jì)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(diǎn)需經(jīng)過(guò)多次位移，形成一系列動(dòng)作。為了分析研究上述的動(dòng)作，可用機(jī)械手的本體、手腕到手指一系列動(dòng)作的矢量、、、、、、、之和來(lái)表示，見(jiàn)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(diǎn)順次經(jīng)過(guò)幾次位移，其位移角分別取、 ……等，規(guī)定標(biāo)記：
從原始點(diǎn)零開始依次標(biāo)上下腳注字1、2、3 ……
有長(zhǎng)度變化的矢量用L表示，
無(wú)長(zhǎng)度變化的矢量用C表示，
夾持矢量用G表示。
對(duì)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(lái)表示。
如對(duì)六個(gè)自由度的通用機(jī)械手如圖3-2具有、、、、、。六個(gè)變數(shù)，其中前面三個(gè)主要是為了給出位置，后面三個(gè)主要是用來(lái)給出姿勢(shì)的。
則機(jī)械手從初始狀態(tài)到達(dá)夾持點(diǎn)時(shí)，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(jiàn)右邊每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于
這里為姿勢(shì)適量。
其次研究一下保持夾持矢量的工作姿勢(shì)會(huì)變成什么樣子。用a*表示工件的姿勢(shì)，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(gè)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(jì)計(jì)算
對(duì)手臂結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和偏重力矩的計(jì)算?，F(xiàn)分述如下:
3.2.1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
根據(jù)手臂運(yùn)動(dòng)的不同，驅(qū)動(dòng)力可分為兩種情況來(lái)計(jì)算。
水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)過(guò)程中的慣性力。其大小可按下式計(jì)算；
（3.5）
其中G —— 手臂移動(dòng)部件的重量(公斤)，
g —— 重力加速度9.81.(米/ }
——起動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差(米/秒)
—— 起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間(秒)。
3.2.2 水平回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
——摩擦力矩(包括各支承處摩擦祖力矩);
——手臂啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩；
（3.6）
J—手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(公斤·米·)
—手臂回轉(zhuǎn)的角速度差(弧度/秒)，
—啟動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 (秒) ；
— 零件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(公斤·米·)，
J?！?零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對(duì)手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)件的重量(公斤)。
計(jì)算時(shí)，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(zhǎng)方體：
3.2.3 偏重力矩的計(jì)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(duì)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(shí)，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(jì)算。重心位置，由于零件多數(shù)均選用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于其幾何截面的形心上。計(jì)算時(shí)可把手臂偏重部分分解為幾個(gè)單元，先分別計(jì)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(hào)，的重心位置距0點(diǎn)距離為；
= （3.7）
其偏重力矩為
（3.8）
如果求出的偏重力矩過(guò)大，可重新布置各部件在手臂上的位置.也可加平衡塊來(lái)改善受力情況。但這樣又會(huì)增大手臂重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此要多方考慮。
如圖4 -l0a所示，手臂的作用下有順時(shí)針?lè)较騼A斜趨勢(shì)，而立柱導(dǎo)套可阻止手臂傾斜。
導(dǎo)套對(duì)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(zhǎng)的套管，或用兩個(gè)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(jì)
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(tái)、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)手腕、擺動(dòng)手腕、手抓、銷釘、螺栓、螺母等構(gòu)成。各零部件的設(shè)計(jì)如下：
（1）機(jī)座的設(shè)計(jì)
制造精度：此機(jī)構(gòu)為一般工作機(jī)械，故選用7級(jí)精度。
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（2）機(jī)座蓋板的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（3）機(jī)身的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（4）轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（5）大臂的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（6）小臂的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（7）旋轉(zhuǎn)手腕的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（8）擺動(dòng)手腕的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
（9）手抓的設(shè)計(jì)
利用SW2007實(shí)體設(shè)計(jì)，如圖
組裝后的樣子，如圖
第4章 三維實(shí)體建模
4.1 模擬方案的確定
SolidWorks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(shí)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
SolidWorks 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(jià)格向廣大機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供用戶界面更友好,運(yùn)行環(huán)境更廣大的實(shí)體造型實(shí)用功能。SolidWorks 實(shí)施金伙伴(gold partner) 合作策略,在單一的運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡。流程如圖4—1 ,由圖可知對(duì)仿真實(shí)體的模擬加載與仿真分析,旨在對(duì)樣機(jī)的整體動(dòng)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(shí)驗(yàn)時(shí)間,降低試驗(yàn)成本,加快研究進(jìn)程的目的。
4.2 仿真實(shí)體的繪制
六自由度機(jī)械手不是很復(fù)雜的機(jī)構(gòu),solidworks軟件建立三維模型并不太困難,用SolidWorks 強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)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(lái),然后根據(jù)同軸、共面等幾何約束關(guān)系將幾個(gè)零部件裝配起來(lái)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(hào)
零部件名稱
數(shù)量
序號(hào)
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(tái)
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SolidWorks 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(zhǎng)度單位選擇mm ,質(zhì)量單位選擇kg ,時(shí)間選擇s。設(shè)置單位的正確對(duì)于得到清晰合理的設(shè)計(jì)結(jié)果有很重要的意義。
4.3 簡(jiǎn)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(dòng)情況給出各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)角度(見(jiàn)表4—2) 。
表4—2各軸所在轉(zhuǎn)動(dòng)副旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)表
構(gòu)造
旋轉(zhuǎn)范圍
軸1 （轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)）
-180~180°
軸2 （大臂）
0~90°
最大運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化模型
圖4—3為六自由度機(jī)械手簡(jiǎn)化模型,以基座底面圓的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)立三維坐標(biāo)系。
設(shè)大臂所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度為la ;小臂和手腕所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度為lb ;手抓到焊接點(diǎn)所在機(jī)件的線性長(zhǎng)度分別為lc ;基座底到第1個(gè)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(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正。角γ為手抓與小臂所在直線所成夾角,順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正。φ為轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度, x 軸正向?yàn)?°,順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正。
可得機(jī)器人x 軸的總水平伸長(zhǎng)量
l = sin + sin (α+β) + sin (α+β+γ)=104
總的身長(zhǎng)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(diǎn)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(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)。
將總長(zhǎng)的變化量和時(shí)間作商則可得平均速度
Vx =Δl/t ; Vy =Δh/t ; Vz = Vx tan φ。
若每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度一定則可得瞬時(shí)速度,設(shè)軸3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)速分別為Vα、Vβ、Vγ ;轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為Vφ 則瞬時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)
（1）機(jī)構(gòu)的裝配過(guò)程
該機(jī)構(gòu)由13個(gè)零件裝配而成，分別是定位轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、手腕、手抓等。三維零件圖已經(jīng)準(zhǔn)備好，裝配過(guò)程如下：
啟動(dòng)SolidWorks軟件，如下圖選擇“裝配圖”選項(xiàng)，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(gè)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(tái)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(guò)多裝配過(guò)程復(fù)雜，采取逐個(gè)添加約束的方法，進(jìn)行逐個(gè)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(guò)程中合理的選擇配合關(guān)系以方便以后的運(yùn)動(dòng)仿真操作。如下圖
（2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置
啟動(dòng)COSMOSMotion插件，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的模擬，首先定義前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)形式，操作過(guò)程如下：在次節(jié)點(diǎn)“運(yùn)動(dòng)”上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“對(duì)零部件添加運(yùn)動(dòng)”選項(xiàng)，彈出定義運(yùn)動(dòng)的“插入”對(duì)話框添加相應(yīng)參數(shù)。在“選擇第一個(gè)部件”的選項(xiàng)框內(nèi)選擇“大臂”，在“選擇第二個(gè)部件”的選項(xiàng)框內(nèi)選擇“轉(zhuǎn)臺(tái)”，在“選擇位置”的選項(xiàng)框中選擇“大臂”，在“選擇Z軸”選項(xiàng)框內(nèi)選擇“機(jī)身”的邊線，在“選擇X軸”選項(xiàng)框內(nèi)選擇“小臂”的邊線。打開“運(yùn)動(dòng)”選項(xiàng)卡，在“運(yùn)動(dòng)作用在”中選擇“沿Z軸平移”選項(xiàng)，在“運(yùn)動(dòng)類項(xiàng)”中選擇“速度”選項(xiàng)，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(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，對(duì)小臂和手腕鉸接的部位設(shè)計(jì)阻尼。添加過(guò)程如下：在節(jié)點(diǎn)“力”下選擇阻尼，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“添加扭轉(zhuǎn)阻尼”選項(xiàng)，彈出“插頭 阻尼”對(duì)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(dòng)過(guò)程，從而保證整個(gè)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(xiàng)”，打開“COSMOSMotion選項(xiàng)”對(duì)話框，選擇仿真選項(xiàng)卡，將持續(xù)時(shí)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(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
4.4.2 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核
在SolidWorks 有cosmosmotion 插件是專門用來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和校核,首先在幾個(gè)零部件的可轉(zhuǎn)動(dòng)連接點(diǎn)加入轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá),它有伺服電動(dòng)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(gè)連接機(jī)構(gòu)的連接副上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)置后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬,同時(shí)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(shí)可選擇錄像功能,可對(duì)動(dòng)畫從多個(gè)方向進(jìn)行觀察,可將動(dòng)畫保存,更加直觀地得到六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)效果圖,就像真正的機(jī)器在面前一樣,根據(jù)運(yùn)動(dòng)效果圖和模擬得到的數(shù)據(jù)可以按照要求對(duì)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。
SolidWorks 下的cosmosmotion 插件可以做多種運(yùn)動(dòng)分析,以手抓的運(yùn)動(dòng)為例得到它的3 個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)校核和模擬提供了數(shù)據(jù)依據(jù),可以對(duì)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(méi)有發(fā)生變化,即手臂的焊接點(diǎn)高度沒(méi)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(gè)縮進(jìn)過(guò)程, Z 坐標(biāo)值減小,但是變化幅度不大,說(shuō)明基座轉(zhuǎn)臺(tái)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(dòng)又劇烈慢慢減緩,這符合實(shí)際工作要求,在空載空間加速運(yùn)動(dòng),在即將達(dá)到焊接點(diǎn)時(shí)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(diǎn)坐標(biāo)分析相一致。Z 軸速度起初變化較快后來(lái)趨于平穩(wěn),同樣也是符合實(shí)際情況的。
4.4.3 結(jié)語(yǔ)
從三維模擬方案出發(fā),闡明了利用SolidWorks實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模擬的有效方法,從SolidWorks 的方法重點(diǎn)分析了六自由度機(jī)械手的三維實(shí)體模型的構(gòu)建過(guò)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(dòng)過(guò)程同時(shí)建立簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型設(shè)定模型系數(shù)后得到運(yùn)動(dòng)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(guò)對(duì)文獻(xiàn)的閱讀，了解了關(guān)于機(jī)械手的發(fā)展過(guò)程，以及組成、分類。加深對(duì)機(jī)器人這種高端技術(shù)認(rèn)識(shí)。
熟練掌握Solidworks的三維建模和動(dòng)態(tài)仿真，尤其對(duì)了解了強(qiáng)大的COSMOSMotion插件與其他三維動(dòng)態(tài)仿真軟件的差別，掌握了使用COSMOSMotion的基本流程。
隨著對(duì)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(jì)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(duì)于驗(yàn)證機(jī)械手的工作原理工作空間及碰撞檢測(cè)都具有非常重要的指導(dǎo)意義。
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【7】 張伯鵬，張昆，徐家球.機(jī)器人工程基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，1989，33頁(yè)—58頁(yè).
【8】 江洪，楊勇.SoliWorks實(shí)例解析—曲線、曲面、仿真、渲染.機(jī)械工業(yè)出版社，2005
【9】 （日）藤森洋三.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例構(gòu)思圖冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1985，25頁(yè)—38頁(yè)
【10】 方建軍，劉仕良.機(jī)械動(dòng)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，2004，20頁(yè)—44頁(yè)
【11】 胡仁喜，郭軍，王仁廣等.Solidworks 2005中文版機(jī)械設(shè)計(jì) 高級(jí)應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
【12】 隆飛，李珺等.Solidworks設(shè)計(jì)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2004
【13】 Joel B.Coughlan,Knox County.eral,.Remote Manipulator,U.S.Patent,
1988
【14】 Ferrell W.R.,T.B.Sheridan.Supervisory Conteol of Rernote Maniption,
IEEE Spectrum,1967.(4):81-88
【15】 LaSalle,J.P.,S.Lefschetz.Stability by Liapunov’s Direct Method,
Academic Press,London and New York,1961
致 謝
首先誠(chéng)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(jì)及SolidWorks動(dòng)態(tài)仿真領(lǐng)域的深?yuàn)W，不時(shí)的討論并指點(diǎn)我正確的方向，使我在這兩個(gè)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(shí)踐中充分掌握了大量的專業(yè)知識(shí)和更好的學(xué)習(xí)方法。通過(guò)本次設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫，端正了我嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鍪聭B(tài)度，同時(shí)培養(yǎng)了我提高解決問(wèn)題的能力和做事情端正的態(tài)度。
最后對(duì)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(chéng)摯的謝意。