四自由度SCARA機器人運動仿真分析畢業(yè)設計論文

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1、四自由度 SCARA 機器人運動仿真分析 摘 要 隨著生產力水平和科學技術的日益進步，機器人在工業(yè)生產中的應用越來越廣泛。機器人仿真是機器人研究的一項很重要的內容，它涉及機構學、運動學、零件建模、仿真和運動控制，是一項綜合性的有實用價值的研究課題。本課題以四自由度 SCARA 機器人為研究對象，基于 ADAMS 軟件對其進行了運動空間、工作軌跡、運動速度及加速度、轉動力矩等方面的進行研究。本課題建立了四自由度 SCARA 機器人整體的模型，并建立了末端機械手 的運動學方程，理論分析了其末端機械手的位姿和速度、加速度。從理論對機器人的運動學規(guī)律進行研究。利用 ADAMS 對

2、機器人做了運動學和動力學仿真，得到了機器人末端機械手的速度、加速度、位移和力矩參數。 仿真分析結果可以為四自由度 SCARA 機器人設計起到支持作用。機器人仿真分析的應用對于提高工業(yè)產品的品質，降低產品開發(fā)和生產成本具有很大的作用。 關鍵詞：四自由度 SCARA 機器人；運動學分析；動力學分析；仿真；ADAMS II Abstract With the increasing levels of productivity and science and technology progress, robot applications have become mor

3、e and more widely used in industrial production. As being a very important aspect of robots, robot simulation which involves mechanism, kinematics, part modeling, simulation and motion control, is a comprehensive subject of practical value. Based on ADAMS software，the paper researched the exercise s

4、pace, working trajectory, movement velocity, acceleration and transfer torque of a four-DOF SCARA robot. The subject established the model of a four-DOF SCARA robot and set up the end of the robot manipulator kinematics equations. The paper analyzed the position-postures, velocity and acceleration

5、of the robot in theory. At the same time the kinematics law of the robot was studied. In addition, the model was stimulated by software ADAMS to analyze in kinematics and dynamics. Finally the end of the robot manipulator parameters such as velocity, acceleration, displacement, torque was gained.

6、Simulation and analysis results can offer support references to the design of the robot. Application of robot simulation for improving the quality of industrial products, reducing product development and production costs have played a very big role. Keywords: four-DOF SCARA robot; kinematics ana

7、lysis; dynamics analysis; Simulation; ADAMS 目 錄 IV 第一章 緒 論 1 1.1 課題背景 1 1.2 研究意義 2 1.3 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術發(fā)展概況 2 1.3.1 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術概論 2 1.3.2 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術國內外應用現狀 3 1.3.3 ADAM S 在機械系統(tǒng)分析中的應用現狀和研究現狀 4 1.4 課題主要研究的內容 5 第二章 四自由度SCARA 機器人的基本結構及建模 7 2.1 四自由度SCARA 機器人基本規(guī)格 7 2.2 三維建模軟件的基本介紹 8 2.3 基

8、于UG 的四自由度SCARA 機器人的建模及裝配 11 2.3.1 四自由度SCARA 機器人的建模概括 11 2.3.2 四自由度SCARA 機器人的建模過程 12 2.4 基于 UG 的四自由度SCARA 機器人裝配 17 2.5 本章小結 19 第三章 四自由度SCARA 機器人的數學模型及分析 20 3.1 四自由度SCARA 機器人的D-H 描述 20 3.1.1 四自由度SCARA 機器人位姿方程的正解 21 3.1.2 四自由度SCARA 機器人位姿方程的逆解 22 3.2 四自由度SCARA 機器人速度加速度的求解 23 3.3 基于matlab 的速度分析

9、 24 3.3 本章小結 26 第四章 四自由度SCARA 機器人動態(tài)仿真分析 27 4.1 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件介紹 27 4.2 四自由度SCARA 機器人的運動學模擬及仿真 29 4.2.1 機器人的ADAMS 模型 29 4.2.2 基于ADAMS 的機器人運動學仿真 37 4.3 基于ADAMS 的機器人的動力學模擬及仿真 46 4.4 本章小結 51 第五章 結論與展望 52 5.1 結論 52 5.2 技術經濟分析報告 54 5.2.1 技術可行性分析 54 5.2.2 經濟優(yōu)越性分析 54 5.3 進一步研究展望 54 參考文獻 56 致 謝

10、 58 聲 明 59 第一章 緒 論 1.1 課題背景 隨著生產力水平和科學技術的日益進步，在機器人的研究中,建模仿真、運動學計算、動力學計算、優(yōu)化設計等幾個方面的工作非常重要同時工作量又都很大,常見的工作方式是采用不同的軟件分別處理,當參數有變動時上述幾項工作的改動量很大,非常不靈活,利用Adams 這一優(yōu)秀軟件可將這幾項工作有機地結合在一起,從而大大提高工作效率。因此，這是一項綜合性的有實用價值的研究課題[1]。 機械系統(tǒng)動力學仿真分析技術是當前設計制造領域的一門新興技術 ,該技術在計算機上通過 CAD/ CAM/ CAE等技術將產品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環(huán)

11、境 ,在實際產品制造之前實現產品的仿真、分析與優(yōu)化過程。機器人仿真是機器人研究中的重要環(huán)節(jié) ,可應用于機器人運動學、動力學分析 ,軌跡和路徑規(guī)劃 ,機器人與工作環(huán)境的相互作用 ,離線編程等方面。隨著目前虛擬制造及數字化制造等先進制造技術的發(fā)展 ,機器人仿真也成為圍繞產品生命周期的整個數字化設計、驗證及制造環(huán)境的重要組成部分。研究與開發(fā)機器人虛擬樣機系統(tǒng) ,可以在虛擬環(huán)境中完成以上方面的研究工作 , 為機器人研究及先進制造技術的發(fā)展提供新的手段。 機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS 最初由美國公司MD I 公司開發(fā), 是目前最著名的虛擬樣機分析軟件。ADAMS 是以多體系統(tǒng)動力學理論為基礎開

12、發(fā)出的大型機械系統(tǒng)仿真分析軟件, 使用交互式的圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫等, 能夠創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)動力學模型 ，并能對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析[2]。 本研究從機器人運動學和動力學參數設計角度出發(fā) ,利用動力學仿真軟件 ADAMS 建立了一套完整的設計過程的方法 ,在進行運動學和動力學仿真過程中,采用無路徑的搜索方法 ,在全部的機器人工作空間內進行搜索,最終求取機器人關節(jié)的力矩極限值。與以往的簡化設計方法相比 ,提高了機器人系統(tǒng)的設計精度 ,很好地解決了機器人本體設計中參數無法精確確定的難題 , 因此對于快速、準確地開發(fā)機器人本體、提高機器人性能具有重要意義。

13、 16 本研究主要利用 ADAMS 的通用建模功能,結合關節(jié)型機器人的特點,將動力學分析中的參數選擇、求解、運動空間、工作軌跡、運動速度及加速度、轉動力矩等作為仿真目標,做出運動仿真分析。 1.2 研究意義 本研究針對四自由度SCARA 機器人在實際空間中運動軌跡、運動的速度、力和力矩以及可達空間等問題,利用 ADAMS 軟件對其進行動態(tài)仿真分析,模擬了四自由度SCARA 機器人在實際空間中運動位置變化的全過程,仿真出四自由度 SCARA 機器人在運動中的動力學和運動學的運動狀態(tài)。實現了縮短設計周期、降低設計成本、預先評估設計等作用和功效。實際操作中,為防止生產出的物理樣

14、機無法達到預期的要求提供了有力依據,對機器人的結構設計以及機器人力學的研究具有一定指導意義。 機器人運動學主要是把機器人相對于固定參考坐標系的運動作為時間的函數進行分析研究,而不考慮引起這些運動的力和力矩。機器人的運動學分析的是機器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。在機器人控制中運動學分析占有非常重要的地位。在位姿分析的基礎之上,運用機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件 ADAMS 對虛擬機械系統(tǒng)進行運動學分析,分別以時間和速度為變量進行仿真,得出了位移、速度和加速度的曲線。 本次研究四自由度 SCARA 機器人將利用 ADAMS 軟件對其進行動態(tài)分析， 而且能為機器人的實體開發(fā)提供可靠

15、的數據，降低了開發(fā)的成本和失敗的風險，不僅效率高，質量好，而且能節(jié)省大量人力勞動，還可避免一些不必要的損失和浪費。作為一種工業(yè)化機器人，其應用與發(fā)展必將給人類帶來巨大的經濟與社會效益。 1.3 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術發(fā)展概況 1.3.1 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術概論 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術， 也叫虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technolo2gy,簡稱 VPT)。它是一種全新的機械設計方法，作為一項計算機輔助工程(CAE)技術于上個世紀 80 年代隨著計算機技術的發(fā)展而出現，在 90 年代特別是進入 21 世紀以后得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。工程師在計算機上

16、 建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，然后改進樣機設計方案，用數字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機。機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術涉及多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術和虛擬現實技術的綜合應用技術。 1.3.2 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術國內外應用現狀 1. 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術國內應用現狀 在國內，虛擬樣機技術的應用尚處于起步階段，主要是引用國外的先進技術。中航第一飛機研究院成功推出了國內首架飛機全機規(guī)模電子樣機。863 項目 “月球表面探測機器人方案研究” 則運用虛擬樣機技術構造虛擬月球面計算仿真環(huán)境，并對涉及到

17、的多項關鍵技術進行了深入研究，取得了很好的成果。各研究院所紛紛開展虛擬樣機技術在汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)等方面的應用研究、仿真分析及二次開發(fā)。通過對虛擬樣機各關鍵技術的深入研究,必將促進虛擬樣機技術的推廣應用，增強我國企業(yè)的產品開發(fā)能力。 2. 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術國外應用現狀 在國外，虛擬樣機技術的應用在美國非常廣泛。我們熟知波音 777 飛機是世界上首架以無紙方式研發(fā)及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術。這不但使研發(fā)周期(8 年縮短為 5 年)大大縮短， 研發(fā)成本大大降低(設計費用降低 94 %，設計更改降低 93 %)，而

18、且確保了最終產品一次裝機成功。波音西科斯基公司在設計 RAH266 直升飛機時，使用了全方位仿真的方法進行設計和驗證，花費 4590h 的仿真測試時間，節(jié)省了11590h 的飛行測試。1997 年 7 月 4 日，美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(J PL)由于采用了虛擬樣機技術，成功地實現了火星探測器“探路號” 在火星上的軟著陸。在探測器發(fā)射以前，J PL 的工程師們運用虛擬樣機技術預測到由于制動火箭與火星風的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻并最后 6 輪朝上。工程師們針對這個問題修改了技術方案，保證了火星登陸計劃的成功。 約翰迪爾(John Deere)是一家具有 160 多

19、年歷史、并在世界農業(yè)機械、 建筑機械領域處于領先地位的世界 500 強企業(yè)，總部設在美國伊利諾伊州。迪爾公司也是全球柴油發(fā)動機大型生產商之一。為了解決工程機械在高速行 駛時的蛇行現象以及在重載下機械的自激振動問題，公司的工程師利用虛擬樣機技術，不僅找到了原因，而且提出了改進方案，并且在虛擬樣機上得到了驗證，從而大大提高了產品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能。 卡特彼勒是建筑機械、 礦用設備、 柴油和天然氣發(fā)動機以及工業(yè)用燃氣輪機領域的技術領導者和全球領先的制造商之一。世界上最大的工程機械制造商卡特彼勒公司的工程師們采用了虛擬樣機技術，對裝載機和挖掘機的工作裝置進行了優(yōu)化設計及分析，在

20、一天的時間內，他們對工作裝置進行了上萬個工位的運動和受力分析。通用動力公司 1997 年建成了第一個全數字化機車虛擬樣機 ,并行地進行產品的設計、分析、制造及夾具、模具工裝設計和可維修性設計。 福特某一款新車型采用虛擬樣機技術，縮短設計周期 70 天。全公司內采 用 VPT，減少設計費用 4 000 萬美元，節(jié)省制造費用 10 億美元。為了減少大型洗衣機的振動，Pellerin Milnor Corporation (洗衣機設備制造商)用Adams 建立了 3 種洗衣機的虛擬樣機，然后修改設計方案，改變彈簧的剛度和阻尼，選用不同類型的減震器，變換襯套的尺寸和剛度，進行虛擬樣機仿真試驗。每個

21、設計方案的仿真只需 1h，但此后的物理樣機實驗證明與虛擬樣機的吻合程度超過 95%。在此基礎上，開發(fā)的新型洗衣機工作平穩(wěn),壽命長，振動噪聲小。日產公司是日本的第二大汽車公司，也是世界 10 大汽車公司之一。該公司除生產各型汽車外，還涉足機床、工程機械、造船和航天技術領域。日產汽車公司利用虛擬樣機進行概念設計、包裝設計、覆蓋件設計、整車仿真設計等。 在意大利，一位賽車手在賽車中因事故喪生，其家屬起訴賽車制造商， 認為事故的原因是賽車的設計缺陷，要求巨額賠償。制造商借助于虛擬樣機技術，說明賽車設計合理 ,事故原因是賽車手操縱不當。法庭根據 VPT 提供的證據，做出了客觀的判決[3]。 1.3.

22、3 ADAM S 在機械系統(tǒng)分析中的應用現狀和研究現狀 機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS 最初由美國公司MD I 公司開發(fā), 是目前最著名的虛擬樣機分析軟件。ADAMS 是以多體系統(tǒng)動力學理論為基礎開發(fā)出的大型機械系統(tǒng)仿真分析軟件, 使用交互式的圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫。能夠創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)動力學模型 。 通過 ADAMS 以上模塊, 可以建立包括機-電- 液一體化在內的任意復雜系統(tǒng)的多體動力學數字化虛擬樣機模型, 并能對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。ADAMS 軟件的真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載

23、荷等, 當前 ADAMS 已經廣泛應用于多個工業(yè)領域。 目前, ADAMS 廣泛應用在航空航天 、汽車制造 、造船 、機器人 及其它多種工業(yè)機械 , 并取得了很好的社會經濟效益。世界最先進的包裝機械制造商 Pure- Pak 的工程師們利用 ADAMS 成功的設計并試驗飲料加注系統(tǒng)的單向閥; 美國航空航天局的噴氣推進實驗室成功地實現了火星探測器(探路號)在火星上的軟著陸, JPL 工程師利用 ADAMS 等虛擬樣機技術仿真研究了宇宙飛船在不同階段的工作過程; 國航天部上海航天局第 805 研究所利用 ADAMS, 完成了國家高技術項目 空間站兩自由度大面積柔性太陽池陣!動力學仿真研究。在我國

24、, 自從北京吉普汽車公司曾經利用 ADAMDS 成功開發(fā)了 BJ2022 第二代車型。ADAMS 軟件更廣泛的應用于復雜機構或復雜機械系統(tǒng)的研究, 比如汽車的幾乎所有總成、多級輪系、并聯(lián)機床、電梯、起重機械、農業(yè)機械等復雜機械系統(tǒng)。這些研究采用的方法大多是在建立了系統(tǒng)模型的基礎上利ADAMS 的仿真分析功能對系統(tǒng)的動力學進行分析, 絕大部分是利用 ADAMS 對某一具體機械系統(tǒng)進行分析, 而對 ADAMS 進行創(chuàng)新性的應用研究或功能拓展型的研究較少。 1.4 課題主要研究的內容 本課題主要用ADAMS 對四自由度SCARA 機器人進行運動學及動力學分析， 對其運動空間、工作軌跡、運動速

25、度及加速度、轉動力矩等進行研究，驗證四自由度 SCARA 機器人的工作過程軌跡、可達空間，分析該機器人工作進程中的運動速度和加速度，并對近一步優(yōu)化提出可行意見。 1.研究的基本內容如下： （1) 利用UG 對四自由度SCARA 機器人進行建模,然后導入到ADAMS 軟件中，對四自由度 SCARA 機器人運動學和動力學進行仿真分析，最終得到機器人各關節(jié)的動力學參數。 （2) 深入學習應用ADAMS 軟件建立動力學模型的方法，并且建立與實際 四自由度 SCARA 機器人系統(tǒng)結構相對應的動力學模型，研究四自由度 SCARA 機器人的運動軌跡，分析機器人工作過程的運動速度、加速度和可達

26、空間。 （3) 通過所給參數研究機器人末端可達到的最大速度，為物理樣機提供數據。 （4）機器人末端載物和不載物，來分析機器人的力矩變化，為樣機提供數據。 第二章 四自由度 SCARA 機器人的基本結構及建模 2.1 四自由度 SCARA 機器人基本規(guī)格 SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名：選擇順應性裝配機器手臂）是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人。 1978 年，日本山梨大學牧野洋發(fā)明 SCARA，該機器人具有四個軸和四個運動自由度，(包括 X,Y,Z 方向的平動自由度和繞 Z 軸的轉動自由度

27、)。該系列的操作手在其動作空間的四個方向具有有限剛度，而在剩下的其余兩個方向上具有無限大剛度。 SCARA 系統(tǒng)在 x，y 方向上具有順從性，而在 Z 軸方向具有良好的剛度， 此特性特別適合于裝配工作，例如將一個圓頭針插入一個圓孔，故 SCARA 系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA 的另一個特點是其串接的兩桿結構，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件，如集成電路板等。 如今 SCARA 機器人還廣泛應用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第 一個軸和第二個軸都具有轉動特性，第三

28、和第四個軸可以根據工作的需要的 不同，制造成相應多種不同的形態(tài)，并且一個具有轉動、另一個具有線性移 動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區(qū)域 [4]。如圖 2-1 為四自由度SCARA 機器人實物圖，表 2-1 為其技術參數。 圖 2-1 四自由度 SCARA 機器人實物圖 表 2-1 四自由度 SCARA 機器人的技術參數要求 動作范圍 最大速度 安裝環(huán)境 機構形態(tài) 平面關節(jié)式 自由度 4 負載能力 2 Kg 關節(jié)Ⅰ轉動 -

29、110～ +110 關節(jié)Ⅱ轉動 -90～ +90 關節(jié)Ⅲ升降 0～150mm 關節(jié)Ⅳ轉動 0～360 關節(jié)Ⅰ轉動 180o /S 關節(jié)Ⅱ轉動 360o /S 關節(jié)Ⅲ升降 150mm/S 關節(jié)Ⅳ轉動 360o /S 最大展開半徑 600mm 高 度 680mm 本體重量 48Kg 溫度 0～+45oC 濕度 20～80%不結露 振動 0.5G 以下 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 其它 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現/編程 電源容量 單相 220V 50Hz 8A 2.2 三維建模軟件的基本介紹 1.

30、CATIA CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的縮寫。 是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM一體化軟件。在70年代Dassault Aviation 成為了第一個用戶，CATIA 也應運而生。 從1982年到1988年，CATIA 相繼發(fā)布了1版本、2版本、3版本，并于1993 年發(fā)布了功能強大的4版本，現在的CATIA 軟件分為V4版本和 V5版本兩個系列。V4版本應用于UNIX 平臺，V5版本應用于UNIX和Windows 兩種平臺。V5版本的開發(fā)開始于1994年。為了使軟件能夠易學

31、易用，Dassault System 于94 年開始重新開發(fā)全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趨強大，并且開創(chuàng)了CAD/CAE/CAM 軟件的一種全新風格。 2. Solid Works Solid works是生信國際有限公司推出的基于windows的機械設計軟件。生信公司是一家專業(yè)化的信息高速技術服務公司，在信息和技術方面一直保持與國際CAD/CAE/CAM/PDM 市場同步。該公司提倡的“ 基于windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)”是以windows為平臺，以solid works為核心的各種應用的集成，包括結構分析、運動分析、工程

32、數據管理和數控加工等， 為中國企業(yè)提供了夢寐以求的解決方案。 Solid works是微機版參數化特征造型軟件的新秀，該軟件旨在以工作站版的相應軟件價格的1/4～1/5向廣大機械設計人員提供用戶界面更友好，運行環(huán)境更大眾化的實體造型實用功能。 Solid works是基于windows平臺的全參數化特征造型軟件，它可以十分方便地實現復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖。圖形界面友好，用戶上手快。該軟件可以應用于以規(guī)則幾何形體為主的機械產品設計及生產準備工作中，其價位適中。 3. UG UG是Unigraphics Solutions公司的拳頭產品。該公司首次突破傳統(tǒng)CAD/CA

33、M模式，為用戶提供一個全面的產品建模系統(tǒng)。在UG中，優(yōu)越的參數化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結合在一起，這一結合被實踐證明是強有力的，并被大多數CAD/CAM軟件廠商所采用。 UG最早應用于美國麥道飛機公司。它是從二維繪圖、數控加工編程、曲面造型等功能發(fā)展起來的軟件。90年代初，美國通用汽車公司選中ug作為全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主導系統(tǒng)，這進一步推動了UG的發(fā)展。1997年10月Unigraphics solutions公司與Intergraph公司簽約，合并了后者的機械CAD 產品，將微機版的solidedge軟件統(tǒng)一到parasolid平臺上。由此形

34、成了一個從低端到高端， 兼有unix 工作站版和windowsnt 微機版的較完善的企CAD/CAM/CAE/PDM集成系統(tǒng)。 4. AutoCAD autocad是autodesk公司的主導產品。autodesk公司是世界第四大pc軟件公司。目前在cad/cae/cam工業(yè)領域內，該公司是擁有全球用戶量最多的軟件供應商，也是全球規(guī)模最大的基于pc平臺的cad和動畫及可視化軟件企業(yè)。autodesk公司的軟件產品已被廣泛地應用于機械設計、建筑設計、影視制作、視頻游戲開發(fā)以及web網的數據開發(fā)等重大領域。 5. Pro/Engineer pro/engineer系統(tǒng)是美國參數技術公司的產

35、品。ptc公司提出的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念改變了機械cad/cae/cam的傳統(tǒng)觀念， 這種全新的概念已成為當今世界機械cad/cae/cam領域的新標準。利用該概念開發(fā)出來的第三代機械cad/cae/cam產品pro/engineer軟件能將設計至生產全過程集成到一起，讓所有的用戶能夠同時進行同一產品的設計制造工作， 即實現所謂的并行工程。 6. MDT mdt是autodesk公司在pc平臺上開發(fā)的三維機械cad系統(tǒng)。它以三維設計為基礎，集設計、分析、制造以及文檔管理等多種功能為一體；為用戶提供了從設計到制造一體化的解決方案。 7. Cimatron cimat

36、roncad/cam系統(tǒng)是以色列cimatron公司的cad/cam/pdm產品，是較早在微機平臺上實現三維cad/cam全功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了比較靈活的用戶界面，優(yōu)良的三維造型、工程繪圖，全面的數控加工，各種通用、專用數據接口以及集成化的產品數據管理。 cimatroncad/cam系統(tǒng)自從80年代進入市場以來，在國際上的模具制造業(yè)備受歡迎。近年來，cimatron公司為了在設計制造領域發(fā)展，著力增加了許多適合設計的功能模塊，每年都有新版本推出，市場銷售份額增長很快。 8. Solidedge solidedge是真正windows軟件。它不是將工作站軟件生硬地搬到windows

37、 22 平臺上，而是充分利用windows基于組件對象模型(com)的先進技術重寫代碼。solidedge與Microsoft Office兼容，與windows的ole技術兼容，這使得 設計師們在使用cad系統(tǒng)時，能夠進行wind ows下字處理、電子報表、數據庫操作等。 solid edge具有友好的用戶界面，它采用一種稱為smart ribbon的界面技術，用戶只要按下一個命令按鈕，既可以在smart ribbon上看到該命令的具體的內容和詳細的步驟，同時在狀態(tài)條上提示用戶下一步該做什么。 solidedge是基于參數和特征實體造型的新一代機械設計cad系統(tǒng)，它是為設

38、計人員專門開發(fā)的，易于理解和操作的實體造型系統(tǒng)。 9. I-deas ideas是美國sdrc公司開發(fā)的cad/cam軟件。該公司是國際上著名的機械cad/cae/cam公司，在全球范圍享有盛譽，國外許多著名公司，如波音、索尼、三星、現代、福特等公司均是sdrc公司的大客戶和合作伙伴。 i-deasmasterseries5是高度集成化的cad/cae/cam軟件系統(tǒng)。它幫助工程師以極高的效率，在單一數字模型中完成從產品設計、仿真分析、測試直至數控加工的產品的研發(fā)全過程。i-deas是全世界制造業(yè)用戶廣泛應用的大型cad/cae/cam軟件。 i-deas在cad/cae一體化技術方面

39、一直雄居世界榜首，軟件內含諸如結構分析、熱力分析、優(yōu)化設計、耐久性分析等真正提高產品性能的高級分析功能。 sdrc也是全球最大的專業(yè)cam軟件生產廠商。i-deascamand是cam行業(yè)的頂級產品。i-deascamand可以方便地仿真刀具及機床的運動，可以從簡單的2 軸、2.5軸加工到以7軸5聯(lián)動方式來加工極為復雜的工件表面，并可以對數控加工過程進行自動控制和優(yōu)化。 本研究使用的三維建模軟件是UG軟件，通過UG軟件的建模，為ADAMS運動分析提供了一個更方便，更高效的平臺[5]。 2.3 基于 UG 的四自由度 SCARA 機器人的建模及裝配 2.3.1 四自由度SCARA 機

40、器人的建模概括 建立幾何模型對于有限元分析來說非常重要,只有建立良好的幾何模型 才能使建立有限元模型的后續(xù)步驟順利進行(有限元網格的劃分、材料和物理特性的定義以及邊界條件的施加等) 。建立幾何模型,可以使用三維CAD 軟件如UG、Pro /E等,或使用有限元軟件如MSC. Pat ran自身所帶的建模功能（本文使用UG進行建模）。由于實際結構往往是十分復雜的,如果完全按實物建立有限元模型,實際上是不必要的,有時甚至是不可能的,因此在建立有限元模型時,常常需要將實體模型作一些處理。 (1) 忽略不必要的細節(jié)特征 細節(jié)特征就是將對應力分布只產生較小局部影響的特征,諸如倒角和小孔

41、等,它們需要很多單元構建,為了提高計算效率,可以忽略這些特征,以減少計算量和求解時間。 幾何模型往往并不是純粹為了有限元分析而建立的,這就要求在建立幾何模型時，能夠為以后的有限元分析提供便利。在UG中往往要頻繁使用草圖功能,因而應構造盡可能簡單的草圖幾何,能用三維的邊圓角完成的,就不要畫在草圖中,盡可能使草圖幾何為若干直線的簡單組合。在進行有限元分析時, 取消這些無關緊要的倒圓、倒角、孔等特征,不必重新修改草圖。在滿足后續(xù)各種分析的前提下建模時,完全可以不表達這些特征。但在忽略這些特征時, 要考慮這些特征是否僅僅是由于工藝上需要而存在的,否則就不可取消。 (2) 層的合理利用 在 UG

42、中,每個特征都可以被分配到 256 個層中的任意一個。在三維建模時有計劃地把某一類特征分配在特定的一些層中,這樣就可直接從設計模型中方便地提取分析模型,做出符合工程要求的幾何模型[6]。 2.3.2 四自由度SCARA 機器人的建模過程 根據實際測量尺寸繪制四自由度SCARA機器人的各個零件三維圖。零件圖的繪制是最終繪制裝配圖的基礎，UG軟件的裝配圖是由各個零件圖裝配而成。 執(zhí)行【開始】-【程序】-【NX4.0】命令，啟動UG NX4.0系統(tǒng)進入主界面。新建或打開一個文件后，系統(tǒng)將進入UG NX4.0的基礎工作界面。該界面 是其他各應用模塊的基礎平臺。 通過選擇【應用】下拉菜單中

43、的命令，可進入各向光的應用模塊。 執(zhí)行【應用】-【建模】命令，系統(tǒng)進入建模模塊工作界面，其中主要包括標題欄、菜單欄、工具欄、提示欄、狀態(tài)欄工作區(qū)和坐標系。 標題欄：在標題欄中顯示軟件名稱及版本號，以及當前正在工作的部件文件名稱。如果修改了部件，但還沒有保存，則在文件名后顯示“（修改的）”菜單欄：菜單欄中包括 了軟件的主要功能，系統(tǒng)所有的命令和設置選項 都可以在相應的下拉菜單中找到。系統(tǒng)菜單項中包括文件、編輯、視圖、插入、工具、格式、裝配、坐標系、信息、分析、預設置、應用、窗口、和幫助。 工具欄：對于一些常用的命令和操作，為避免用戶頻繁地在菜單中尋找命令，更方便用戶使用，系統(tǒng)提供

44、了各類工具欄。工具欄中的按鈕都以圖形的方式形象的表示出命令的功能，它們分別對應不同的命令。 提示欄：UG NX4.0的提示欄固定在工作界面的左上方，用于提示用戶下一步如何操作。 狀態(tài)欄：UG NX4.0的狀態(tài)欄固定在工作界面的右上方，用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)。 工作區(qū)：工作區(qū)也可稱為圖形界面或圖形窗口，是工作的主要區(qū)域。坐標系：坐標系表示建模的方位信息[7]。 如下圖為四自由度SCARA 機器人零部件的三維建模圖形。 圖 2-2 底座實體模 圖 2-3 關節(jié) 1 實體模型 圖 2-4 關節(jié) 2 實體模型 圖 2-5 關節(jié) 3 實體模型

45、 圖 2-6 關節(jié)四實體模型 圖 2-7 滾珠絲杠實體模型 圖 2-8 機械手實體模型 2.4 基于 UG 的四自由度 SCARA 機器人裝配 UG NX 的裝配功能模塊是集成環(huán)境中的一個應用模塊。裝 配建模不僅能快速地將零部件組合成產品，而且在裝配中，可以參照其它部件進行部件關聯(lián)設計，并可以對裝配模型進行干涉檢查、間隙分析和重量管理等操作。裝配模型產生后，可以建立爆炸視圖，也可以生成裝配和拆卸動畫。 新建一個裝配部件或打開一個存在的裝配文件，在 “ 起始”菜 單中勾選“ 裝配(Assemblies)”選項，可以啟動裝配環(huán)境。裝配的下拉菜

46、單和工具條如圖 2-9 所示。 圖 2-9 裝配的下拉菜單和工具條 裝配過程： （1） 選擇下拉式菜單【應用】中的【裝配】選項后，在圖形區(qū)域的下方就會出現裝配工具條。 （2） 選擇【添加組件】按鈕，將彈出一格對話框，選擇要添加的零件后，點擊【確定】。 （3） 在彈出的【配對條件】對話框中需要確定的【配對類型】，再選取組件相應部位進行裝配約束。根據組件的形狀不同，選取合適的配對類型。 （4） 在【組件預覽】對話框中先選擇要裝配組件的一個面，再在繪圖工作區(qū)中選取已有的組件的一個面，完成第一個約束的定義。此時程序將顯示約束后兩個組件裝配的自由度，也就是那些方向

47、可以活動。 （5） 需要的約束定義完成后，在【配對條件】對話框中點擊【確定】按鈕。完成裝配。 （6） 重復 2、3、4、的步驟，直到所有零件裝配完成[8]。如圖 2-10 為四自由度SCARA 機器人裝配圖。 圖 2-10 四自由度 SCARA 機器人裝配圖 2.5 本章小結 本章主要介紹了一些四自由度 SCARA 機器人的基本知識及四自由度SCARA 機器人三維建模和裝配過程，這對于以后的研究將打下夯實的基礎。這對于將機器人導入ADAMS 起到了承上啟下的作用，意義很大。 四自由度 SCARA 機器人在當今是一個十分值得研究的課題，通過本次研究能更加詳細的理解

48、其原理，以便在以后更好的應用于創(chuàng)新。 第三章 四自由度 SCARA 機器人的數學模型及分析 3.1 四自由度 SCARA 機器人的 D-H 描述 四自由度SCARA機器人是一開環(huán)空間連桿機構，開鏈的一端固定在機座上， 另一端是自由的，安裝焊槍或夾具等工具，稱為末端操作器，機器人通過各 連桿的相對位置變化、速度變化和加速度變化，使得末端操作器達到空間的 不同位置，得到不同的位置、速度和加速度，從而完成期望的工作要求。機 器人的位姿方程也稱為運動方程，它的建立和求解是機器人學的基本問題之 一。為了研究機器人操作臂各連桿之間的位姿關系，在每個連桿上固接一個 坐標系。則可建立

49、如圖3-1所示的D-H標架和系統(tǒng)坐標系。 根據所建立的機器人坐標系，確定此機器人的各桿件結構參數和關節(jié)變量如表3-1所示。 D-H法是為每個關節(jié)處的桿件坐標系建立44齊次變換矩陣，表示它與前一個桿件坐標系的關系。這樣通過逐次變換，末端執(zhí)行器可被變換并用“基礎坐標”表示。一旦對全部連桿規(guī)定坐標系之后，就能夠按照下列4個子變換來建立相鄰兩連桿i-1與i之間的相對關系，并記為矩陣[M???,?][9]。 圖 3-1 SCARA 機器人D-H 桿件坐標系 30 表 3-1 SCARA 機器人的桿件參數 關節(jié) li αi di θi 關節(jié)變量 qi 1 1

50、91 0 0 θ1 θ1 2 204 0 0 θ2 θ2 3 0 0 -d3 0 d3 4 0 0 -50 θ4 θ4 所以機器人位姿矩陣： cθ? ?sθ?cα? sθ?cα? l?cθ? 0 sα? cα? d? 0 0 0 1 [M???,?] = ?sθ? cθ?cα? ?cθ?sα? l?sθ?? 3.1.1 四自由度SCARA 機器人位姿方程的正解 通過位姿矩陣公式可得各相鄰桿件坐標系間的位姿矩陣如下： c? ?s? 0 191c? c? ?s? 0

51、204c? [M??]=?s? c? 0 191s?? [M??]=?s? c? 0 204s?? 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 c? ?s? 0 0 ] ? 0 0 1 ?d? ?? 0 0 1 ?d? 0 0 0 1 0 0 0 1 [M?? = 0 1 0 0 ? [M ]=?s? c? 0 0 ? 其中：cθ? =cos θ?; sθ? = sin θ? ; cα? = cos α?; sα? = s

52、in α?所以該機器人運動學方程為: [M04]=[M01][M12][M23][M34] cθ????? sθ????? 0 191cθ? + 204cθ??? =?sθ????? 0 ?cθ????? 0 0 ?1 191sθ? + 204sθ???? ?d? ? 50 0 0 0 1 式中： cθ????? = cos （θ? + θ? + θ? ）, sθ????? = sin （ θ? + θ? + θ?）, cθ??? = cos （θ? + θ? ），sθ??? = sin （ θ? + θ?） 3.1.2 四自由度SC

53、ARA 機器人位姿方程的逆解 若已知機器人手在空間的位姿矩陣，則通用表示: n? o? a? p? cθ????? sθ????? 0 l?cθ? + l?cθ??? n? o? a? ? p??=?sθ????? ?cθ????? 0 l?sθ? + l?sθ???? n? o? a? p? 0 0 ?1 d? ? d? ? d? 0 0 0 1 0 0 0 1 由矩陣兩邊元素相等可知，a? = a?= n? = o? = 0，a? = ?1，它們均為常量。帶有關節(jié)變量的函數方程有以下 5 個： cθ????? = n?

54、 = ?o? （a） Sθ????? = n? = o? （b） l?cθ? + l?cθ??? = p? （c） l?sθ? + l?sθ??? = p? （d） d? ? d? ? d? = p? （e） 由上面（a），（b）兩式可得 θ? + θ? + θ? = tan?? （ ??） ?? 聯(lián)立（c），（d）兩式，先將其兩邊平方相加，即可解出cθ?為 p?? + p?? ? l?? ? l?? cθ? =  2l l 于是 θ? = cos??( ? ? p?? + p?? ? l?? ? l??

55、 ) 2l?l? 將（c），（d）兩式中的cθ???，sθ???展開可得 ? ） 也已知，即可? ? （l? + l?cθ?）cθ?+(l?sθ?) sθ?=p? (-l?sθ?) cθ? + (l? + l?cθ?)sθ? = p? 聯(lián)立以上兩式，由于cθ 已知，因此sθ = ?1 ? （cθ ? 得cθ?，sθ?為 cθ? = (l? + l?cθ?)p? ? l?sθ?p? ? （l?sθ?） + (l? + l?cθ?)? sθ? = l?sθ?p? + (l? + l?cθ?)p? ? 所以得

56、到： （l?sθ?） + (l? + l?cθ?)? θ = tan?? （ l?sθ?p? + (l? + l?cθ?)p? ） ? (l? + l?cθ?)p? ? l?sθ?p? 已知θ?， θ?可得 最后由式子（e）可得  θ? = ?θ?  ? θ?  + tan?? （ n? ） n? d? = d? ? d? ? p? 通過以上推導，最終可得機器人運動學逆解的四個關節(jié)變量的數學表達式為 θ = tan?? （ l?sθ?p? + (l? + l?cθ?)p? ） ? (l? + l?cθ?)p? ? l?sθ

57、?p? p?? + p?? ? l?? ? l?? θ? = cos??( ) 2l?l? d? = d? ? d? ? p? θ? = ?θ? ? θ? ? tan?? （ n? ） n? 上式中，cθ? = ??????????????? ????? ，sθ? = ? ? 1 ? （cθ?） 3.2 四自由度 SCARA 機器人速度加速度的求解 1. 機器人速度的求解 已知位姿矩陣，只要分別對M04 求導就可以得到速度的表達式[10]。所以x、y 方向位移可得： X=191cθ? + 204c

58、θ??? Y=191sθ? + 204sθ??? Z=?d? ? 50 所以速度： V? = ?191sθ?θ?? -204sθ???(θ?? + θ?? ) V? = 191cθ?θ?? +204cθ???(θ?? + θ?? ) 2. 機器人加速度的求解所以加速度: a?=-191cθ?θ?? ? 191sθ?θ?? -204cθ????θ?? + θ?? ? ?θ?? + θ?? ? + 204(θ?? + θ?? )sθ??? a?=-191sθ?θ?? +191cθ?θ?? -204sθ????θ?? + θ?? ? ?θ?? + θ?? ? + 204

59、(θ?? + θ?? )cθ??? 3.3 基于 mat lab 的速度分析 本課題應用mat lab 軟件的simulink 模塊，通過速度的公式，在 simulink 中得到速度的曲線，如圖 3-2、圖 3-3 分別為V?、V?的模塊圖, 圖 3-4、圖 3-5 分別為V?、V?的速度圖。 圖 3-2 V?模塊圖 圖 3-3 V?模塊圖 圖 3-4 x 方向的速度 圖 3-5 y 方向的速度 3.3 本章小結 本章節(jié)主要建立了正確的運動學模型,并求出了運動學方程的正解和逆解，在逆解的求解過程中只進行了

60、一次矩陣逆乘從而使運算過程大為簡化。文章中介紹到了機器人的D-H描述等數學分析方法，這些都為機器人的數 學分析節(jié)省了大量的時間。 第四章 四自由度 SCARA 機器人動態(tài)仿真分析 4.1 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件介紹 由于機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件諸多，在這里我們簡要介紹一下其中幾個應用廣泛、影響深遠的深具代表性的軟件系統(tǒng)，主要是實現功能虛擬樣機的美國MSC公司的ADAMS和比利時LMS公司的DADS，實行有限元集成分析的美國MSC公司的NASTRAN和ANSYS。 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Sys

61、tems)，原由美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)，目前已被美國MSC公司收購MSC/ADAMS，是最著名的虛擬樣機分析軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數化的機械系統(tǒng)動力學模型，利用拉格朗日第一類方程建立系統(tǒng)最大量坐標動力學微分－代數方程，求解器算法穩(wěn)定，對剛性問題十分有效，可以對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析， 后處理程序可輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線以及動畫仿真。ADAMS 軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。目前，ADAMS已在汽車、飛機、鐵路、工程機

62、械、一般機械、航天機械等領域得到廣泛應用，己經被全世界各行各業(yè)的大多制造商采用。根據1999年機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料， ADAMS軟件占據了銷售總額8千萬美元的51%份額。ADAMS軟件由核心模塊、功能擴展模塊、專業(yè)模塊、工具箱和接口模塊5類模塊組成。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具， 其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。 比利時LMS的DADS支持機械系統(tǒng)的快速裝配、分析和優(yōu)化，并提供了功能

63、 虛擬樣機技術功能，可以為物理樣機試驗提供設計的裝配特性、功能特性和可靠性的預測與校驗分析。在建模方面，提供的建模元素包括豐富的運動副庫、力庫、約束庫、控制元件庫、液壓元件庫、輪胎接口等。在分析方面， 提供了裝配分析、運動學分析、動力學分析、逆向動力學分析、靜平衡分析、 預載荷分析等6種分析功能。并且針對不同的需求，提供了多種模塊，包括DADS/Basic（包括基本動力學仿真的建模、求解、后處理和動畫功能）、DADS/Standard（基本模塊加接觸分析、液壓與控制分析和用戶自定義子程序功能）、DADS/Advanced（包括DADS加DADS/Flex，后者提供有限元分析接口）、D

64、ADS/Plant（提供與控制系統(tǒng)軟件Easy5、Mat lab和Matrix耦合的動力學仿真）、DADS/Engine（發(fā)動機與動力系仿真），以及接口模塊CATIA/DADS（與CATIA接口）、DADS/Pro（與Pro/E接口）、DADS/IMS（與I-DEAS接口）。 MSC/NASTRAN的分析功能覆蓋了絕大多數工程應用領域，并為用戶提供了方便的模塊化功能，MSC.NASTRAN的主要功能模塊包括基本分析模塊（含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應力、流固耦合及數據庫管理等）、動力學分析模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設計靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP 用戶開

65、發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。MSC/NSATRAN是世界上功能最全面、應用最廣泛的大型通用結構有限元分析軟件，能夠有效解決各類大型復雜結構的強度、剛度、屈曲、模態(tài)、動力學、熱力學、非線性、（噪）聲學、流體-結構耦合、氣動彈性、超單元、慣性釋放及結構優(yōu)化等問題。 美國ANSYS公司集成有限元分析軟件系統(tǒng)ANSYS產品包括三個方面內容： CAE通用分析工具、CAE客戶化應用及協(xié)同仿真環(huán)境開發(fā)平臺和垂直應用及行業(yè)仿真工具。CAE通用分析工具主要用于虛擬樣機仿真，在產品設計過程中通過仿真得到其工作性能及各種指標，相應產品包括多物理場仿真分析工具ANSYS、顯式瞬態(tài)動力分析工具LS-DYNA、前期設

66、計校驗工具Design space、前后處理工具ANSYS ICEM CFD、設計優(yōu)化工具DESIGNXPLORER及新一代前后處理環(huán)境ANSYS Workbench Environment。CAE客戶化應用及協(xié)同仿真環(huán)境開發(fā)平臺以優(yōu)化設計流程為目標，以強大的分析功能和客戶化應用為手段，通過捕捉專家經驗、規(guī)范設計流程、高可靠性的CAD/CAE互操作技術、高效率的優(yōu)化技術等大幅度縮短研發(fā)過程，相應產品為CAE開發(fā)平臺ANSYS Workbench。ANSYS垂直應用及行業(yè)解決方案是在通用CAE工具的基礎上，經過客戶化定制， 與行業(yè)經驗、行業(yè)規(guī)范、行業(yè)最佳實踐等相結合，該類工具采用專業(yè)化、行業(yè)化的用戶界面，配以行業(yè)數據庫，將專家經驗和行業(yè)規(guī)范固化于軟件之中， 相應產品包括疲勞分析專用軟件FE-SAFE、汽車虛擬實驗場專用軟件VPG、板 成形仿真專用軟件DYNAFORM、土木工程專用軟件CIVILFEM、跌落仿真專用軟件DROPTEST、高頻電磁FEM法專用軟件ANSYSEMAX、高頻電磁MOM/PO/UTD混合法專用軟件工具MEMSPRO[11]。 4.2