运动学仿真分析

运动学仿真分析（精选十篇）

运动学仿真分析 篇1

转向机构是旋盖生产线的一个重要工艺机构, 它负责将通过视觉系统的工件进行方向的调整。其中, 视觉系统识别出工件哪一端有内螺纹, 若与规定端不符, 则发出一个信号给转向机构, 转向机构对工件进行一次转向, 使工件有内螺纹端与规定的一致, 转向之后, 工件将进入装配工位。此过程需要转向机构完成动作时间不超过2 秒, 且不能对工件和传送带有较大影响, 故有必要对转向机构和工件进行运动特性的分析。

2 旧式转向机构的缺陷

旧式的转向机构( 见图1) 采用的动力源是双杆气缸和平行气爪, 利用重力对工件进行转向。不过其存在两个明显的缺陷: 一是气缸震动大, 影响传送带的运动平稳性; 二是由于工件规格较多以及轴承的黏滞性, 导致在利用重力进行转向时, 工件与传送带发生挤压, 严重影响了传送带的运动, 也容易破坏工件, 故此设计了新式的转向机构。

3 新式转向机构的结构及工作原理

新式的转向机构也有两个动力源, 分别为摆动气缸和平行气爪。其中摆动气缸固定在铝型材座架上, 用螺栓将座架与传送平台联结在一起, 平行气爪通过连结块与摆动气缸摆动体固连在一起, 且气爪联结自制的夹持手指, 见图2。其工作原理为: 视觉识别系统给出转向信号后, 转向机构处于转向动作待激活状态, 当工件前段挡住光电传感器时, 平行气爪带动夹持手指做收回动作, 夹持手指能保证被夹持工件的轴心在同一高度, 且工件与传送带分离, 避免了转向过程对传送带运动的影响, 当工件被夹紧后, 摆动气缸带动平行气爪及工件做同步180 度摆动, 实现转向, 之后气爪带动夹持手指做张开动作, 至此便完成一个转向整个动作, 工件随传送带进入下一工序, 转向机构等待下一次触发。

4 新式转向机构的虚拟样机的建立

转向机构包括摆动气缸、平行气爪、摆动气缸座架、夹持手指、连接臂( 长度60mm) 等, 由于摆动气缸和平行气爪为采购件, 故不对其进行细节设计, 以简化结构设计, 其中摆动气缸型号为SMC的MSQB10A( 摆角范围0 度~190 度), 平行气爪型号为MHL2-10D1( 行程40mm)[1]。

1.视觉识别系统箱体2.低导向板3相机座4.相机5.高导向板6.工件7.夹持手指8.摆动气缸座板9.连接臂10.连结块11.平行气爪12.摆动气缸13.光电传感器14.传送带

4.1 3D模型的建立

3D模型的建立, 采用的是Solid Works软件, 该软件功能强大, 组件繁多, 操作简易, 对于复杂设计有很强的适应性。转向机构的零件设计通过草图编辑及拉伸、切除、旋转等建立, 在装配模块中组建装配体, 在运动算例进行Motion分析, 输出ADM文件到Adams软件中。

4.2 Adams中虚拟样机的建立

定义各个零件在Adams中的材料属性, 其中结构件均为合金铝, 工件材料为ABS塑料。修改部分不合理的约束和接触力, 其中摆动气缸的摆动体与缸体为旋转副、气爪与其缸体为移动副, 其余均为固定副、夹持手指与工件等添加接触力, 添加摆动气缸和气爪的驱动。其中取X正方向为传送带运动方向,Z正方向为竖直向上,Y由X、Z确定。转向机构虚拟样机如图3[2,3,4]。

5 仿真结果及分析

摆动气缸的工作特性能够很好的适应工作要求, 故不做性能参数设计。

影响转向机构工作性能的主要参数是平行气爪的夹持力特性。若夹持力过小, 则工件容易夹持不稳, 出现工件掉落等事故, 若夹持力过大, 则可能造成工件发生一定程度的损伤, 故需对平行气爪的夹持力大小进行试验设计, 找出平行气爪可行的工作参数。图4 是SMC手册给出的该型号平行气爪的夹持力特性曲线, 其中Gripping point R为连接臂长度。

根据图4 所示, 当连接臂长度为60mm时, 平行气爪的夹持力大概在0N-10N之间, 故试验设计中, 设计变量的变化范围在0N-10N之间, 试验次数设定为20次, 从表1 可以看出, 在夹持力小于3N时, 工件质心没有运动到规定高度( 规定高度26.5mm), 处于非夹紧状态, 此时气爪的供气气压小于0.2Mp; 当夹持力大于3N之后, 工件能被正常夹紧。选取平行气爪的夹持力为5N, 进行仿真, 此时气爪的工作压力约为0.3Mp。

选取抓取力为5N进行仿真, 仿真时间为2s, 仿真步长为100。如图5所示, 工件在竖直Z方向的位移(a)、工件在竖直Z方向的速度(b)、工件在竖直Z方向的加速度(c) 以及工件受到的加持力(d)。起始时, 平行气爪做夹持动作, 工件做变加速运动直到被稳定的夹持住, 在0.2s左右时出现加速度突变和速度震荡现象,这个现象是因为气爪快速运动与工件发生动量交换产生的; 在0.5-1s时间里, 摆动气缸摆动, 摆动角度为180度, 实现了工件的转向, 此过程中, 工件所受的加持力(force_x和force_y) 出现波动, 但质心高度一直稳定在26.5mm, 说明此过程夹持力能够稳定住工件, 工件处于规定高度; 到1.4s时平行气爪松开, 工件所受的夹持力为0N, 并开始做自由落体运动, 当其与传送带的接触时, 其所受的接触力出现震荡现象( 图6), 此现象容易引起工件在传送带上发生不确定运动, 为解决此现象,在传送带两端添加了导向挡板, 以防止工件出现侧向滚动等不确定运动。实际的物理样机模型见图7。

5 结束语

本文运用Solid Works和Adams软件对新式转向机构进行设计和联合仿真, 得到了该机构的结构及运动特性, 通过试验设计找到了气动元件的工作参数, 避免了传统设计的盲目性和猜测行为, 为物理样机的设计提供了理论参考, 减少了产品的研发制造周期和资金投入[5,6]。

参考文献

[1]SMC(中国)有限公司.SMC气缸选型手册[Z].

[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3]郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2002.

[4]陈锋华.ADAMS2012虚拟样机技术从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2013.

[5]王雁.基于ADAMS的变速箱齿轮的运动学和动力学仿真[J].制造业自动化,2012,33(3):111-112.

CATIA运动仿真DMU空间分析 篇2

CATIA的DMU空间分析模块可以进行设计的有效性评价，

CATIA运动仿真DMU空间分析

。它提供丰富的空间分析手段，包括产品干涉检查、剖面分析和3D几何尺寸比较等。它可以进行碰撞、间隙及接触等计算，并得到更为复杂和详尽的分析结果。它能够处理电子样机审核及产品总成过程中经常遇到的问题，能够对产品的整个生命周期(从设计到维护)进行考察。DMU空间分析能够处理任何规模的电子样车，它适用于从日用工具到重型机械行业的各种企业。X.1 相关的图标菜单CATIA V5的空间分析模块由一个图标菜单组成：空间分析(DMU Space Analysis)Clash:干涉检查Sectioning:剖面观察器Distance and Band Analysis:距离与自定义区域分析Compare Products:产品比较Measure Between:测量距离和角度Measure Item:单项测量Arc through Three Points:测量过三点的圆弧Measure Inertia:测量惯量3D Annotation:三维注释Create an Annotated View:建立注释视图Managing Annotated Views: 管理注释视图Groups:定义产品组x.2空间分析模块的环境参数设定在开始使用CATIA V5的空间分析模块前，我们可以根据自身的习惯特点，合理地设定其环境参数。在菜单栏中使用下拉菜单ToolsàOptionàDigital Mockup打开DMU Space Analysis的环境参数设定界面，在此窗口中有六个标签，分别对应不同的参数设定。x.2.1干涉检查设置(DMU Clash)该设置针对Clash命令，允许设置以下内容：Retrieve Information：得到干涉的结果From previous computation：从前一个计算得到分析结果From PDM(UNIX only with ENOVIAVPM)：从PDM中得到分析结果(在UNIX系统下是ENOVIA VPM)None：(缺省)无比较Results Window /Automatically open：当进行干涉检查时自动打开结果显示窗口Display in Results box：设置缺省的显示条目list by conflict：冲突列表list by product：产品列表First line automatically selected：(缺省)自动选择冲突列表或产品列表的第一行Type of Computation：设置冲突的缺省类型和缺省的安全距离During Initial Computation：计算并显示所有冲突的深度和最小距离x.2.2干涉检查细节设置(DMU Clash – Detailed Computation)该设置针对Clash命令，允许设置以下内容：Level of Detail：设置细节的级别Element：(缺省)让用户全面地工作于产品级别，直到查明有关的元素。Product：仅仅得到产品级别的信息。注意：只有设置成Element，才能得到详细的分析结果。Clash Result：指定干涉检查结果的显示图形Curve：计算干涉并显示成红色的相交曲线None：不生产红色的相交曲线Contact & Clearance Result：指定接触和安全距离分析结果的显示图形Triangle：当产品之间是接触关系，或者是在指定的安全距离以内时，分别地进行计算并显示成黄色和绿色三角形注意：三角形显示可能会降低性能。Surface：当产品之间是接触关系，或者是在指定的安全距离以内时，分别地进行计算并显示成黄色和绿色三角形针对该选项，用户必须设置精度。该精度值定义为分析结果的所有显示三角形的最长边的最大值。分析结果通常显示为黄色和绿色曲面。None：不生产显示三角形或曲面Numeric Result：Penetration depth or minimum distance：显示干涉的最大深度和最小的安全距离None：不显示干涉的最大深度和最小的安全距离x.2.3干涉检查渗透模式设置(DMU Clash – Penetration)Mode of Penetration：设置所计算的干涉值的模式Element：(缺省)该模式中，干涉深度是指沿着干涉方向上的可视相交区域的深度，并显示其最大值注意：不能使用该计算结果来移动产品以避免干涉。Product：使用该模式，显示的数值(带方向)是指将产品沿着指定方向移动该数值大小的距离(最小)就可以避免干涉的产生x.2.4干涉检查输出设置(DMU Clash – Publish)该选项可以设置XML格式文件的输出：Default path：设置XML格式文件的默认输出位置Style. sheet：设置输出文件的风格面板Browser automatically opened：当干涉结果输出后，自动打开一个浏览器并显示结果x.2.5剖面观察器设置(DMU Sectioning)Section Planes：设置截平面的缺省设置Default color：设置截平面的缺省颜色Normal X, Y, Z：指定截平面的法向与绝对坐标系的X、Y、Z轴中哪个方向一致Origin：指定截平面的中心位置是绝对零点，或者是所选择产品的中心Hide the plane in the No Show space：将截平面放置在隐藏空间(若不选取该选项，则剖切平面放置在显示空间)Automatic computation of the result：修改截平面设置时自动更新显示Section Grid：设置截平面的二维视图的网格设置Absolute Mode：网格按照绝对坐标系统显示Relative Mode：设置网格中心位置在剖切平面的中点Style：设置网格显示为直线或交点Automatic filtering：选择后，在缩放时自动调整显示的网格Steps：设置网格的相邻两根直线的距离，缺省值为100，单位为当前单位Results Window：设置分析窗口的缺省选项Automatically open：选择剖面观察器命令时自动显示分析窗口Always 2D view：总是在分析窗口中显示截面的二维视图Automatically reframe.:当在作图区操作剖切平面时，自动在分析窗口和预览窗口中匹配显示结果Section fill：在分析窗口中填充截面x.2.6距离分析设置(DMU Distance)该选项针对Distance and Band Analysis命令，可以进行以下设置Results Window/ Automatically open:自动显示分析窗口XML Publish Default Directory：设置XML格式文件的输出(只针对连接面分析命令)Default path：设置XML格式文件的默认输出位置Style. sheet：设置输出文件的风格面板Browser automatically opened：当结果输出后，自动打开一个浏览器并显示结果x.3空间分析命令详解本节将详细地介绍数字化电子样机模块的相关功能。x.3.1干涉检查(Clash)在用CATIA V5进行装配设计后，我们必须进行干涉检查，以保证各元件设计的合理性。一、干涉检测1.从菜单栏中选择InsertàClash，或者单击图标，出现“Check Clash”对话框，相应地，在结构树上出现Interference条目。2.这时，我们可以定制分析的名称，并通过Type的下拉式菜单选择需要分析的冲突的类型：Contact + Clash：分析接触和干涉Clearance + Contact + Clash：分析产品之间是否离开指定的距离Authorized penetration：指定一个富余的干涉距离，分析各个产品在该距离之内的干涉情况。这种分析类型主要应用于柔性产品，如电缆、接头等。3.我们还可以通过第二个下拉式菜单选择分析的类型：Inside one selection：在一个指定的元件中，检测该元件的每一个产品之间的关系Selection against all：检测某个指定的元件中的每一个产品与整个文档中的所有其它产品之间的关系Between all components：(缺省)检测每一个产品与整个文档中其它产品之间的关系Between two selections：检测第一个元件中的每一个产品与第二个元件中的每一个产品之间的关系4.除了在第3步中选择Between all components外，我们必须指定检测的产品。5.单击Apply，执行检测。二、检测结果说明1.Clash Tool工具栏中的菜单都被激活了：在另一个窗口中显示干涉检查结果重新构造干涉检查显示窗口的大小将分析结构输出2.Check Clash对话框扩展为下图，显示检测结果：图中状态灯显示红色，并指出有4处冲突，包括2处接触，2处在指定距离以内。其状态灯通常会用三个图标表示：：至少有一处相关的冲突：没有相关的冲突，但是至少有一处冲突没有被检测出：没有任何冲突而检测结果会用以下三种方式显示：List by Conflict：(缺省)按照每行一个冲突显示List by Product：按照产品显示，这时可能行数会多于产品数(因为有些产品可能会有多个冲突)Matrix：用矩阵的形式显示冲突我们还可以用过滤器(Filter)来定制分析结果：Type of interference：冲突的种类冲突，接触，在指定距离以内Value：根据冲突值设置过滤器不设定关于冲突值的过滤器，按照递增关系，按照递减关系Status：按照冲突的状态设置过滤器所有状态，没有检测，有关的，无关的注：如果不在Check Clash窗口中选择具体的冲突项，所有的冲突项都显示为“没有检测”;检测以后的冲突有可能是有关或无关的。Info (available when comparing results)：没有相关的冲突，但是至少有一处冲突没有被检测出对于设置的过滤器，一定要单击Apply filters来更新显示结果。如果要对某些冲突加上注释，我们可以单击该冲突的comment区域，添加注解。3.在分析预览窗口中，我们可以看到用不同颜色表示的分析情况，缺省状态下如图：Clash：红色相交曲线Contact：黄色三角形Clearance：绿色三角形三、更加详细的分析结果用List by Product来显示分析结果，然后单击按钮，得到更详细的结果。我们先介绍显示过滤器(Visualization):All products：显示所有产品之间的检测结果Product：显示与当前冲突有关的产品Element：显示与当前冲突有关的元素Show / Show：(下拉式)显示，隐藏或用暗颜色的几何体来替代与冲突有关的两个产品All cases：(下拉式)选择自己需要的图形表示法，包括所有的图例，没有图例，最少的图例三种在列表中双击VALVE，我们可以看到，在“Product”模式下，VALVE和BODY1，BODY2，LOCK，TRIGGER四个产品之间检测出有冲突，我们可以用Previous和Next在冲突之间转换。针对每一个冲突，在Detailed Results窗口中可以看到详细的分析结果(如果是干涉，则显示干涉渗透的方向)。我们可以转换到Element模式下：在Detailed Results窗口中显示了各个冲突的具体元素。单击Deselect按钮，去除当前选择的项目。四、输出分析结果1.单击图标，出现Save As对话框;2.设置输出文件类型(缺省为XML文件类型);3.指定保存路径;4.输入文件名;5.单击Save保存文件。x.3.2剖面观察器(Sectioning)在CATIA V5中，我们还可以通过剖面观察器来分析装配中各个组成元件之间的关系。下面我们来详细地介绍剖面观察器。一、生成截平面从菜单栏中选择InsertàSectioning，或者直接单击图标，激活剖面观察器命令，系统自动运用生产单截面的命令，出现Sectioning Definition对话框和Preview窗口，相应地，在结构树上出现Sections条目，并且自动生产一个平面。该平面为主平面。在Sectioning Definition窗口中单击Name，可以指定剖面观察器的名称。如果没有预先进行选择，生成的平面将对所有显示的元件进行截面分析;如果预先选择了某些元件，生成的平面只对已选择的元件进行截面分析。也可以单击Selection，重新选择需要进行截面分析的元件。在缺省状态下，自动生成的平面通过已选择的元件的几何中心并平行于绝对坐标系中的YZ平面。该平面有边界和自己的坐标系统，U、V和W代表三个轴，W轴表示平面的法向，边界轮廓显示为红线。单击OK退出剖面观察器。我们可以通过该截平面的属性对话框(Properties)来更改名称、颜色、线型、大小等属性。二、操作截平面1.粗略地定义截平面的大小并进行移动、旋转等操作：a) 定义大小b) 移动c) 旋转a) 将鼠标移动到平面的边界上，拖动指示箭头，定义平面的大小;b) 将鼠标移动到平面中，拖动指示箭头，平行移动平面的位置;c) 将鼠标移动到平面的坐标轴或坐标系边界上，拖动指示箭头，绕坐标轴旋转平面，我们注意到，当我们操作截平面时，预览窗口中的截面显示会相应变化。2.精确地定义截平面。在Sectioning Definition窗口中选择X、Y、Z，可以定义剖切平面的法向(W轴)沿着哪一条绝对坐标轴。要使剖切平面的法向反向，可以在作图区双击W轴，或者在Sectioning Definition窗口中单击图标。图标用来编辑截平面的位置和大小：X、Y、Z代表截平面的中心点坐标在绝对坐标系中的数值。Width、Height表示截平面的宽度(V向)和高度(U向)，Thickness表示在使用剖切薄片和剖切盒子功能时两个截平面之间的距离。Translations功能可以让截平面沿着U、V、W方向移动指定的距离。Rotations功能可以让截平面绕着U、V、W轴旋转指定的角度。如果某一步操作有误，可以使用Undo Last Move/Redo Last Move来撤销、重做最后一步操作。3.图标用来恢复截平面到初始位置。4.图标用来指定截平面的法向沿着所选择的几何元素的切矢方向。系统能自动捕捉回转体的旋转轴作为截平面的法向，可以按住Ctrl键来关闭这种自动捕捉功能。该功能还可以使截平面沿着曲线、边界或曲面移动：选取目标元素，单击，再按住Ctrl键，沿着目标元素移动光标，则截平面随光标移动而移动，预览窗口中出现相应的截面形状。三、生成双截面在Sectioning Definition对话框中的下拉命令中选择图标，建立双截面。在预览窗口中自动更新截面图形。后生成的平面为副平面，平行于主平面，两平面的边界轮廓都显示为红色。当鼠标放置在副平面的边界上时可以通过移动鼠标来更改两平面间的距离(Thickness)。四、生成盒状剖切在Sectioning Definition对话框中的下拉命令中选择图标，生成盒状剖切。在预览窗口中自动更新截面图形。剖切盒子的边界轮廓用红色线条表示。同样，我们可以通过拖动边界和盒子的六个面的方法来改变其主、副平面大小和两平面之间的距离(Thickness)。该命令可以指定需要剖切分析的部位的大小。五、生成三维断面在Sectioning Definition对话框中的下拉命令中选择图标，在作图区生成三维断面。该命令去除截平面法向反方向的部分，但系统也会自动调整截平面的法向以方便当前视图。在截取工具不同时，会出现不同的效果：双截面盒状剖切六、冻结断面形状有时我们需要将作图区和预览区的截面形状固定住，以作为一个截面操作的历史，我们可以单击图标，这时，不管在作图区怎样操作截平面，在以上三个窗口中显示的图形都不变。七、截面的二维视图单击图标生成一个单独的截面二维视图，该视图窗口自动地和主文档窗口竖直平铺，并通过一个前视图来显示截面形状。在视图中单击鼠标右键，弹出快捷选项，如图：和：将截面形状绕水平轴/竖直轴翻转180°和：将截面形状绕原点逆时针/顺时针旋转90°将图形放置在合适位置后，可以通过以下渲染方式表现截面图：在二维视图中是否填充截面(缺省状态为填充截面)在二维视图中是否显示网格编辑二维视图中显示的网格在Edit Grid对话框中，各个选项的意义如下：Mode：定义截面的二维视图的原点是绝对坐标原点还是所选择的元件的几何中心Style：定义网格是用直线表示还是用短的相交直线表示Steps：定义网格的步距Automatic filtering：在二维视图窗口中缩放图形时，自动调整网格的显示级别Defaults：使用缺省的步距设置注意：即使自定义了网格的步距，当退出二维视图窗口后，再次进入二维视图窗口或修改以前生成的二维视图时，系统会以缺省的设置步距来显示视图。在网格线上单击鼠标右键，弹出快捷选项，如图：Coordinates：在网格线的交点上显示坐标值Clean All：清除坐标值在二维视图中我们也可以检测干涉情况：在Sectioning Definition对话框中单击图标，在二维视图中将高亮显示干涉情况(见右图)。八、注释在二维视图中我们可以对截面形状的最小距离、角度等属性进行测量并将测量结果当作注释放置在视图中。我们也可以单击三维注释图标在二维视图中添加文字注释。九、保存二维视图1.使用捕捉命令激活需要输出的窗口，在菜单栏中选择下拉菜单ToolàImageàCapture，在Capture工具栏选择矢量模式，再选择保存，可以将截面形状保存为各种CGM格式的文档。2.使用输出命令在Sectioning Definition对话框中选择，显示Save As对话框，指定保存路径和文件名，选择一种文件格式，单击Save完成输出。CATPart：CATIA V5的三维数据格式CATDrawing：CATIA V5的二维数据格式dxf/ dwg：DXF/DWG数据格式igs：IGES数据格式model：CATIA V4的数据格式stp：STEP数据格式wrl：虚拟现实建模语言(VRML)十、自动更新二维视图在Sectioning Definition对话框中单击自动更新命令，选择OK退出。当我们在作图区用罗盘移动某元件时，其与截平面的相交形状自动在三维图形中进行更新。取消该命令，只需再次单击。打开自动更新关闭自动更新十一、使用弹出菜单当建立一个剖面观察器后，在结构树上选择Sections条目，单击鼠标右键，激活弹出菜单。Definition…：更改所选择的section的设置Update the section：手动地更新所选择的sectionActivate/Deactivate the auto-update：激活/关闭自动更新设置Activate/Deactivate the section cut：激活/关闭三维断面Export the section(s)：保存二维视图Select the product(s)：在结构树上高亮显示与该section相关联的元件。x.3.3距离与自定义区域分析一、简介在装配环境中，为了保证设计的精准度，CATIA V5的电子样机的空间分析模块提供了距离与自定义区域分析命令，可以测量两个元件之间的最小距离和沿坐标轴X、Y、Z方向的距离。我们也可以计算并显示两个元件在给定的区域之间的部分。例如，我们需要知道是否有足够的空间来安置方向盘(非红区域)，同时也要确定当手放置在方向盘上时可以触摸到哪些物体(绿色区域)。A的绿色区域是指其中的所有点到B的距离都在用户定义的范围内。A的红色区域是指其中的所有点到B的距离都小于用户指定的最小距离。距离分析命令可以和其它的空间分析命令结合起来使用。例如，可以直接在距离分析结果窗口中单击剖面观察器命令，生成的截平面平行于最小距离的方向，中心位于该测量距离的中点，并且还可以使用各种操作截平面的方法来移动、旋转、定位该截平面。二、测量最小距离和沿坐标轴X、Y、Z方向的距离从菜单栏中选择InsertàDistance and Band Analysis，或者直接单击图标，出现Edit Distance and Band Analysis对话框。Type的第一个下拉菜单中可以选择测量的方式：Minimum：(缺省)最小距离Along X：沿X轴Along Y：沿Y轴Along Z：沿Z轴Band Analysis：自定义区域从Type的第二个下拉菜单中指定计算类型：Inside one selection：(缺省)在所选择的元件中，计算该元件的各个产品与其它产品之间的关系Between two selections：计算第一个元件中的各个产品与第二个元件中的各个产品之间的关系Selection against all：计算所选择的元件中的各个产品与总装配中的所有其它产品之间的关系注意：1.在选择的元件中，其结构树上的所有子装配都参与计算;2.单击Selection 1窗口，该窗口变成深蓝色，其所选择的元件高亮显示;3.可以多选;4.要想取消已选择的元件，只需在结构树或作图区再次单击该元件即可。现在我们使用Minimum、Between two selections模式，并选择两个元件，单击Apply，出现分析预览窗口，原来的Edit Distance and Band Analysis对话框也扩展为下图。在Results中，系统给出了最小距离及其矢量，和起始、中止点的坐标值。单击图标生成一个单独的视图表示分析结果，该窗口自动地和主文档窗口竖直平铺。或者选择Along Z，分析两个元件之间的Z向最小距离。单击OK，结束命令。相应地，在结构树上出现Distance条目。三、自定义区域分析在Edit Distance and Band Analysis对话框中选择测量方式为Band analysis，单击Apply，扩展该对话框如下，并显示分析结果。如果有必要，也可以指定测量精度Accuracy。该精度值定义为分析结果的所有显示三角形的最长边的最大值。值越小，精度越高。我们也可以使用Visualization Filters来设置绿色和红色曲面是显示、隐藏还是透明状态。设置完后，需要单击Apply Filters应用过滤器。Products的下拉菜单可以设置所选择的元件是否显示、隐藏或透明。但此菜单只针对分析结果窗口中的显示情况。在单击OK完成分析后，同样地在结构树上出现Distance的条目。四、输出分析结果Edit Distance and Band Analysis窗口中的命令可以将分析结果输出成以下格式：model：CATIA V4的数据格式cgr：CGR格式wrl：虚拟现实建模语言(VRML)xml：XML格式x.3.4产品比较CATIA V5的空间分析模块还提供产品比较功能，可以比较两个零件或两个装配之间的不同，并确定哪些部位去除或增加了材料。该功能主要应用于设计过程的不同阶段和对某一产品作内部或外部(客户要求)修改时，可以比较装配或零件的不同之处。一、可视比较模式(Visual Compare)1.从菜单栏中选择InsertàCompare Products，或者直接单击图标，出现Compare Products对话框。该命令提供两种比较模式：Geometric Comparison：装配或零件间的不同点用立方体来表示，并用两个窗口分别显示增加和去除材料。Visual Comparison：(缺省)比较关系完全可视，并出现一个分析结果窗口。Visual模式提供更快更好的比较，主要表现在：a)比较的时间和分析结果窗口的大小成正比;b)分析结果窗口完全用象素表示，可以通过缩放来获得更好的显示。在以上的比较模式中，我们可以指定参考坐标系：(缺省)绝对坐标系Use local axis systems：使用局部坐标系2.选择需要比较的元件。注：需要比较的元件(装配或零件)一定要在同一个总装配中。并且，产品比较功能不支持多选。3.单击Preview，执行可视比较，出现分析结果窗口：黄色：共有的部分绿色：去除材料部分红色：增加材料部分4.也可以通过滑动条来设置比较精度：比较精度与两个相比较的产品之间的改变部位的最小距离相协调。值越大，显示图形越简单。可以见到，将比较精度调到10后，绿色部位不再被认为是不同的。比较精度的缺省值是0.4，推荐不要更改该设置。注：可视比较模式不能保存比较结果。二、几何比较模式(Geometric Compare)5.针对以上例子，选择几何比较模式。6.设置计算精度(缺省为5mm)。计算精度决定了用来表示增加或去除材料的立方体的尺寸。较小的值将减慢计算速度，但能获得更精确的分析。7.设置显示精度。我们也可以设置显示精度，将计算结果的粗糙的显示转变为较好的图像显示。显示精度的缺省值等于计算精度的值。8.从Type的下拉菜单中选择比较的类型：Added + removed：(缺省)计算材料的增加和去除Added：只计算材料的增加Removed：只计算材料的去除9.单击Preview执行几何比较显示精度=20mm显示精度=5mm10. 我们可以将显示立方体保存为CGR、VRML或WRL格式文件，如果有DMU优化器模块的license，还可以保存为3DMAP格式文件。3DMAP格式文件可以插入到一个装配中，或者插入到DMU的空间分析和漫游器的命令中。三、使用局部坐标系我们将下面的两个零件插入到同一个装配中，它们在绝对坐标系中位置不同，但两零件相对于各自的局部坐标系位置一致。这时，我们需要用到局部坐标系的选项。x.3.5测量距离和角度参见第一章。x.3.6单项测量参见第一章。x.3.7测量过三点的圆弧我们还可以测量通过三点的圆弧的长度、半径和角度。具体的操作步骤如下：1.从菜单栏中选择AnalyzeàArc through Three Points，或者直接单击图标，出现Measure Arc Section对话框:Keep Measure：将当前和以后的测量结果作为三维注释保留在作图区，双击已经存在的测量结果可以编辑该对象。2.选择沿着曲线或弧线的三个点，生成一个圆弧，其长度、角度、半(直)径和圆心点都自动显示。在选择点时，鼠标指针的形状表示了当前所在的选择的阶段。当鼠标指向某对象时，鼠标指针高亮显示，并且当移动到某边界时，该边界(不是曲面)也高亮显示。Measure Arc Section对话框的内容也自动更新：3.如果有必要，也可以拖动半径标注线和测量数值的位置。4.我们可以随时通过Customize来定制需要测量的项目：5.单击OK，完成测量。

运动学仿真分析 篇3

关键词：摆环机构；运动仿真；造型设计；ADAMS

中图分类号：S220.39 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0019-03

联合收获机械的切割装置分为往复式和圆盘式两种。其中，往复式切割器的驱动部件有曲柄连杆机构、摆环机构、行星齿轮机构、双曲柄机构和双飞轮机构等。这些传动机构的共同特点是把回转运动变成割刀的平面往复直线运动。摆环机构作为一种运动转换部件，起着与曲柄连杆机构相同的作用，即将旋转运动转化为往复运动。且有较曲柄连杆机构结构紧凑、稳定、噪声小的优点，故被广泛应用于需进行运动转换的机具。

利用Solidworks进行摆环机构建模，并运用ADAMS软件对摆环机构进行仿真分析，得出摆环机构的相关数据，旨在为摆环机构的设计和研究提供依据。

1 摆环机构结构与工作原理

利用Solidworks完成摆环机构的虚拟装配，其机构如图1所示，主要由主轴，摆环，摆轴，摆杆和导杆等零件组成。

为更直观地表达摆环机构的详细结构，其模型爆炸视图如图2所示。摆环机构是一种由装在主轴上的摆环通过摆轴把回转运动转变为往复运动的机构。轴套套在主轴上，主轴旋转带动轴套转动，轴套与轴承内圈相连，轴承外圈带动摆环转动，摆环摆动时通过摆轴摆杆带动导杆，从而驱动割刀进行往复运动。

2 摆环机构的运动特性

割刀的运动特性对切割器性能有直接影响。往复式切割器工作时，动刀片在摆环机构的驱动下做横向往复直线运动。图3是摆环运动示意图，从正面看过去，摆环的中心为O，半径等于OA′，它以倾角ɑ刚性地固连于水平主动轴上，随轴一起做等速旋转，角速度为ω；在W面上，摆环的投影为一椭圆，并随主动轴（其投影聚集于点）一同以角速度ω旋转运动。

摆环机构的割刀位移方程式为：x=-σrcosωt

摆环机构的割刀速度方程式为：Vx=μrωsinωt

摆环机构的割刀加速度方程式为：αx=γrω2cosωt

式中：x为割刀位移；Vx为速度；αx为加速度；σ，μ，γ皆为摆环偏角ɑ和rω的函数。

在摆环偏角≦15°时，摆环机构与曲柄连杆机构的割刀运动规律类似。当ɑ角大于25°时，则αx较曲柄连杆机构有明显的差异，即αx在一个周期内出现两个高峰，使机器振动加剧。故一般取摆角ɑ=15～18°。

3 摆环机构的仿真分析

3.1 机构创建

利用三维建模Solidworks软件对机构进行建模，通过数据转换接口将模型保存为Parasolid（X_T）格式，并导入到ADAMS中，完成仿真分析模型创建，如图4所示。对导入到ADAMS中摆环机构的虚拟样机进行各部件布尔操作、重命名、添加材料属性等编辑。此外，由于导杆在实际运动中存在弹性变形，故在虚拟样机中将导杆做为柔性部件进行仿真分析。

3.2 添加约束与载荷

虚拟样机构建完成后，利用ADAMS软件中的主工具箱中的约束功能，按照机构的实际状态将各个构件进行约束添加。添加完成的约束如表1所示。

根据摆环机构的设计要求，以主轴转速500 r/min作为其动力输入速度，并在在虚拟样机的机架与主轴之间的旋转副上施加驱动载荷。

3.3 仿真分析

根据收割机的传动比计算出主轴的转速为500 r/min。在ADAMS添加驱动并设置其转速，进行机构运动仿真，设置仿真时间End time为0.25 s，仿真步数为200，分析动刀片的运动规律。

从图5可以看出割刀在x轴上的移动变化特性：最大位移为655 mm，最小位移为565 mm，行程为45 mm，在X轴做周期为0.12 s的往复间谐振动，满足设计最初设计行程的要求。

图6是割刀在x方向上的速度变化曲线。由曲线可以看出，割刀在往复运动完成1次切割时，位移速度变化范围在-2.5～2.5 m/s之间，满足切割要求。

图7是割刀的加速度变化曲线。由于导杆为柔性体，在开始受力时因存在塑性变形而受力不均，加速度突变不稳定，故从稳定后开始分析，确定其加速度变化范围是-112.8～120.0 m/s。

对照图5—7可以看出，当割刀的行程达一半时，速度最大，加速度为0 mm/s；在割刀行程最大时，其速度为0 m/s，但加速度最大，符合理论计算模型。

4 结论

运用三维建模软件Solidworks对摆环机构进行造型设计，概述摆环机构的构造、工作原理，分析其运动特性，通过仿真软件ADAMS对摆环机构的情况进行模拟仿真，研究割刀在往复运动方向上的位移、速度、加速度变化曲线，获得割刀运动参数，为今后摆环机构的设计计算提供分析方法。

参考文献

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[2] 谢飞，尹洋.收获机械切割机构的仿真分析[J].江苏农业科学，2015（10）：474-476.

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[4]吴雪梅，张富贵，吕敬堂，等.收获机械中摆环机构运动学分析[J].农机化研究，2010（4）：58-59.

双足机器人运动学分析与仿真 篇4

机器人的上体用一个质量块代替。为了增强研究内容的通用性, 选择主流机器人腿部结构配置: 单腿六自由度结构。为保证稳定行走, 需要在髋、膝、踝配备合理的自由度。自由度分配如表1所示。

机器人腿部各个杆件长度仿照人体的实际尺寸设计。 从仿生学的角度, 人体经过长时间的生物进化各个部分的长度经过了很好的优化, 因而仿照人体实际尺寸设计机器人也能达到自然优化的效果。选择《中国成年人人体尺寸》中按照男性人体第50百分位数的人体数据作为设计依据, 并以身高作为计算基准, 来设计机器人腿部基本尺寸［1］。

例如参考数据: 身高: 1 678 mm; 大腿长度: 465 mm, 大腿长度比例为: 465 ÷ 1 678H = 0. 277H。其余计算结果如表2所示。

*此处脚长数据为实际测量值;取值时为了能完成稳定步行故取值较大。

2机器人运动学

2. 1正运动学

选择空间直角坐标系定义机器人各个杆件的位置。 全局参考坐标系的原点: 机器人竖直站立时机器人髋部连线中点在地面的投影点。

通过旋转矩阵与角速度矢量之间的关系推导出旋转矩阵的矩阵指数形式［2］:

其中, 为转动轴单位矢量;φ为转动角度。∧为特殊的运算操作符, 其定义为:

通过以上公式生成对应旋转矩阵, 方便编程运算。

定义各关节 ( 共12个关节) 初始坐标系与全局参考坐标系平行, 列出各个关节处的齐次变换矩阵:

最终, 再通过齐次变换矩阵的链乘法则完成研究点到全局参考坐标系的推导, 因每个齐次矩阵都是相对当前坐标系表示的, 故需要右乘齐次矩阵表示变换结果［3］。

从上体到两腿脚踝处分别编写齐次变换矩阵。

2. 2逆运动学

在求解逆运动学运算时, 采用两种方法计算: 解析法和数值法［4］。

解析法通过机器人几何数据和旋转矩阵对应元素对应完成计算。首先, 考虑机器人模型的右腿, 在计算之前, 需要先把上体位姿和右脚位姿确定下来。利用几何关系完成膝部和踝部关节角度的求解［4］。之后将已经得出的角度矩阵代入, 并变形得:

左右两边分别展开和计算有:

最终, 经过以上运算推导, 逆运动学解析法推导即可完成。

由于正运动学计算比逆运动学解析法计算更为简单, 因此按照反复修正数值减小控制误差的方式来求解逆运动学的方法叫做数值法, 数值法可被用于机器人实时控制计算。

2. 3正逆运动学GUI

MATLAB中的GUI ( 图形用户界面) 使得数据可视化, 并能完成交互式图形界面设计［5］。图1为双足机器人正逆运动学GUI。本程序计算机器人右腿的正逆运动学, 左腿的计算只需很小的改动就能完成。在正运动学计算框中输入主体位姿和关节角度后点击开始计算, 就能计算出右腿脚踝处位姿。在逆运动学计算框中按取值能够将上面的主体和踝部位姿数据取值下来, 之后分别点击解析法计算和数值法计算可以完成计算。计算结果与原值误差满足预期计算精度要求, 证明正逆运动学推导正确。

3机器人运动分析与仿真

理想运动步行模型: 在机器人模拟行走过程中, 暂不考虑动力学, 上体中心x轴方向投影始终在两脚之间; 双脚脚底始终保持与地面平行, 并且离地高度为0。

仿真时间共80 s, 前后20 s为下蹲和直立阶段, 中间每10 s为一个阶段, 分别对应: 1、右脚迈出2、左脚跟上, 两脚并拢3、左脚迈出4、右脚跟上, 两脚并拢。

3. 1上体竖直向前直线行走

本节计算上体高度与行走步长之间的关系, 并测定各个关节角度范围。其运动关节主要运用了x - z平面中的6个自由度完成行走。根据几何关系可知, 行走过程中双腿处于伸直状态时为理论极限位置, 如图2所示。

在一定高度时, 双脚步行步长过大时, 双腿长度就无法满足要求, 也就是当一只腿的大腿小腿成一条直线时到达理论极限位置, 这时的位置关系和杆件构成了直角三角形便于计算。

其中H为BODY杆件对地高度, L为步长, 对应有关系式:

之后对对应状态进行计算: 仿真中高度h = 400 mm, 仿真1中步长l = 590 mm, 仿真2中l = 610 mm。并对右腿主要运动的三个关节绘制时间角度曲线, 如图3所示。

由以上仿真结果可以看出, 在理论运动范围内 ( 仿真1) , 各个关节数据处于连续状态, 但超出极限位置之后 ( 仿真2) , 关节数据就出现非连续现象, 这时计算中使用的数值法的雅克比矩阵的逆没有正确或精确的解。这时的数据若控制机器人运动就可能出现机器人损坏或者其他不可预知的事故。故需要在控制中不断的检测, 并限制关节运动角。

3. 2上体保持一定转角向前直线行走

机器人腿部实现腰部转动功能时能够为上体提供的转动运动。由于存在转角, 使得在xy平面投影中, 髋关节与踝关节沿y轴方向存在一定的距离, 需要计算补偿才能满足步长要求。这里采用两种方式, 一种是用踝关节绕x轴自由度补偿, 此时双脚距离中心投影点沿y轴距离不变; 另一种方式为用双脚距离中心投影点沿y轴距离的补偿, 此时x轴踝关节角度为零。

a) 第一种方式:

如图4 ( a) 所示, D为髋部杆件长度值, θ 为上体转动角度, d为因转动产生髋关节和踝关节在xy平面中投影的距离。

在MATLAB中不断绘制各个关节的时间角度关系图, 当图形出现跳跃数据时, 就说明此时输入的数据不能满足计算要求, 再更正, 直到计算出能够正确计算运动结果的角度值。测得极限角度值为8. 320 64°。

b) 第二种方式:

双足在准备步行之前调整两脚之间的距离, 适合于机器人在行走中需要腿部提供上体转动的情况, 这样能够转动的角度较大, 如图4 ( b) 所示。在计算行走时各个关节角度之前, 双脚靠近距离根据上体转动角度确定。

从实验结果来看, 对于此时的上体转动角度几乎没有约束, 但是在模型中, 双脚不能重叠, 故存在极限位置:

其中d为脚部宽度。根据三维模型数据, 计算得出 θ 为65. 098 9, 图5为对应转动角度时的仿真结果。

3. 3仿真

在Pro/E中按照设计尺寸建立理想机器人腿部结构模型, 再将建立好的构件组装并添加约束, 之后在Pro/E中选择机构分析环境完成运动学分析［6］。在机构分析界面中首先为转动轴添加伺服驱动, 并定义好转动方向, 调整好构件转动的初始位置; 然后为机器人腿部的12个伺服电机添加运动角度值, 方法是在各个伺服驱动定义中轮廓选项导入表格数据 ( 机械表数据, 后缀为. tab) 。这些数据是由之前理想运动模型生成的。并在Pro/E中选择线性拟合的插值方式。

完成运动学仿真之后, 再进行干涉检测 ( 图6) , 并及时修改模型并重新仿真直到通过干涉检测为止, 这时理想机器人腿部结构模型就在规定动作下通过了实验仿真。 其外部尺寸值就能指导后续实体机器人的设计。仿真结果与MATLAB计算一致。

4结语

1) 文中按照人体实际比例设计并生成了双足步行机器人的腿部结构的理想模型, 为双足机器人腿部参数选取提供了方法。

2) 完成了机器人的正逆运动学运算, 并运用GUI验证计算结果; 生成理想运动模式用于限定运动时的极限参数, 以防止机器人进入奇异位置或超过理论极限位置而导致控制失控, 为后续机器人运动控制打下基础。

3) 运动模型在Pro / E中的运动学仿真能够有效的通过干涉检测检查影响模型运动的机械结构, 以指导机械实体设计。

4) 重点分析了机器人上体直立行走、上体转动一定角度后行走的理想运动模拟, 并给出了实验结果, 计算出了极限参数, 可供设计和控制中作为约束条件使用。

参考文献

[1]GB10000-1988, 中国成年人人体尺寸[S].

[2]R.M.Murray, Z.Li, S.S.Sastry.A Mathematical Introduction to Robotics Manipulation[M].CRC Press, 1994:19-73.

[3]Saeed B.Niku著.机器人学导论-分析、系统及应用[M].北京:电子工业出版社, 2011:42-43.

[4]梶田秀司著.仿人机器人[M].北京:清华大学出版社, 2007:47-48.

[5]陈垚光, 毛涛涛, 王正林, 等.精通MATLAB GUI设计[M] (第2版) .北京:电子工业出版社, 2011.

凸轮机构运动学仿真的论文 篇5

论文关键词：高速凸轮机构动力学模型动力学仿真

0引言

高速凸轮机构中，由于构件的惯性力较大，构件的弹性变形及在激振力作用下系统的振动不能忽视，一方面它使得从动系统输出端的运动规律与输入端的运动规律存在差异，需要适当修正输入端运动规律，使输出端运动规律符合设计要求；另一方面，约束反力一直处于变化状态，了解约束反力的变化规律可为工程技术人员设计轴承和构件尺寸提供设计数据。

1凸轮机构动力学模型的建立及其动力学方程式

为了简化计算，通常将构件的连续分布质量看作是集中在一点或若干点的集中质量，用无质量的弹簧来表示构件的弹性，用无质量、无弹性的阻尼元件表示系统的阻尼，并忽略一些次要的影响因素，从而把凸轮机构简化为由若干无弹性的集中质量和无质量的弹簧以及阻尼元件组成的弹性系统。图1为偏置尖底直动从动件盘形凸轮机构及其动力学模型。滚子和凸轮轴因刚性大可不计其弹性变形。弹性系统的运动微分方程为：

中E为从动件材料弹性模量，A为从动件截面积，1，为从动件长度；

在不考虑工作载荷对凸轮机构输出件运动规律的影响，并忽略阻尼和锁合弹簧的弹簧刚度的情况下，该弹性系统的运动方程式简化为：

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基于UG的杠杆机构模型运动仿真 篇6

关键词： 杠杆机构； UG； 运动仿真

中图分类号：TG375+1.1

引言

利用 UG 运动分析模块进行机构的运动仿真分析时，能够自动跟踪零件的运动轨迹，通过图表与图形表达从动件的位移、速度、加速度等运动规律，得到运动规律的数值及特性曲线图。 并且能够通过动画演示杠杆机构的实际运动过程，从而确定整个设计的合理性并进行运动干涉分析。 UG 的运动分析模块实现机构的运动仿真，也为下一步做有限元分析、强度分析、结构分析及优化设计打好了基础。

1 UG 运动仿真模块简介

UG 的运动仿真模块是对机构的运动轨迹进行跟踪，从而分析机构速度、加速度、位移、作用力及反作用力等。在 UG 环境下，可以将机构看成是一组连在一起进行运动的连杆的集合，机构进行运动仿真与分析主要分 3 个阶段：（1）前处理器阶段。 这个阶段主要是创建分析方案， 将分析方案得到的信息传送到 ADAMS 解算器；（2）求解阶段。 利用 ADAMS解算器求解输入数据， 将求解结果传送到运动分析模块；（3）后处理阶段。 运动分析模块分析求解结果，将其转换成图表及报表文件，并生成动画。ADAMS 解算器可以处理相当复杂的运动模型，在整个运动仿真过程中起着非常重要的作用。 但是如果有更复杂的分析需求时，就需要生成 ADAMS 输入文件，ADAMS 输入文件主要作用是能够输入标准的 ADAMS 软件包， 后处理阶段读入 ADAMS 软件，从而转换成所需要的动画、图表及报表文件。

2 杠杆机构的运动仿真

（1）杠杆机构运动仿真的建立 运动分析方案的创建是进行运动仿真的关键。

①连杆（Links）的创建 将杠杆机构活动构件建立连杆。底板、支撑板、滑块导轨、左盖板、右盖板和固定螺钉设为固定连杆1，旋转手轮、偏心轮和连接螺钉设为连杆2，杠杆设为连杆3，滑块及连接螺钉设为连杆4。如图 1 所示。

②添加运动副 运动副创建之前，机构中的连杆是在自由的，没有约束，具有 6 个自由度，UG 分析模块提供 12 种运动副类型，共分为两大类：普通类型的运动副 8 种，特殊类型的运动副 4 种。 普通类型的运动副是独特的，它只与自身有关。 而特殊类型的运动副是在 2 个普通类型的运动副之间定义了特殊关系的运动副，它允许 2 个普通类型的运动副一起完成特定的功能，

杠杆机构的运动副一共涉及了3种，分别是旋转副、滑动副和高副（线在线上副）。如图2 所示。

③定义运动驱动 杠杆机构的运动是采用的匀速驱动。将连杆2的旋转副设为主动件，设定初速度为360，如图3所示。

④运动仿真 UG 进行运动仿真时， 需要输入时间与步数 2 个参数，杠杆机构的解算时间设置为10，步数为 500，如图 4 所示。

⑤运动模型 新建运动模型， 需要计算的是滑块的运动模型函数，将滑动副添加。如图5所示。可以用电子表格显示结果曲线，如图6所示为滑块滑动的位移曲线。

⑥运动模型建立后，可以得到运动仿真过程。如图7所示

（

3 结语

利用 UG 运动仿真模塊对液压支架进行运动仿真能够解决复杂机构的运动学问题，从而获得精确的仿真结果。 通过对杠杆机构的运动仿真，真正体现出三维 CAD 设计理念的巨大优势。 运动仿真可以对数字样机进行各种分析，而这些是传统二维设计所不能做到的。 按照传统的设计方法，许多分析必须等到物理样机做出来之后进行，例如干涉检查。 这不但造成设计周期过长，而且可能造成大量资金的浪费。

参考文献

[1]贾大玮.基于 UG 的液压支架模型运动仿真与分析[J].煤矿机械，2012 33（3）：43-44

运动学仿真分析 篇7

关键词：倾斜波纹圆盘刀,Pro/E,运动学分析,仿真,应力分析

0 引言

免耕播种机是免耕种植机械化作业中的关键机具。为适应在残茬覆盖地上播种作业, 要求免耕播种机具有较高的防堵性能。破茬刀是玉米免耕播种的关键技术问题。本文提出一种新型波纹圆盘刀, 它采用带有倾斜角的波纹, 可有效破茬和防止杂物缠绕, 保证免耕播种机顺利完成播种和施肥等作业。

波纹圆盘刀的切茬过程是多个波纹共同作用的结果, 要达到最佳的切割效果需要研究波纹盘的运动轨迹。目前, 在进行破茬刀的研究时, 大都依靠国外借鉴及设计者的经验和试验研究, 忽略了波纹结构对实际切割轨迹的影响。本文以运动学分析为基础, 运用Pro/E进行轨迹和应力分析, 结果表明:新型倾斜波纹圆盘刀既省时又省力, 且切割效果理想。

1 倾斜波纹圆盘刀结构和三维建模

1.1 基本结构

波纹圆盘刀采用倾斜波纹, 如图1所示。其基本尺寸:圆盘半径R=220mm, 波纹内环半径r=130mm, 入土深度h=100mm, 波纹倾角θ=33°, 波纹振幅A=10mm, 波纹数z=40, 圆盘刀厚度δ=4.5mm。

该圆盘刀的特点是:波纹凹槽在进入土壤时, 近于竖直向下, 这样切刀切割根茬时能有效地抓住根茬和减少对根茬的向下的切割压力;波纹凹槽在完成切割动作后出土时, 与地面近于平行, 这样可以控制对土壤的疏松行为, 保证土壤不被带起, 减少对土壤的扰动。

1.2 三维建模

在Pro/E中应用可变剖面扫描、投影、阵列、复制和合并等工具, 建立波纹盘的三维模型, 如图2所示。在同一波纹上标注4个等距点1, 2, 3, 4, 并在3个相邻波纹的外缘端点标注点1, 5, 6。标记点1, 2, 3, 4的目的是分析同一波纹的切割运动, 分析确定波纹倾斜角θ的合理性;标记点1, 5, 6的目的是分析同一圆周相邻波纹点的切割运动, 检验波纹数z的合理性。

2 运动学分析

圆盘刀上任意点的运动轨迹是余摆线, 需对圆盘刀任意点的位移和速度进行分析, 并且建立理论计算公式, 以便对其进行模拟仿真。

2.1 倾斜波纹圆盘刀任意一点的位移分析

取机器启动时刀轴中心所在点为坐标原点o, 在圆盘刀平面建立直角坐标xoy, 播种机前进方向为 x 轴正向, 垂直向下为 y 轴正向, 播种机前进速度V, 圆盘刀角速度ω。设圆盘上任意一点M的半径为R′, 则该点位移方程为

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所以, 圆盘刀上任一点的运动轨迹方程为

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其中, 播种机前进速度V=1.7m/s, 圆盘刀转速ω=7.7rad/s。

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圆盘上点M轨迹曲线的切线方程为

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undefined (6)

式中 γ—M点运动轨迹曲线的切线与x轴夹角。

2.2 圆盘刀上任意点的速度

波纹圆盘任意点在坐标系xoy的运动方程为

在xoy平面内速度的合成速度方程式为

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ν′的方向余弦为

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2.3 同一圆周上不同点的位移差

为了演示同一圆周上不同点在免耕播种机前进方向上切割时所产生的位移差, 可以通过在方程中增加相位差的方法, 即

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(10)

式中 α—相邻波纹点的相位差。

本文通过对相邻波纹上的外缘端点 (点1、点5和点6) 的轨迹仿真, 实现同一圆周上不同点的位移差分析, 其中α=2π/z。α越小, 圆盘刀的波纹数越多, 在工作过程中与根茬秸秆等接触的总面积越大, 切割连续性好, 越有利于切割, 但不利的方面是入土阻力和所需配重就越大。

3 轨迹仿真

3.1 波纹圆盘上分组点的轨迹仿真

利用Pro/E中的机构模式, 对标注的各点进行轨迹仿真。建立坐标系如下:取免耕播种机前进方向为x轴正向, 沿圆盘竖直向上为y轴正向, z轴正向按左手定则确定。确定采样分析参数如图3所示。

仿真绘制标记1, 2, 3, 4点的轨迹曲线, 如图4所示。为了比较波纹倾角θ=30°的合理性, 再以相同的方法分别仿真绘制θ=0°时同一波纹上等分点1’, 2’, 3’, 4’的轨迹曲线 (如图5所示) , 以及θ=45°时同一波纹上等分点1”, 2”, 3”, 4”的轨迹曲线 (如图6所示) 。

仿真绘制标记1, 5, 6点的轨迹曲线, 如图7所示。

3.2 运动轨迹分析

图4、图5和图6中, 采样点在递减区间内高度小于-120mm时为切茬过程。图4表明:θ=30°时, 切茬过程中, 回转半径小点的切割轨迹在回转半径大点的切割轨迹之外, 使波纹的切割区域增大, 切割连续性更好。图5表明:θ=0°时, 回转半径小点的轨迹都被包围在回转半径大点的轨迹之内, 波纹的切割区域小。图6表明:θ=45°时, 在切茬过程之外, 有回转半径小点的轨迹在回转半径大点的轨迹之外的情况, 而在切割过程中, 回转半径小点的轨迹都被包围在回转半径大点的轨迹之内, 波纹的切割区域小, 切割连续性不好。综上所述, θ=33°时, 波纹的切割区域最大, 切割了连续性最好。

图7表明:3个相邻波纹的外缘端点的运动轨迹的相位差α较小, 较为合理, 这样的轨迹更有利于连续切割。由α=2π/z可知, 圆盘刀波纹数z=40是合适的。

4 应力分析

Mechanica是Pro/E中提供的用于零件应力有限元分析的高效工具。使用Mechanica可以在三维设计环境中直接对零件进行应力分布检查, 以找出设计的缺陷和薄弱环节。

1) 选择圆盘刀的材料为65Mn。

2) 选择圆盘刀的波纹内圆面为约束面。

3) 选择作用于波纹圆盘刀的载荷类型为力, 施加在其中的一个波纹段端点, 方向为沿波纹向内, 根据相关实验数据, 测得载荷大小应为433.5N。

4) 采用默认的网格要素大小和精度, 并进行运算分析, 如图8所示。从图8可看出:波纹的最大应力分布在该波纹段的外端点, 最大应力为217.8N/mm2, 即217.8×10-6N/m2。

通过以上应力分析可以看出倾斜波纹的应力分布情况, 即最大应力分布在波纹段的外边缘。为了提高其强度及耐磨性, 需要对该处进行热处理。

5 结论

1) 本文对新型的破茬圆盘刀—倾斜波纹圆盘刀进行了运动学分析, 模拟了相关点的运动轨迹, 说明波纹的倾斜角θ=33°和波纹数z=40是合理的, 倾斜波纹圆盘刀的切割运动是连续有效的。

2) 利用Pro/E的Mechanica对波纹圆盘刀的受力进行了模拟, 波纹圆盘刀受的最大应力为217.8×10-6N/m2, 位于波纹段的外边缘, 必须对其进行必要的热处理。

参考文献

[1]李卫, 李问盈, 马洪亮, 等.驱动圆盘根茬处理装置的土槽试验研究[J].农机化研究, 2006 (12) :139-141.

[2]高焕文, 李问盈, 李洪文.中国特色保护性耕作技术[J].农业工程学报, 2003, 19 (3) :1-4.

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[4]吴仕宏, 李宝筏.新型垄作耕播机破茬清垄装置的研究[J].农机化研究, 2007 (1) :116-118.

[5]贺德.免耕播种机防堵装置的设计[J].中国农机化, 2007, 4 (4) :93-95.

[6]祝凌云, 李斌.Pro/ENGINEER运动仿真和有限元分析[M].北京:人民邮电出版社, 2004.

运动学仿真分析 篇8

SCARA是一种平面型的机器人, 四自由度的配合运动使它具有运动速度快、重复定位精度非常高等优点, 广泛地应用在焊接、装配和高速搬运等场合。ADAMS软件是一种多体动力学分析软件[1], 它可以对实际产品进行概念设计, 在实际产品尚未生产之前, 分析该产品的各种性能, 可以缩短生产周期。利用ADAMS在构造各种模型时, 模型中各个构件之间采用运动副进行连接, 在对应的运动副上添加相应的驱动, 可以对模型进行仿真, 分析模型的各种性能指标, 将ADAMS应用在实际工况中, 可以分析实际环境的运动状态, 检查在运动的过程中是否产生碰撞或者干涉等情况, 避免损坏物理样机[2,3]。

为了实现轻小物体的高速拣选搬运, 本文选用一种SCARA机器人进行研究分析, 首先运用Solidworks三维软件建立该机器人的模型, 分析该机器人的主要组成部分, 据此获得它的连杆参数, 并且根据D-H理论构造它的连杆坐标系[4], 推导其对应的正、逆运动学方程, 分别验证正、逆运动学模型的推导的正确性, 将其应用在实际工作中, 经过ADAMS对其实际工况的仿真, 为现场调试提供依据, 节约了现场的调试时间, 实验证明仿真分析对现场调试具有重要的指导意义, 同时利用图像处理, 可以实现对物体的精确定位。

2 机器人运动学模型的建立

SCARA机器人主要包含基座、手臂1、手臂2、滑杆和夹具等, 它有四个自由度, 如图1 所示。其中3 个转动关节的轴线相互平行, 可以确定夹具的空间姿态, 移动关节和转动关节相配合, 可以确定夹具的空间位置。

2.1 机器人连杆坐标系的建立

为了分析SCARA机器人夹具末端的姿态和各关节变量的关系, 根据D-H理论构建该机器人的连杆坐标系, 如图2 所示。将该机器人的基座原点看作基坐标系的原点O0, 夹具末端位置点的初始位置与滑杆坐标系原点O3重合, 将其看作工具坐标系的坐标原点O4, 转动关节中, 关节转角 θ 是变量;而移动关节的关节变量是连杆距离d。由此可得, 它的连杆参数如表1 所示[5], 其中d1=375.7mm, a0=456.4mm, a1=406mm, a2=394mm, 0≤d3≤100mm。

2.2 机器人正运动学方程的建立

机器人的连杆坐标系i对连杆坐标系i-1 的变换矩阵表达式为[6]:

根据式 (1) 和表1 的机器人连杆参数, 可得相邻杆件的坐标变换矩阵表达式为:

最终可得, 该表达式为:

2.3 机器人逆运动学[7]方程的建立

已知SCARA机器人在末端位置点的位姿, 可以得到各关节变量的计算公式, 进而求出各个关节变量。用10T-1同时乘以式 (2) 的两边可得:

利用式 (3) 左右两边矩阵中对应的元素相等可得:

根据式 (4) 解得:

利用上述方法, 分别求出关节变量 θ2、d3和 θ4的表达式如下:

综上可得, 该机器人的所有逆解已经求出, 应该注意的是式 (5) 和式 (8) 各有两个解, 并且角度均互补。因此, 该机器人的逆解存在多解性, 在求出逆解时, 需要结合具体情况和关节转角允许变化范围选取合适的解。

3 机器人运动学模型验证

采用ADAMS对该机器人进行运动仿真分析, 模型的精确性直接影响仿真的精度, 因为ADAMS的建模功能不是很强大, 为了更加精确的分析该机器人的运动, 利用Solidworks对该机器人进行建模, 把相对固定的部分作为一个整体导入到ADAMS中, 这样可以减少大量的定义约束关系。根据SCARA机器人的运动特点, 定义该机器人的约束关系, 如表2 所示。ADAMS中施加约束后, 该机器人的整体仿真模型如图3 所示[8]。

3.1 正运动学模型验证

以该机器人夹具末端位置点O4和基座原点O0为研究对象, 对各关节变量进行赋值, θ1=60°、θ2=45°、d3=30、θ4=90°, 分别带入式 (2) 可得:

将 θ1=60°、θ2=45°、d3=30、θ4=90°分别带入ADAMS中进行仿真分析时, 结果如图4、图5 所示。由图4可知在t=0 时, 则 θ1=0、θ2=0、d3=0、θ4=0, 分别带入式 (2) 可得:

夹具末端位置点O4相对于原点O0在x、y、z方向的位移值分别是x=1256.43mm、y=0、z=375.71mm, 结合式 (10) 的计算结果分析可得, 夹具末端位置点O4在x、y、z方向的位置误差分别是:0.00002388、0、0.00002662, 误差都很小, 可以忽略不计;在t=3s时, 夹具末端位置点O4相对于原点O0在x、y、z方向的位移值分别是x=557.4553mm、y=732.1811mm、z=345.71mm, 结合式 (9) 的计算结果分析可得, 夹具末端位置点O4在x、y、z方向的位置误差分别是0.00005382、0、0.00002893, 误差都很小, 可以忽略不计, 互相验证了位置求解的正确性。

3.2 逆运动学模型验证

已知该机器人夹具末端位置点O4相对于基座原点O0位姿如式 (9) 所示。根据式 (5) 至式 (8) 计算出各关节变量的值如表3 所示。

由表3 分析可知, 当已知夹具末端位置点O4的位姿时, 求解的各关节变量值有4 组解, 证明了该机器人的逆解存在多解性, 需要综合分析机器人的实际运动情况, 确定机器人的最优解。表3 中的一组解 θ1=60°、θ2=45.003°、d3=30、θ4=90.027°, 与运动学正解给定的值相符合, 论证了该逆运动学模型的建立是正确的。

4 机器人实际运动工况仿真

以上对SCARA机器人的运动学进行了详细的分析, 将该机器人应用在实际生产中, 主要是运用于搬运比较小的物体。为了缩短现场调试的时间, 提高生产效率, 采用ADAMS对该机器人进行实际工况的运动仿真[9]。如图6 所示, 该机器人主要是通过四轴的配合完成搬运物体, 首先该机器人运动到放置物体的位置, 通过吸盘形成真空, 吸附物体, 带动物体运动到规定位置, 完成物体的一次搬运, 它可以往复不断地进行搬运, 大大提高了生产效率。

根据该机器人的实际运动工况, 利用ADAMS软件对该机器人的各个关节变量进行驱动, 各个关节的驱动函数如表4 所示, 从而满足机器人实际工况的运动要求。该机器人的空间轨迹曲线如图7 所示, 图7 对该机器人的轨迹规划具有一定的指导意义, 该机器人的末端位置相对原点的运动位移、速度、加速度如图8 所示[10,11]。

分析图8 可得, 该机器人的运动位移变化连续且比较平缓, 该机器人的速度、加速度出现不光滑过度的主要原因是该搬运过程分为4 个阶段, 每完成2 个阶段的运动, 该机器人的运动都会和上次的运动相反, 因此, 会出现速度和加速度出现拐点的现象。在运动仿真的过程中, 该机器人没有出现干涉现象。因此, 该机器人的运动符合实际情况, 满足该工况的规定运动要求。

将图8 中的加速度曲线经过傅里叶变换, 得到该机器人的加速度三维曲线如图9 所示。它不仅反映了加速度与时间的关系, 而且反映了加速度与频率之间的关系, 进而分析机器人在该工况运动时的频率, 减小震动。

5 实验验证

首先安装机器人和气动夹具、组装电器元件, 保证该机器人的正常运行。根据上述对SCARA机器人的分析, 指导SCARA机器人实际工况的编程, 延长了该机器人的寿命并减少了现场调试次数, 提高了生产效率。图10 所示是SCARA机器人的现场调试图, 图11 所示是现场的图像处理, 利用图11 中的摄像机对物体进行拍照处理, 摄像机固定在暗箱中, 拍摄传送带输送的物体, 同时提取图像的信息, 实现对物体的精确定位, 确保SCARA机器人能够准确吸取物体, 传统的工业机器人经过示教能够抓取摆放规则的物体, 但是对无规则摆放的物体, 不能成功抓取, 增加图像处理, 可以快速和准确地分割出被检测的物体, 进而获得物体的特征信息。通过现场实验, SCARA机器人能够快速地实现对物体的拣选, 在测试1000 次抓取无规则摆放的物体时, 仅有5 次没有实现精确定位, 成功率高达99.5%, 定位误差±2mm, 每分钟抓取次数高达100 次, 而且不会产生干涉, 运行情况良好。通过现场调试证明, 该机器人运动仿真对现场调试具有很大的借鉴和指导意义。

6 结论

运用Solidworks三维软件建立SCARA机器人的三维模型, 分析它的主要组成部分, 在此基础上, 采用D-H方法构造该机器人的连杆坐标系, 根据连杆参数和D-H理论知识建立该机器人的正、逆运动学模型。运用ADAMS软件对它进行正运动学仿真, 其分析结果与理论分析相符合, 互相阐述了正运动学模型的正确性;通过正解值的理论分析计算, 求解出其逆运动学方程的多组解, 确定其最优解与正运动学方程各关节变量的赋值相同, 论证了逆运动学模型的正确性。利用ADAMS软件对SCARA机器人实际运动工况仿真, 指导现场调试, 避免在现场调试时机器人发生干涉或意外, 减小震动, 结合图像处理功能, 实现了该机器人准确吸取物体, 通过实验证明了ADAMS仿真对该机器人在实际应用中的研究具有重要意义, 提高了生产效率。

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运动学仿真分析 篇9

工业机器人是典型的机电一体化产品,对其实物进行研究和开发存在成本高、周期长等缺点。仿真技术利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究,其应用已经扩大为产品研制的全过程,包括方案论证、设计分析、生产制造等各个阶段。Matlab是一种可视化的具有强大矩阵计算能力的编程语言,在工业研究、产品开发、数值分析和科学计算等工程及科学方面的教学与研究中是一个十分有效的工具。

本研究以Stanford机械手作为研究对象,首先分析其结构和连杆参数,接着采用改进的D-H法建立运动学方程,最后在Matlab环境下,运用Robotics Toolbox构建运动学模型并进行运动学仿真。

1 Stanford机械手的结构及连杆参数

Stanford机械手的主要用途是抓取物料,其关节结构由回转主体、大臂、伸长臂、腕部等几部分组成,臂部采用极坐标形式,有2个转动关节和1个移动关节。腕部有3个转动关节以实现手腕的俯仰、翻滚和偏转。整个结构共有6个杆件和6个关节,具有6个关节自由度,如图1所示[1]。为表示6个杆件之间的相对位置和姿态,本研究采用改进的D-H法[2]建立6个杆件的固接坐标系,如图2所示。

改进的D-H法和D-H法的区别在于建立坐标系时原点和坐标轴的选取,同样对连杆i建立坐标系{i}:采用标准的D-H法,{i}的z轴与关节i+1的轴线重合,x轴沿着两关节i+1与i+2轴线的公垂线,二者交点即为原点,y轴由右手定则确定;采用改进的D-H法,{i}的z轴与关节i的轴线重合,{i}的x轴沿着两关节i与i+1轴线的公垂线,y轴及原点确定方法同标准的D-H法[3]。两种方法表示连杆及相邻连杆间的关系都用到4个参数,连杆偏置d、关节角θ、连杆长度a和扭角α,a和α表示连杆自身特征,d、θ表示相邻两连杆之间的关系。

Stanford机械手的杆件参数如表1所示。对于转动关节而言θ是关节变量,其余是关节参数(保持不变),而移动关节中只有d是关节变量。本结构中d2的取值从参数设计角度看并无特别要求,为研究方便取d2=0.15 m。

2 Stanford机械手的运动学分析

研究机械手的结构和连杆参数主要是为运动学分析做准备,运动学分析是机器人动力学、轨迹规划和位置控制的重要基础,研究内容是各连杆间的位移、速度和加速度关系[4,5,6],笔者重点研究机械手末端执行器(连杆6)在基坐标系{0}中的位置姿态与各关节变量取值的关系。运动学问题分正问题和逆问题:正问题即建立运动学方程,逆问题即运动学方程的求解。在诸多关于Stanford机械手的文献中,主要利用D-H法建立运动学方程,下面采用改进的D-H法对运动学正问题进行分析。

机器人运动学正问题是,给定机器人各杆件的几何参数和关节变量,求解末端连杆坐标系相对于基坐标系的位姿。为建立运动学方程,用齐次变换矩阵ii-1T来表示连杆i坐标系在连杆i-1坐标系中的位置和姿态,根据改进的D-H法建立坐标系的原则可得:

本结构中i取值为1~6,依次可得:

公式(2)中的每个矩阵各包含一个关节变量,由此可得Stanford机械手的运动学方程:

公式(3)右端各元素相应表达式为:

3 Stanford机械手的运动学仿真

3.1 利用Link和Robot函数建立机器人对象

Link函数的调用格式为L=LINK([alpha A theta D Sigma],‘modified’),其中alpha、A、theta、D 4个参数分别表示扭角、连杆长度、关节角和偏置(距离);‘Sigma’代表关节类型:0表示转动关节,1表示移动关节;‘modified’代表采用改进的D-H参数;Robot函数的调用格式为ROBOT(LINK,...),即用LINK来创建一个机器人对象。对Stanford机械手相应的命令如下:

L3=LINK([pi/2 0 0 0 1],'modified');%移动关节

本研究在Matlab中运行上述程序即可生成Stanford机械手的运动学模型如图3所示,Stanford机械手模型(图3)的滑块控制图如图4所示。

3.2 运动学模型的检验

通过图4中驱动各滑块使机械手运动可以看出,前3个关节的运动可以改变腕部的位置,后3个关节运动可使腕部具有不同的姿态。通过调整滑块和关节变量而得到的与图1中实际结构近似对应的模型如图5所示,图5中机械手腕部的局部放大部分如图6所示。

为验证运动学方程式(3)和式(4)的正确性,可给定机械手各杆件的几何参数和关节变量,代入运动学方程求解得到末端连杆坐标系相对于基坐标系的设定位姿;再将相应的值输入该机器人的轨迹规划器中,直接读取实际的末端位姿信息进行比较。笔者随机选取4组关节变量值:

腕部设定位置和实际位置信息的比较如表2所示。

小,说明所建立的运动学方程和模型比较可靠。

3.3 轨迹规划仿真

轨迹规划是根据作业任务的要求来事先规定机器人的操作顺序和动作过程,轨迹规划仿真可以更详尽直观地描述工业机器人的运动过程[7,8,9,10,11]。规划可在关节空间内进行也可以在操作空间内进行。轨迹规划又分点到点运动(PTP)和连续路径运动:前者只需要规定起始点和终止点,后者既要规定起始点和终止点,还要指明若干中间路径点。本研究中轨迹规划仿真采用在关节空间内点到点的规划,主要研究前3个关节对机械手运动的影响,规定其起始点为q0=[0,0,0,0,0,0],终止点为q1=[-1.570 8,0,0.019 5,0,0,0],且在两点处机械手的初、末速度为零。运动时间t=2 s。相应程序为:

q0=[0 0 0 0 0 0];%起始点关节空间矢量

q1=[-1.5708 0 0.0195 0 0 0];%终止点关节空间矢量

t=[0:0.1:2]';%仿真时间2 s,采样间隔0.2 s

q=jtraj(q0,q1,t);%构建轨迹命令

plot(r,q)

运行上述程序即可看到Stanford机械手由图3运动到图5位姿的全过程,还可通过调用函数[q,qd,qdd]=jtraj(q0,q1,t)和plot(t,q(:,i))绘制此过程中各关节的位移曲线,如图7(a)所示,其中q表示位移,i表示关节编号,本次规划中i取1和3。同样可绘制速度、加速度的时间曲线,如图7(b)、(c)所示,相应调用函数为plot(t,qd(:,i))和plot(t,qdd(:,i))。

通过分析表中数据,其实际值和设定值误差很

由图7(a)可以看出转动关节1位移由零逐渐变化到-1.570 8 rad,移动关节3位移由零逐渐变化到0.0195 m;由图7(b)可得,关节1、3的初、末速度均为零,速度最大值出现在中间时刻t=1 s;由图7(c)可以看出,初、末加速度均为零,运动中两次出现极值且一正一负。该机械手的位移曲线平滑,速度和加速度曲线连续说明在此工作过程中机械手的运行比较平稳,整个结构不会产生较大振动。

4 结束语

Stanford机械手是一种具有代表性且在国内相关文献研究较多的工业机器人,Matlab中的Robotics Toolbox模块功能涵盖了工业机器人研究的各个方面。基于此,笔者主要做了两方面的工作:(1)采用改进的D-H法即前置法建立Stanford机械手的运动学方程,由于前置法和后置法在建立各连杆坐标系时z轴和坐标原点的选取是不一样的,因此所得到的运动学方程的具体表达式也不相同;(2)在Matlab环境下建立了运动学模型,验证了运动学方程的正确性,并进行了轨迹规划仿真,使机械手运动的研究变得更为直观,说明了应用Matlab对工业机器人产品的研究、设计和相关教学有较好效果。

摘要：为探讨更有效的工业机器人运动学研究方法,以Stanford机械手为研究对象,分析了其结构及连杆参数,采用改进的D-H法建立了各连杆坐标系和结构的运动学方程;利用Matlab的绘图和矩阵计算能力,特别是其Robotics Toolbox模块功能,在Matlab环境下建立了该机械手的运动学模型,验证了运动学方程的正确性。研究结果表明,通过机器人模型的手动控制和轨迹规划仿真可以使机器人运动的研究过程更为直观。

关键词：工业机器人,Matlab,运动学,轨迹规划,仿真

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运动学仿真分析 篇10

国内外工业机器人技术已经比较成熟, 应用在冲压自动生产线上的冲压机器人得到越来越广泛的应用。但冲压工作空间有限且冲压件较大时, 需要考虑到冲压件与机械本体和冲压设备发生碰撞等问题。通常解决的办法是利用6自由度操作臂的灵活性等特点, 工件旋转以避免发生碰撞, 但工件在旋转过程中会发生抖动现象, 影响冲压精度。解决以上问题一般采用的方法是配有旋转七轴、Knuckle Bar System、Flex Crossbar等辅助技术。虽然能按冲压要求完成工作, 但增加了结构的复杂性。为了有效解决此类问题, 本文提出了一种结构简单的圆柱型操作臂, 建立了运动学分析模型, 并利用虚拟样机技术对其运动学仿真, 为冲压机器人的设计、优化提供参考数据。

1 冲压机器人结构设计

为简化冲压机械人的本体结构, 本文设计一种应用于冲压自动生产线的专用冲压机器人。在冲压生产线上冲压机器人的主要作用是完成上下料, 一般而言是利用安装在机械末端的吸盘 (真空式或电磁式) 从传输带上抓取冲压件到冲压设备, 或者是从上一工序的冲压设备到下一个工序的冲压设备。而圆柱坐标型操作臂在实际应用中较广, 适用于搬运工件, 具有直观性好、结构简单、本体结构占用空间小但动作范围较大等优点。所以选用5自由度的圆柱型操作臂能够满足冲压生产线的要求。为使整个机械本体结构更紧凑、平衡性更合理, 本设计选用Rz-Px-Rz-Px-Rz型, 其三维简图如图1所示。

5自由度圆柱坐标式机械手主要有以下5个动作:1) 手臂水平回转;2) 手臂前后伸缩;3) 手臂上下运动;4) 手臂回转运动;5) 末端回转运动。分析5个动作可知完全能够适应冲压上下料的要求。

2 冲压机器人运动学

2.1 运动学正解

运动学正解的内涵是已知连杆关节变量, 求出末端

坐标系的位姿。通常利用D-H表示连杆坐标系之间的关系, 如图2所示, 得出连杆坐标系以及连杆之间的参数, 如表1所示, 可以求得各个连杆的变换矩阵。

将表1中的参数带入得出各个连杆的变换矩阵:

其中cθi=cosθi;sθi=sinθi, 若将各个连杆变换ii-1T (i=1, 2, …, 5) 按照连接顺序依次相乘, 可得其连杆变换矩阵:

利用MATLAB可得运动方程正解:

式 (3) 中前三列表示末端坐标系相对于基坐标系的姿态, 后一列表示末端坐标系相对于基坐标系的位置。

2.2 运动学逆解

所谓运动学逆解是指已知末端坐标系的位姿得出各个关节变量。求解运动学逆解的方法有许多, 通常可以概括为两类:封闭解和数值解。由于许多复杂机器人在求解的过程可能无解或者存在无数个解, 所以运动学逆解称为机器人运动学中的难点。

对于冲压机器人, 由于结构简单, 求运动学逆解的过程较

为简单。另外对运动轨迹要求不高, 在其运动轨迹上可以取有限个点进行运动学逆解, 得出其对应的关节空间中的值。其整个运动过程如图3所示。

3 虚拟样机运动仿真结果与分析

3.1 虚拟样机技术

虚拟样机技术是以虚拟样机为核心、仿真为方法的一种数字化设计方法和手段。应用在机械系统设计方面的虚拟样机的软件主要是ADAMS。ADAMS是集建模、计算以及后处理于一体的仿真软件, 应用范围十分广泛。

ADAMS中三维实体建模相对薄弱, 通常是利用专业的CAD软件与ADAMS联合建模。即利用CAD软件 (如Pro/E, Solid Works等) 建立三维模型, 然后导入到ADAMS中去。本文利用三维软件Pro/E建立模型, 存为.x_t格式的文件, 直接导入到ADAMS中去, 然后在ADAMS中对模型添加约束以及驱动。

3.2 运动学仿真

在ADAMS运动学仿真中有许多驱动函数, 如Step阶跃函数、Cubspl函数、Akispl函数等, 各类函数各有其特点。在冲压过程需要知道其重要的结点, 如起始点、提升点、下降点、终止点, 另外, 为使运动轨迹收敛还需在运动过程选择几个路径点。Step阶跃函数符合其运动特点。Step3阶跃函数是利用三次多项式逼近海赛 (Heaviside) , 定义为:Step (x, x0, h0, x1, h1)

其中:x为自变量;x0为阶跃函数起始点自变量值;h0为阶跃函数起始点函数值;x1为阶跃函数终止点自变量值;h为阶跃函数终止点函数值。

但Step阶跃函数有其不可避免的缺点, 即阶跃函数有连续的一阶导数, 但在起始点二阶导数不连续。映射到运动轨迹规划中的影响就使其加速度不连续, 造成机械结构的振动, 使运动精度不高, 减少使用寿命。所以根据以上讨论, 选用Step5阶跃函数。Step5阶跃函数的意义与Step函数相同但有连续的一、二阶导数, 所以在运动轨迹中其加速度是连续的。对各个关节施加Step5函数, 得出其各个关节变量值的位移、速度、加速度与时间之间的运动曲线, 仿真结果如图4~图6所示。

从所仿真结果可以得出, 能够按照预先设定的过程进行运动, 利用Step5函数编程, 其各个关节的速度、加速度连续, 平滑, 减少了在运动过程中的振动, 提高了运动精度, 也能够延长机器的使用寿命。

4 结语

为简化冲压机器人的机械结构, 选用5自由度圆柱型操作臂, 并对其建立连杆坐标系, 利用D-H法得出其连杆参数, 讨论其运动学方程的正解与逆解。根据冲压过程的运动特点, 在ADAMS中运用Step5阶段函数编程进行运动学仿真, 可以获得准确的运动学性能, 为冲压机器人的设计、优化与运动控制提供了参考数据。

摘要：根据冲压过程的特点, 设计开发一种结构简单的冲压机器人。通过D-H法分析对其连杆参数利用三维实体软件与虚拟样机技术联合进行运动学仿真。为使其在运动过程能够平稳, 规划其运动轨迹, 使用了Step5阶跃函数编程。通过仿真得出其各个关节变量的位移, 速度和加速度运动曲线, 为冲压机器人的设计、优化与运动控制提供了参考数据。

关键词：冲压机器人,虚拟样机,运动学,仿真

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