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固定作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工廠車間輔助作業(yè)，搬運工件或工裝設(shè)備，也可用于裝配作業(yè)等。可以模擬人的手、臂的部分工作，按照預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在實現(xiàn)柔性制造、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境下工作發(fā)揮著重要作用。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在設(shè)計階段預(yù)測產(chǎn)品的性能，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計，進(jìn)行運動學(xué)以及動力學(xué)仿真。本設(shè)計就是利用Pro/Engineer20001進(jìn)行實體建模，然后運用ADAMS軟件對機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真。
1 固定作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
固定作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，該機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)機(jī)器人，具有4個自由度。關(guān)節(jié)1和4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2和3為移動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)升降和伸縮運動。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。其運動特點是1和2同軸，3和4同軸，1和2與3和4垂直且相交和大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人一樣，前三個關(guān)節(jié)軸線交于一點。其中關(guān)節(jié)1和4為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由液壓擺動馬達(dá)驅(qū)動實現(xiàn) 的旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)2和3為移動關(guān)節(jié)由液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)升降和伸縮運動。圖2是固定作業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)處于起始位置的連桿坐標(biāo)示意圖。相應(yīng)的連桿參數(shù)如表1所示。
圖1機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
圖2連桿坐標(biāo)示意圖
機(jī)器人的運動學(xué)分析是運動仿真的基礎(chǔ)，通過求解運動學(xué)方程的正、逆解，得到機(jī)器人手爪位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。正解相對簡單，逆解采用Paul等人提出的反變換法。
2 機(jī)器人實體模型的構(gòu)造
ADAMS軟件本身的三維建模功能不強(qiáng)，只能構(gòu)造一些簡單的和不精確的模型。ADAMS軟件有很多專業(yè)模塊，其中MECHANISM/Pro(Pro/E接口)模塊是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無縫連接的方式，利用Pro/E建造的裝配模型可以完全導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中，加上運動副和運動，然后進(jìn)行運動學(xué)及動力學(xué)分析。因此，本設(shè)計采用Pro/Engineer20001進(jìn)行實體造型，然后通過MECHANISM/Pro模塊將實體模型導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行運動學(xué)仿真。
實體建模的過程是先確定各個零件之間的尺寸，然后對零件進(jìn)行實體造型。由于 Pro/Engineer20001默認(rèn)模板的尺寸為英寸(inch)，而一般使用的都為毫米(mm),所以建模時不使用默認(rèn)的模板，選用mmns_part_solid模板。進(jìn)入Pro/Engineer20001零件設(shè)計模式后還需要改變單位設(shè)置。具體過程是在【菜單管理器】中選擇【零件】，再選擇【設(shè)置】，然后選擇【單位】，此時會彈出【數(shù)值單位管理器】對話框。點擊【新增】菜單，然后將長度改為mm，質(zhì)量改為kg，再點擊【確定】，最后選中units_system1選項點擊【設(shè)定】及【確定】，單位設(shè)定完成。每一個零件的建模都需改變單位。建立各個零件的三維模型之后，需要對其進(jìn)行裝配。零件的裝配就是將現(xiàn)實中零件的設(shè)計關(guān)系映射到虛擬環(huán)境中零件的裝配約束關(guān)系，通過定義零件之間的裝配約束完成零件組裝 。裝配之后的模型也須改變單位，如同前述。零件的裝配圖如圖3。
圖3整體裝配圖
3 運動仿真
在模型建造完成之后，通過Pro/Engineer20001中的MECHANISM/Pro接口，將裝配模型定義成剛體，再將其裝換生成*.cmd文件。然后，打開ADAMS/View通過File中的Import將其導(dǎo)入View窗口中，就可以對模型進(jìn)行多種仿真分析操作，用來觀察模型的運行情況。ADAMS/Solver是ADAMS模塊中處于心臟地位的仿真器，能自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的結(jié)算 ，還可以使仿真的結(jié)果以動畫的形式顯示出來，使設(shè)計者更直觀的觀察運行結(jié)果。
約束是用來定義零件連接方式以及零件之間的相對運動。ADAMS/View提供了一個約束庫，利用這些約束庫來對各個關(guān)節(jié)加運動副。本設(shè)計機(jī)構(gòu)有四個關(guān)節(jié)，兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個移動關(guān)節(jié)。機(jī)座和大地連接需要用Fixed副(對應(yīng)JOINT1)來固定，伸縮缸和升降活塞連接也須用Fixed副(對應(yīng)JOINT5)來固定。升降缸和底座的約束用一個轉(zhuǎn)動副(對應(yīng)JOINT3)來連接，升降缸和活塞的約束用一個移動副(對應(yīng)JOINT4)來連接，伸縮缸和活塞的約束用一個移動副(對應(yīng)JOINT6)來連接，手腕和伸縮活塞的約束用一個轉(zhuǎn)動副(對應(yīng)JOINT7)來連接。然后，再定義各個運動(Motion)。
使用Math Function中的step函數(shù)可實現(xiàn)運動的分段控制， step函數(shù)的表達(dá)式為：STEP( x , x0, h0 , x1 , h1 )
其中：x――自變量，可以是時間或自定義的變量，通常Function都是時間的函數(shù)；
x0――自變量的初始值；
h0――對應(yīng)x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d，表示度；
x1――自變量的終值；
h1――對應(yīng)x1的變量值。
各個關(guān)節(jié)的運動方程如下：
JOINT3表示底座轉(zhuǎn)動，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(a)
STEP( time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP( time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )
JOINT4表示整體升降，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(b)
STEP( time , 0 , 0 , 2.5 , -200)+STEP( time , 2.5 , 0 , 5 , 200)
JOINT6表示伸縮缸伸縮，函數(shù)方程如下，其曲線如圖4(c)
STEP( time , 0 , 0 , 2.5 , -150)+STEP( time , 2.5 , 0 , 5 , 150)
JOINT7表示手腕的轉(zhuǎn)動，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(d)
STEP( time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP( time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )
圖4(d)
至此建立起了固定作業(yè)機(jī)器人在ADAMS環(huán)境下的完整仿真模型，然后進(jìn)行5s,300步的仿真，并利用ADAMS/Postprocessor模塊自動生成robot.avi文件。最后，仿真的結(jié)果及軌跡規(guī)劃圖如圖5。
圖5運行軌跡
4 結(jié)束語
本文首先運用了Pro/E建立了固定作業(yè)機(jī)器人的三維仿真模型，然后利用Pro/E和ADAMS軟件的模塊接口MECHANISM/Pro 將實體模型導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行了運動仿真研究，仿真結(jié)果表明ADAMS和MECHANISM/Pro的結(jié)合是成功的。通過仿真動畫直觀的觀察到機(jī)器人的工作過程，為進(jìn)一步研究機(jī)器人的動、靜態(tài)特性提供了條件。這樣，就會達(dá)到減少研究人員的計算量和提高工作效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 李軍，邢俊文，覃文潔等.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002，7
[2] 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，覃剛等.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號