機械手三維模型仿真案例2400字

機械手三維模型仿真案例綜述1.1仿真實體的繪制六自由度控制器并不是一個過于復雜的機構(gòu)，使用SolidWorks軟件構(gòu)建3D模型也不是太難。利用SolidWorks強大的3D設(shè)計能力，使用Usestretch、align和cut功能分別繪制模擬機器人的零件，然后根據(jù)同一個控制器組裝圖6-DOF可以通過組裝幾個具有幾何約束的組件獲得自由度，例如同軸和共面。表4—1機械手零部件明細表序號零部件名稱數(shù)量序號零部件名稱數(shù)量1機座18轉(zhuǎn)軸12機身19銷釘13轉(zhuǎn)臺110銷釘14大臂111銷釘15小臂112螺栓M1846手腕113螺母M1847手抓2加載模擬是在SolidWorks文件的基礎(chǔ)上進行的，在這種情況下，模擬需要注意：設(shè)置長度單位選擇mm，選擇重量單位選擇kg，選擇時間s。單位的正確設(shè)置對于獲得清晰、合乎邏輯的設(shè)計結(jié)果具有重要意義。1.2簡單數(shù)學模型的建立根據(jù)給定的六自由度機械手運動情況，給出每個旋轉(zhuǎn)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—3六自由度機器人簡化模型圖4-3是以基圓圓心為原點建立的六自由度機械手和三維坐標系的簡化模型。設(shè)置大臂的線性長度為la；前臂和腕托的線性長度為lb；手抓焊點部分的直線長度為lc；從底座到第一個旋轉(zhuǎn)對的長度高度為h1。角度α是桿的x軸和z軸所在平面之間的角度。角度β是前臂和前臂所在直線所成的角度，順時針為負，逆時針為正。角度γ為手抓與前臂所在直線所成的夾角，順時針為負，逆時針為正。φ為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，x軸正方向為0°，順時針為負，逆時針為正?？梢缘玫綑C器人x軸的總伸長長度l=sin+sin(α+β)+sin(α+β+γ)=104總的伸長高度h=sin+sin(α+β)+sin(α+β+γ)+h1=200根據(jù)底座的旋轉(zhuǎn)角度，可以得到夾具夾持的焊接點的三維空間坐標(x,y,z):(lcosφ,h,lsinφ)根據(jù)坐標，可將待定數(shù)取反，計算每個旋轉(zhuǎn)對的旋轉(zhuǎn)角度，以設(shè)計可行性。通過引用總長度和隨時間的變化來獲得平均速度。Vx=Δl/t;Vy=Δh/t;Vz=Vxtanφ。如果每個伺服電機的角速度恒定，則可以得到三對軸的瞬時速度和旋轉(zhuǎn)速度為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,然后還可以推斷出瞬時加速度和相關(guān)數(shù)據(jù)。1.3模擬加載與仿真1.3.1仿真模擬的實現(xiàn)（1）機構(gòu)的裝配過程該機構(gòu)由定位轉(zhuǎn)盤、大擺臂、前臂、手腕、手抓等13個部件組裝而成。3D詳圖已準備好，組裝過程如下：啟動SolidWorks軟件，如下圖選擇“裝配圖”選項，點擊“確定”按鈕，設(shè)置裝配操作界面。選擇左下角的“瀏覽”按鈕如圖所示，打開存放零件的文件夾，選擇第一個零件系統(tǒng)默認為固定零件，后面添加的零件為參考。首先選擇名為轉(zhuǎn)盤的部分，然后單擊“打開”。單擊界面中的任意位置以將其放置在界面中。選擇工具欄上的“插入組件”，像之前一樣打開文件夾，繼續(xù)選擇動臂。為了不因零件過多而使裝配過程復雜化，采用逐一添加約束的方法，逐一匹配并完成零件的定位。繼續(xù)添加零件和拼接，直到組裝完成。在組裝過程中，需要正確選擇鉸接關(guān)系以稍后促進運動模擬。如下所示（2）機構(gòu)運動參數(shù)的設(shè)置啟動COSMOSMotion插件。要模擬運動模式，首先定義平移運動模式。流程如下：右擊“運動”子按鈕，選擇“對零部件添加運動”選項，彈出“插入”對話框定義運動。添加相應(yīng)的參數(shù)。在“選擇第一部分”選項框中選擇“動臂”，在“選擇第二部分”選項框中選擇“轉(zhuǎn)盤”，在“選擇位置”選項框中選擇“動臂”，選擇邊緣在“選擇Z軸”選項框中選擇“機身”的邊緣，在“選擇X軸”選項框中選擇“手臂”的邊緣。打開“運動”選項卡，選擇“運動作用在”下的“沿Z軸平移”選項，在“運動類項”中選擇“速度”選項，將初始位移設(shè)置為“0”并選擇“函數(shù)””?！昂愣ㄖ怠?，速度設(shè)置為15mm/s；單擊“應(yīng)用”按鈕完成安裝。（3）添加阻尼為確保機構(gòu)在運動過程中的穩(wěn)定性，減震器設(shè)計用于前臂和手腕的鉸接部位。添加過程如下：在“力”按鈕下選擇阻尼器，單擊鼠標右鍵，選擇“添加扭轉(zhuǎn)阻尼”選項，彈出“插入阻尼”對話框，設(shè)置參數(shù)如圖所示；單擊“應(yīng)用”按鈕完成阻尼設(shè)置。減震器是為了穩(wěn)定手腕的擺動過程，從而保證整個機構(gòu)的穩(wěn)定性。在“扭矩表達式”公式中選擇(6.9)式中，K為阻尼系數(shù)，阻尼振蕩的大小由旋轉(zhuǎn)角度決定。設(shè)置好參數(shù)后，在COSMOSMotion菜單中選擇“選項”，打開“COSMOSMotion選項”對話框，選擇“模擬”選項卡，將時長設(shè)置為16秒，幀數(shù)設(shè)置為800，選擇默認值為參數(shù)，其余參數(shù)，點擊“確定”完成設(shè)置。單擊“模擬”按鈕以模擬機構(gòu)的運動。1.3.2進行運動校核SolidWorks中有一個cosmosmotion插件，專門用于運動仿真和驗證。首先，在一些零件的可旋轉(zhuǎn)連接點上增加一個旋轉(zhuǎn)電機，具有伺服電機的功能。添加旋轉(zhuǎn)進行模擬，根據(jù)建立的數(shù)據(jù)指定其旋轉(zhuǎn)方向和速度，將旋轉(zhuǎn)副放置在一些連接機構(gòu)的連接副上后進行運動模擬。表4-2的最大旋轉(zhuǎn)角度有限制。如有必要，可以選擇視頻錄制功能?？梢詮亩鄠€方向查看動畫，并且可以保存動畫。就像前面的機器一樣，機器的運動可以根據(jù)運動渲染和模擬數(shù)據(jù)要求進行改進。SolidWorks中的cosmosmotion插件可以做各種運動分析，以手部運動為例，得到它的三個坐標軸（系統(tǒng)默認為基礎(chǔ)模型坐標軸，如果需要，可以自定義坐標位置，以及也使用系統(tǒng)默認速度）位置運動曲線和速度曲線。除了位置和速度的變化曲線，還可以獲得動能、加速度、角速度和角加速度的變化曲線。類似的曲線也可用于其他組件，包括虛擬轉(zhuǎn)子發(fā)動機。這為運動測試和模擬提供了一個數(shù)據(jù)庫，并且可以改進和更好地測試機器。分析可知:(1)在設(shè)定的條件下，夾具的Y位置坐標幾乎沒有變化，即手臂焊接點的高度變化不大。X坐標值的減小，即手臂總的伸縮量減小，是一個壓痕過程，Z坐標值減小，但變化幅度不大，說明轉(zhuǎn)盤的