基于UG的裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真

1、編號(hào)青島大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告課題名稱： 基干UG的裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)： 110專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：指導(dǎo)教師：2015年06月隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們期望更多的智能化設(shè)備來(lái)解放人類勞 動(dòng)。作為生產(chǎn)中的重要一環(huán)，產(chǎn)品裝箱的自動(dòng)化開(kāi)始受到關(guān)注，于是裝箱機(jī)器人便應(yīng)運(yùn) 而生。基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的思想，本文介紹了電動(dòng)式裝箱機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)裝箱機(jī)器 人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維參數(shù)化建模、虛擬裝配進(jìn)行了研究。使用UG工程軟件的獨(dú)特參數(shù)化建模技術(shù)，得到裝箱機(jī)器人各所有零部件的實(shí)體的模型，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。 運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)來(lái)完成該裝箱機(jī)器人所有零部件的

2、虛擬裝配，得出裝箱機(jī)器人的虛擬數(shù)字模型。通過(guò)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了裝箱機(jī)器人整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真，檢驗(yàn)了 所取方案及所建模型的合理性，驗(yàn)證了裝箱機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性。為以后的裝箱機(jī)器 人設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了依據(jù)，具有一定的科研和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：裝箱機(jī)器人UG虛擬裝配 運(yùn)動(dòng)仿真IABSTRACTWith the con sta nt progress of scie nee and tech no logy and the developme nt of the society,people expect more in tellige nt equipme nt in stead of

3、 manu al labor.As an importa nt link in product ion product pack ing automati on has bega n to be con cerned.Therefore,the load ing robots appeared.According to the idea of modern design,this paper introduces the development and applications of electrical type loading robots,the structure of the mac

4、hine is designed,three dime nsional parameter modeli ng,virtual assembly and simulatio n of kin ematics and dyn amics are also studied in this paper.3D solid models of excha nging worktable dispe nser established by software UGAnd parameter modeling is also achieved.Virtual assembly tech no logy is

5、used and the in tegral virtual assembly model of the dispe nser is gain ed.Setting the function parameters to do dynamic simulation as well as structural optimization,and realizes the loading robots' motion simulation of the entire movement, exam ined the scheme and the rati on ality of the mode

6、l and verified the feasibility of the robot structure design,and provides basis for product design and improvement of the robots,have made a certa in scie ntific research and social ben efits.Keywords: loading robots; UG; virtual assembly; motion simulationii摘要IABSTRACT1L.第1章緒論11.1課題研究的來(lái)源及概況 11.2虛擬仿

7、真技術(shù)及其意義 11.3課題主要研究?jī)?nèi)容 11.4 UG的發(fā)展現(xiàn)狀21.5本章小結(jié)3第2章裝箱機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)42.1裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)方案 42.2方案的選擇42.3系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)42.4本章小結(jié)5第3章機(jī)器人零件結(jié)構(gòu)和參數(shù)的的設(shè)計(jì)63.1機(jī)械手的設(shè)計(jì)63.1.1抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 63.1.2爪片的設(shè)計(jì) 73.2車身的設(shè)計(jì)73.2.1上車身的設(shè)計(jì) 73.2.2下車身的設(shè)計(jì)83.2.3支板的設(shè)計(jì)93.3本章小結(jié)11第4章裝箱機(jī)器人的建模與虛擬裝配 124.1基于UG的參數(shù)化建模 124.1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)概述 124.1.2參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)途徑124.1.3裝箱機(jī)器人關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與建模 12

8、4.2基于UG的虛擬裝配技術(shù) 134.3裝箱器人虛擬裝配144.4本章小結(jié)17第5章裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 185.1運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的整體構(gòu)架 185.1.1系統(tǒng)工作流程圖 185.1.2用戶操作流程圖195.2運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建195.3系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析215.4本章小結(jié)24總結(jié)25參考文獻(xiàn)26致謝27IV第1章緒論1.1課題研究的來(lái)源及概況隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的日趨發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)的分工更加明確，這在現(xiàn)代 化的大產(chǎn)業(yè)中表現(xiàn)的尤為明顯。有一些人每天就只管一批衣服上的一顆紐扣，有的 人整天就是盯著電腦屏幕，就像電影摩登時(shí)代中表達(dá)的那些鏡頭，人們感到自 己在一步步走向異化，進(jìn)而導(dǎo)致各色職業(yè)病逐漸

9、產(chǎn)生，所以人們強(qiáng)烈希望用某種智 能設(shè)備代替人類工作，于是科學(xué)家經(jīng)過(guò)不懈努力做出了機(jī)器人，用以代替人們?nèi)ネ?成那些討厭、無(wú)趣、消耗生命的工作。裝箱機(jī)器人契合了人們的這項(xiàng)要求，經(jīng)過(guò)數(shù)代科學(xué)家的辛勤耕耘，如今的裝箱 機(jī)器人已具備較強(qiáng)的工作能力，在越來(lái)越多的場(chǎng)合發(fā)揮著重要作用。但是美中不足， 年輕的裝箱機(jī)器人還需要成長(zhǎng)，許多地方亟待改進(jìn)?；诖耍疚脑诳偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外機(jī) 器人研究的成果之后，提出適當(dāng)改進(jìn)，增加了設(shè)計(jì)者的獨(dú)到見(jiàn)解。1.2虛擬仿真技術(shù)及其意義虛擬仿真又被叫做虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通俗地講，就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)來(lái)模仿另 一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)。而嚴(yán)格的說(shuō)，虛擬仿真是上世紀(jì)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的 一項(xiàng)事物。隨

10、著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬仿真也逐步形成了一個(gè)特有的體系，成為人類 認(rèn)識(shí)、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)當(dāng)中具有極其廣泛的應(yīng)用，面對(duì)如今全球制 造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，人工生產(chǎn)早已不再適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，高 新技術(shù)已顯示出及其巨大的威力，并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用正對(duì)工業(yè)進(jìn)行著一場(chǎng)前 所未有的革新。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，將使工業(yè)設(shè)計(jì)更加符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展 的需要，已成為現(xiàn)在制造業(yè)中不可或缺的一部分。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容本文在研究裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，深入研究UG NX8.0的運(yùn)動(dòng)仿真模塊的應(yīng)用，完成了裝箱機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真

11、。內(nèi)容如下：（1） 分析了該裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案和實(shí)現(xiàn)方法，使用UG建模完成機(jī)器人的 三維模型；（2）設(shè)置了裝箱機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)副的位置，計(jì)算并選取合適的運(yùn)動(dòng)副參數(shù)；（3） 利用UG參數(shù)化建模對(duì)裝箱機(jī)器人所有零部件的參數(shù)化建模，并對(duì)UG參 數(shù)化建模方法進(jìn)行總結(jié)；(4) 對(duì)裝箱機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，檢測(cè)該機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。1.4UG的發(fā)展現(xiàn)狀UG( Uni graphics NX )是EDS公司研發(fā)的工程軟件，針對(duì)用戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā) 的要求，提供了強(qiáng)大而又有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的解決方案。它很容易實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜實(shí)體及造 型的建構(gòu)。UG發(fā)展過(guò)程如表1-1所示。表1-1 UG發(fā)展詳表UG發(fā)展史UGS由美

12、國(guó)麥道公司研發(fā)，60年代起逐漸步入商業(yè)化1976 年McDonnell Douglas 收購(gòu)開(kāi)發(fā) Unigraphics1989年Uni graphics公司正式與UNIX合作1990年波音公司選擇Uni graphics作為其機(jī)械CAD/CAM/CAE 的標(biāo)準(zhǔn)1991年GE發(fā)動(dòng)機(jī)公司并入 EDS公司，并且改名為 EDS Uni graphics1993年Uni graphics引入復(fù)合建模，可將線框建模、半?yún)?shù)化及參數(shù)化建模融為一體1995 年3M 公司選擇 EDS Un igraphics ； Uni graphics 首次發(fā)布 Win dows NT 版本1996年通用(GM)公司將UG

13、當(dāng)做CAD/CAM 的標(biāo)準(zhǔn)1998 年并購(gòu) In tergraph 的機(jī)械 CAD/CAM 業(yè)-Solid Edge 和 EMS 軟件2001年收購(gòu)了 I-DEAS 軟件，將其改為 EDS PLM Solutions2003年EDS改名，成為 UGS2004 年Uni graphics 發(fā)布了新版本的 UG NX3.02005 年Uni graphics 發(fā)布了新版本的 UG NX4.02008 年Siemens PLM Software 發(fā)布 NX6.02009年NX 7.0弓|入了 “ HD3D”(三維精確描述)功能，新增了同步建模技術(shù)的增強(qiáng)功能2010年Siemens PLM Softw

14、are在上海世博會(huì)發(fā)布了功能增強(qiáng)的NX7最新版本(NX 7.5 )2011 年Siemens PLM Software 發(fā)布了 UG8.0UGNX具有以下功能：(1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)NX包囊括了全球最齊全的設(shè)計(jì)應(yīng)用，擁有獨(dú)特的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 仿真功能，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的原創(chuàng)性和創(chuàng)新思維，能夠使用多種復(fù)雜需要；(2) NC加工UG加工所有模塊，提供UG加工模塊框架，基于UG NX的加工模塊提供了相 同的接口的圖形窗口環(huán)境；(3)仿真、確認(rèn)和優(yōu)化NX鼓勵(lì)用戶運(yùn)用能力范圍的仿真方法來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，避免研發(fā)過(guò)程中 不必要的時(shí)間和資金的浪費(fèi)。1.5本章小結(jié)本章講述了裝箱機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)和歷史沿革，講述

15、了國(guó)內(nèi)外裝箱機(jī)器人的研究 成果和未開(kāi)前景。對(duì) UG進(jìn)行詳細(xì)的介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行流程、設(shè) 計(jì)過(guò)程中用到的關(guān)鍵技術(shù)和論文主要內(nèi)容給予說(shuō)明。14第2章裝箱機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)2.1裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)分析，最終確定將裝箱機(jī)器人的運(yùn)行模式確定為四種，分別是自學(xué)習(xí)、手 動(dòng)、自動(dòng)和參考點(diǎn)模式。在機(jī)器人自動(dòng)模式時(shí)，它會(huì)判斷瓶子的位置是否合適、箱 子的位置是否到位，控制的信號(hào)會(huì)自行放瓶子抓瓶子的位置之間往復(fù)運(yùn)行。在抓取 瓶子的過(guò)程中，假如瓶子位置合適，裝箱機(jī)器人則運(yùn)動(dòng)到該處。機(jī)器人的全部行為 可分為小車的行走，機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四個(gè)部分 組成。2.2方案的選擇鑒于裝箱

16、機(jī)器人的工作特點(diǎn)是要求運(yùn)功精確，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮將步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng) 力源。由于脈沖數(shù)量和頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的速率，且其速率與負(fù)載變化無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn) 速范圍較寬，在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用較廣泛。機(jī)械手上下方向的動(dòng)作，其實(shí)現(xiàn)方式 有絲杠、氣動(dòng)和液壓。綜合比較，氣動(dòng)和液壓精度低，相應(yīng)的價(jià)格也較便宜，但這 不符合設(shè)計(jì)要求，最終采用絲桿來(lái)實(shí)現(xiàn)此運(yùn)動(dòng)。而爪片的張合動(dòng)作，考慮到運(yùn)動(dòng)的 性質(zhì)，此處可以采用，而之前沒(méi)有采用此種方式，若在此處單獨(dú)加入，工作量會(huì)驟 增，于是同樣是用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 02.3系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)在機(jī)器人的通訊過(guò)程中，主站已經(jīng)從站發(fā)送請(qǐng)求消息包含控制和設(shè)置在站信息 消息，并解析發(fā)送地址和與自己的站地址，如果是

17、自己的信息則在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送 響應(yīng)包中包含狀態(tài)信息等。數(shù)據(jù)協(xié)議中關(guān)于報(bào)文響應(yīng)的有三個(gè)字，能在人機(jī)界面上顯現(xiàn)出來(lái)的后兩個(gè)字， 就是32位實(shí)際的位置。這些狀態(tài)字的詳細(xì)定義如下圖。準(zhǔn)備好箱 子 傳 送 帶 停 止瓶 子 傳 動(dòng) 帶 停 止圖2.1狀態(tài)字的定義放 瓶 尋 位 到激 活 的 參 數(shù)激 活 的 斜 率數(shù) 據(jù) 輸 出 使 能數(shù) 據(jù) 輸 出1514131211109876543210機(jī)器人的自學(xué)習(xí)模式，就是在機(jī)器人能夠記住每次抓瓶的方位，下一次抓瓶時(shí), 系統(tǒng)能夠記住上一次學(xué)習(xí)出的位置。在手動(dòng)模式中，按下“抓瓶點(diǎn)確認(rèn)”按鈕，系 統(tǒng)首先判斷機(jī)器人自身是否在自學(xué)習(xí)區(qū)域，若再次趨于則顯示成功，若不在

18、就向系 統(tǒng)反饋不成功信號(hào)并繼續(xù)尋找合適位置，直到下一次抓瓶確認(rèn)。放瓶位置的學(xué)習(xí)則 與抓瓶位置的學(xué)習(xí)相似。其流程如下圖所示。圖2.2自學(xué)習(xí)模式流程圖2.4本章小結(jié)本章從整體上分析了裝箱機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，采用了無(wú)線通信技術(shù)對(duì)機(jī)器人的各 項(xiàng)動(dòng)作進(jìn)行控制，選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。裝置的所有動(dòng)作可分為可分為機(jī)器人 的行走、機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的上下移動(dòng)和機(jī)械手的抓物四個(gè)部分。此外，在對(duì) 機(jī)器人在設(shè)備的選擇上，也添加了設(shè)計(jì)者獨(dú)到的思考和見(jiàn)解。第3章機(jī)器人零件結(jié)構(gòu)和參數(shù)的的設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1.1抓手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將抓盤直徑設(shè)計(jì)為50毫米，抓手的最大開(kāi)口角度設(shè)計(jì)為120度，轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍為30度。結(jié)構(gòu)如圖所

19、示：圖3.1四桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖L1表示抓盤與連桿盤之間的長(zhǎng)度，L2則表示爪子上兩個(gè)圓柱銷相距的長(zhǎng)度，L3 表示爪子跟連桿之間的最佳長(zhǎng)度，L4表示使用的連桿。抓爪轉(zhuǎn)動(dòng)30度時(shí)，表示此時(shí) 抓取的物體是最小的。圖3.2四桿結(jié)構(gòu)的受力分析L3/L1，取 L仁 10mm,貝U 9 1=45； L4=30mm,所以 L4 =30mm。當(dāng)抓手的開(kāi)口最大時(shí)，如圖:圖3.3抓手開(kāi)口最大此時(shí) L3、L4 連成一線，J則 9 =30° , 9 1=設(shè)0°仁30mm,則 L3+L4=2cosBlX30=52 mm。所以 L4=42mm,故 30< L4 <42取 L4=40mm。3.1.2爪

20、片的設(shè)計(jì)爪片直接與物體接觸，作用是抓住物體，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證抓片的這一作用,因此在其下面設(shè)計(jì)Mg=cos9X F+sin 0Xcos 0X ?=sin 0X F(3-1)F=Mg|X cos 9丿由式3-1，易知9會(huì)隨著F的增大而減小，若 9 =45；貝U F=2X10>cos45°=14N, N=cos45°F, F=112/0.7=158 N。Cr20 的 c =450 Mpa 取安全系數(shù) n=1.2,代入數(shù)據(jù)得, c =540/1.2=450 Mpa A >( 112/450) X0“=0.25 X。所以取連桿的橫截面面積為 5 X6 mm,連桿的尺寸為

21、40X5X3 mm。3.2車身的設(shè)計(jì)3.2.1上車身的設(shè)計(jì)從機(jī)器人車善的功能和美觀角度出發(fā)，絲杠應(yīng)位于中心，其具體位置和尺寸見(jiàn)3.7 圖。中間板的直徑為 90mm,為了盡量的緊湊而又不干涉到轉(zhuǎn)動(dòng)，取孔的直徑為 92mm。因?yàn)樯宪嚿頉](méi)有起固定的作用，取厚度為2mm.為了更好的蓋住，能用螺栓、 螺釘?shù)葋?lái)連接，可以把車身四周折彎 10-20mm。400§1圖3.5上車身的結(jié)構(gòu)圖322下車身的設(shè)計(jì)下車身是整個(gè)系統(tǒng)的底座，要承受機(jī)器人及其所抓物體的重量，需要有一定的強(qiáng)度，而強(qiáng)度需要車身的材料和厚度來(lái)保證，計(jì)算得出車身需支撐 9kg的質(zhì)量。 根據(jù)彈性小撓度理論2(max= a a/t q(3-2

22、)式中：廳應(yīng)力系數(shù)；q-設(shè)計(jì)壓力，MPa ;a-矩形板短邊長(zhǎng)度，mm； t-矩形板厚度，mm。綜上得t >a a q/ (3-3)表3-1應(yīng)力系數(shù)表6b/a1.01.21.51.82.02.5a0.28740.37560.4872 H0.56880.61020.68查應(yīng)力系數(shù)表，b/a=400/200=2,得a =0.6102板采用鋁合金材料，貝U c =274MPa取安全系數(shù)為1.5,得c = c s=n74/1.5=183MPa(3-4)代入數(shù)據(jù)得，t > 1.83mm所以取板的厚度為t=3mm。因?yàn)橹虚g板與上車身一樣 高，而中間板加上軸的長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)，也就是說(shuō)，軸承沒(méi)法固定在下

23、車身上，也沒(méi)法 固定了，因此我們需要做一個(gè)凸臺(tái)來(lái)固定軸承，其結(jié)構(gòu)如圖3.6。圖3.6下車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其中：H-中間板的厚度，mm；L-為軸的長(zhǎng)度，mm；D-凸臺(tái)的高度，mm。12毫米是中間板和軸之間的距離，選取 9毫米厚的軸承。 代入數(shù)據(jù)得d=100+12+9-51-27=37mm（ 3-5）凸臺(tái)的形狀與尺寸如圖：503070圖3.7凸臺(tái)結(jié)構(gòu)圖3.2.3支板的設(shè)計(jì)上車身和下車身已設(shè)計(jì)完畢，需要一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)連接兩者使機(jī)器人能完成其功能, 因此設(shè)計(jì)出圖3.8中的支板來(lái)完成這個(gè)使命。 j :L96-*=圖3.8支板形狀尺寸圖采用這種結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致支板在安裝到車身之間時(shí)產(chǎn)生重疊區(qū)，出現(xiàn)新的技術(shù)和 工藝問(wèn)題

24、，具體見(jiàn)下圖。所以，要米取措施改進(jìn)設(shè)計(jì)將重疊區(qū)消除，經(jīng)過(guò)反復(fù)分析和論證，決定米用兩 個(gè)較短的支板，如圖所示。圖3.10短支板的形狀由已知條件，選用5毫米規(guī)格的螺栓，把底端寬度定位 20毫米，且板厚是2毫 米，于是得出短支板的結(jié)構(gòu)（圖 3.11）。200 .圖3.11短支板的尺寸所以長(zhǎng)支板尺寸要將兩個(gè)短邊的尺寸去掉，代入數(shù)據(jù)得，400-2X 2=396mm,尺寸如圖3.12。80316圖3.12長(zhǎng)支板結(jié)構(gòu)圖*6XQ5198廠58-J暮a3.3本章小結(jié)本章對(duì)裝箱機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)尺寸，參 照國(guó)內(nèi)外機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)制定出本系統(tǒng)運(yùn)行性能參數(shù)。確定了機(jī)器人的行走、機(jī)械 手

25、的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四大部分的關(guān)鍵零部件的合理參數(shù)， 為后續(xù)的參數(shù)化建模和虛擬裝配打下了基礎(chǔ)。第4章裝箱機(jī)器人的建模與虛擬裝配4.1基于UG的參數(shù)化建模4.1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)概述參數(shù)化設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用已有的幾何要素的數(shù)值，使自己的設(shè)計(jì) 工作更加規(guī)范，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加合理適用，以期達(dá)到省事省力、事半功倍的效果。具體過(guò)程如下圖所示圖4.1參數(shù)化建模示意圖從根本上說(shuō)，參數(shù)化設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)的作用下最大限度的保持參數(shù)不變，當(dāng)然這 是在可變參數(shù)的影響下進(jìn)行的。參數(shù)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)工作提供了便利，設(shè)計(jì)者正是在 這些可變和不變參數(shù)的交替作用中，不斷改進(jìn)，直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功。4.1.2參數(shù)化

26、設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)途徑參數(shù)化的模型包括工程約束和幾何約束兩大方面，這其中的幾何約束又包括兩 部分內(nèi)容。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，無(wú)數(shù)科學(xué)家的不斷開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)途 徑已展現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)，其主要途徑有：（1）系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束；（2）特征和表達(dá)式驅(qū)動(dòng)圖形；（3）利用電子表格驅(qū)動(dòng)圖形。4.1.3裝箱機(jī)器人關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與建模機(jī)器人各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)需要所有零件的密切配合，從而取得1+1>2的效果。而組成該機(jī)器人的所有兩件在未裝配前，許多問(wèn)題很難發(fā)覺(jué)，這也就需要借助高科技 手段來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)設(shè)計(jì)。UG的出現(xiàn)與發(fā)展，極大地促進(jìn)了這一問(wèn)題的解決。將裝箱機(jī)器人的零部件進(jìn)行三維建模，需要使用 UG的建

27、模功能。而UG的渲 染功能，可以幫助設(shè)計(jì)者隨產(chǎn)品的材料和外觀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 8,9。在生產(chǎn)實(shí)際中，常 用零件的特征可總結(jié)為管理特征、技術(shù)特征、材料特征、形狀特征和裝配特征。圖4.2零件形狀特征分類如上圖所示，組成裝箱機(jī)器人的零件特征可分為主特征和輔特征。輔特征又分為 組合特征、復(fù)制特征和輔助特征了，其中涉及到了孔、螺紋和槽。主特征是零件外 形方面的信息，再在組成此機(jī)器人的主要零件中，涉及主特征的有長(zhǎng)方體、圓錐體 和圓柱體。不同的零件可選擇不同的建模方法，可根據(jù)具體情況酌情選擇。4.2基于UG的虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品的主體方案與具體零件的設(shè)計(jì)工作元成后，需要借助虛擬裝配技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配的相關(guān)操作

28、。虛擬裝配的作用是在虛擬環(huán)境下對(duì)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行模型組裝與分析，最大限度的檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。實(shí)踐證明，使用UG的虛擬裝配技術(shù)能夠顯著縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化工作流程。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索與改進(jìn)，UG軟件的虛擬仿真功能已日趨完善，收到越來(lái)越多用戶的青睞。在眾多的三維建模軟件中,UG軟件能夠一直保持自身的長(zhǎng)處，主要的裝配特點(diǎn)總結(jié)如下10：(1) 生成裝配體的方法多樣；(2) 用戶的多個(gè)組件可以同時(shí)打開(kāi)和編輯；(3) 易于創(chuàng)建零件特征，這些特征可在任何情況下被修改；(4) 具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，不隨編輯的進(jìn)行而消失關(guān)聯(lián)性；靈活性大，組件隨總體的修改而做出相應(yīng)的變化。4.3裝箱機(jī)器人虛擬裝配如今，虛擬裝配已經(jīng)是

29、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛 擬裝配可以保證設(shè)計(jì)的合理性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、修正問(wèn)題。本論文設(shè)計(jì)的裝箱機(jī)器 人主要包括小車的行走，機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手的上下移動(dòng)還有機(jī)械手的抓物四個(gè) 功能模式。虛擬裝配按照由部分到整體的順序，由零件到部件，再由部件到整機(jī)模 型2,11,120(1)建立零件圖:圖4.3固定板圖4.4連桿盤圖4.5連桿圖4.6螺桿螺母圖4.7絲桿螺母圖4.8上車身圖4.9中間件圖4.10爪子15（2）機(jī)器人四大主要運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn):圖4.11機(jī)器手抓物動(dòng)作圖4.12機(jī)器手臂的升降271）抓物動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)由電機(jī)提供動(dòng)力，由電機(jī)到絲桿，再由絲桿到螺母，最后推 動(dòng)連桿，爪片抓住物

30、體（圖4.11）。2）機(jī)械臂的升降動(dòng)作同樣由電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到絲桿，加上螺母副 的作用，機(jī)械手臂便能上下移動(dòng)（圖 4.12）。圖4.13機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)3）通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到大齒輪，使轉(zhuǎn)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鍵的連 接使中間件轉(zhuǎn)動(dòng)，而中間件上面則是固定了絲桿和軸承，還有固定板。于是絲桿上 的轉(zhuǎn)臂也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4.14機(jī)器人的移動(dòng)4）小車的移動(dòng)動(dòng)作有前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整，是兩邊的車輪具有不 同的轉(zhuǎn)向，使小車實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。前進(jìn)和后退則只需控制好電機(jī)轉(zhuǎn)速13 o4.4本章小結(jié)本章通過(guò)裝箱機(jī)器人的所有零件進(jìn)行了參數(shù)化建模，對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 了檢驗(yàn)和優(yōu)化

31、設(shè)計(jì)。充分利用了 UG軟件的參數(shù)化建模和虛擬裝配技術(shù)，體現(xiàn)了新 的設(shè)計(jì)風(fēng)格和設(shè)計(jì)思路。參數(shù)化建模和虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著裝箱機(jī)器人設(shè)計(jì)的 主體工作已經(jīng)完成。第5章裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真5.1運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的整體構(gòu)架5.1.1系統(tǒng)工作流程圖在對(duì)于裝箱機(jī)器人的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及虛擬裝配工作完成之后，還需要對(duì)裝 置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試工作，目的是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，使裝箱機(jī)器人更加完美 本次虛擬仿真主要包括機(jī)構(gòu)建模、求解和仿真三個(gè)階段，具體過(guò)程如圖所示14圖5.1系統(tǒng)工作流程圖每一個(gè)階段的工作，都會(huì)對(duì)裝箱機(jī)器人的整個(gè)仿真過(guò)程產(chǎn)生影響，機(jī)構(gòu)建模階 段結(jié)束后，可以定義出運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，機(jī)構(gòu)求解階段結(jié)束后，便可以

32、根據(jù)初始條件 和所列方程組求解和檢驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)入最后一個(gè)階段，才可以進(jìn)行圖形的仿 真。5.1.2用戶操作流程圖對(duì)于裝箱機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真還要建立一套針對(duì)用戶的仿真程序，從用戶的角度出發(fā)，以簡(jiǎn)明扼要、通俗易懂的語(yǔ)言指導(dǎo)用戶的適用和實(shí)踐， 具體流程如圖（圖5.2）o根據(jù)裝配模型數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)建模，之后對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行干涉檢查，完 成裝置的運(yùn)動(dòng)仿真。亦可先進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，再對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真處理, 最后再得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和速度加速度曲線，完成了仿真。5.2運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建接下來(lái)進(jìn)行裝箱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建工作，首先打開(kāi)裝箱機(jī)器人的模型，將其取名為yuanxing，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，進(jìn)

33、入下一級(jí)頁(yè)面，選擇“運(yùn)動(dòng)仿真”， 在“運(yùn)動(dòng)仿真導(dǎo)航器”中選擇想要對(duì)其操作的對(duì)象。圖5.3新建運(yùn)動(dòng)仿真界面右鍵想要操作的部件的名字，然后點(diǎn)擊“環(huán)境”并在新的界面中點(diǎn)擊“動(dòng)態(tài)”，若運(yùn)動(dòng)仿真的工具條全都是高亮狀態(tài)，就完成新的仿真創(chuàng)建了，如圖5.3。< £3魁佃.山上£圖5.4創(chuàng)建構(gòu)件仿真界面界面中會(huì)出現(xiàn) 圖標(biāo)，單擊這個(gè)圖標(biāo)，就可以創(chuàng)建連桿，點(diǎn)擊“質(zhì)量屬性”并 選擇“自動(dòng)”模式，如上圖（圖5.4）。構(gòu)件以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建完成之后，還學(xué)要運(yùn)動(dòng)副來(lái)連接構(gòu)件，是運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)能夠 發(fā)揮作用，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的流程圖如圖所示14，佝：準(zhǔn)備圖5.5運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建流程圖5.3系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析準(zhǔn)備工作

34、完成后，就要逐步對(duì)裝箱機(jī)器人整體進(jìn)行仿真結(jié)果分析，結(jié)合分析的 結(jié)果對(duì)裝置進(jìn)行有針對(duì)性的評(píng)價(jià)和改進(jìn)，本次將對(duì)裝箱機(jī)器人進(jìn)行以下項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng) 仿真昭:(1) 檢驗(yàn)其是否按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)；(2) 檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求；(3) 檢驗(yàn)速度是否達(dá)到要求。在仿真的過(guò)程中，裝箱機(jī)器人的每個(gè)機(jī)構(gòu)內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生圖 5.6中的數(shù)據(jù)，且這些 數(shù)據(jù)會(huì)被軟件保存留作后用，這些數(shù)據(jù)會(huì)被連續(xù)記錄。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)機(jī) 構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行綜合判斷。嗚工作丟iL koI iori_22L®l®ABCDEF=1Time2slcp1TIKJOOl-X, DiB(abs)JOOLJ<,V(abs)JOQJJCj

35、Acc(abs)G0U4_X, ForceCabs)300. 0002012. 5000.000-3960.000-198.000410, 0302010. SS9-118- 800-3960. 000-198-0005o0.0602005. 343-237. 600-3960. 000-198,000630. 0901996. 433-356 . 4DO-3960 OTO-198-000740.1201983. 959-475.200-3960. 000198.0008y0.1501967. 921一596 000-3960.000-198,000960.1801949,845-602. 9

36、450.0000. 0001070.210193L 7b7-602. 94b0.0000.0001180 2401913 668-602- 9450. 0000_ 0001290.2701895. 580502. 9450.0000.000130. 300187T. 492-602. 9450. 0000*00014110.3301859. 403-602. 9450.3601841. 315-602- 9450.0000.00016130.3901823. 227-602. 9450.0000.000_17 ,140.420180b. 13S-602. 94b0

37、.0000.00018150.450178T. 050-602. 9450.M00,000M 4$ 盧1jftin A唧r 戸 Fke 戸戸EC A #廠A/KA A*L*圖5.6機(jī)構(gòu)仿真輸出數(shù)據(jù)需要指出的是，該表格生成的數(shù)據(jù)是交互式的，這些經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)具有 極大的應(yīng)用價(jià)值，它們可以用來(lái)將選定的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)到特定位置。換句話說(shuō)，機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動(dòng)方式可以通過(guò)改變這些數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)改變，這就使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了參數(shù)化， 其運(yùn)動(dòng)方式更加易于操作。單位：iron2500000Mechanisms Step步數(shù)圖5.7拉力作用下位移曲線100.000-3C0.0W步數(shù)0 000 20403016D-100 0

38、00-200 000-4)0.000-500.000-600.000100120140-700.000Mwchani 沁冷 Steio圖5.8拉力作用下速度曲線由裝箱機(jī)器人的速度變化曲線能夠得出，機(jī)器人小車的移動(dòng)過(guò)程是先加速再勻速最后減速，其運(yùn)動(dòng)的速度在 0.16秒的時(shí)候達(dá)到了一個(gè)最大值，在此之后便一直保持著一個(gè)最大的速度運(yùn)動(dòng)到了2.3秒左右，接著又開(kāi)始了減速過(guò)程，并且在短短的0.09秒內(nèi)迅速減到了零，這一變化趨勢(shì)與前面的加速度變化曲線基本能夠保持一致， 表明這與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，設(shè)計(jì)是合理的。5.4本章小結(jié)本章內(nèi)容主要涉及對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的整體構(gòu) 架的介紹，在

39、UG平臺(tái)的裝配環(huán)境下進(jìn)行了裝箱機(jī)器人虛擬運(yùn)動(dòng)仿真一系列關(guān)鍵技 術(shù)。仿真完成后，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)和構(gòu)件在測(cè)試下的變化曲線進(jìn)行分析，具有一定的技 術(shù)參考價(jià)值。總結(jié)歷時(shí)六周，從收集資料、整理資料到撰寫論文，終于將裝箱機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作 做完。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，介紹了應(yīng)用廣泛的UG軟件，詳細(xì)敘述整個(gè)裝箱機(jī)器人的零部件設(shè)計(jì)過(guò)程、三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，并且探討了相關(guān)技術(shù)的原理， 詳細(xì)的分析了機(jī)器人系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案?？v觀全文，可作如下總結(jié)：(1) 裝箱機(jī)器人將會(huì)在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中扮演日益重要的角色，因此會(huì)有 越來(lái)越多的科研人員加入到此類機(jī)器人的開(kāi)發(fā)大軍中；(2) 本文分析了 UG裝配模型的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，針對(duì)裝配模型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu) 件和運(yùn)動(dòng)副的自動(dòng)生成