買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 摘 要 隨著生產(chǎn)力水平和科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越 來(lái)越廣泛。機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、 運(yùn)動(dòng)學(xué)、零件建模、仿真和運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性的有實(shí)用價(jià)值的研究課 題。本課題以四自由度 器人為研究對(duì)象，基于 件對(duì)其進(jìn)行 了運(yùn)動(dòng)空間、工作軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩等方面的進(jìn)行研究。 本課題建立了四自由度 器人整體的模型，并建立了末端機(jī)械手 的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 ，理論分析了其末端機(jī)械手的位姿和速度、加速度。從理論對(duì) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究。利用 機(jī)器人做了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿 真，得到了機(jī)器人末端機(jī)械手的速度、加速度、位移和力矩參數(shù)。 仿真分析結(jié)果可以為四自由度 器人設(shè)計(jì)起到支持作用。機(jī)器人 仿真分析的應(yīng)用對(duì)于提高工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本具有很 大的作用。 關(guān)鍵詞 ： 四自由度 器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；動(dòng)力學(xué)分析；仿真； I 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 pr in a a of of a of a up to of pr a r 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 目 錄 第一章 緒 論 . 題背景 . 1 究意義 . 2 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)發(fā)展概況 . 2 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)概論 . 2 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 . 3 在機(jī)械系統(tǒng)分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究現(xiàn)狀 . 4 題主要研究的內(nèi)容 . 5 第 二章 四自由度 器人的基本結(jié)構(gòu)及建模 . 自由度 器人基本規(guī)格 . 7 維建模軟件的基本介紹 . 8 于 四自由度 器人的建模及裝配 . 11 自由度 器人的建模 概括 . 11 自由度 器人的建模過(guò)程 . 12 于 四自由度 器人裝配 . 17 章小結(jié) . 19 第三章 四自由度 器人的數(shù)學(xué)模型及分析 . 0 自由度 器人的 述 . 20 自由度 器人位姿方程的正解 . 21 自由度 器人位姿方程的逆解 . 22 自由度 器人速度加速度的求解 . 23 于 速度分析 . 24 章小結(jié) . 26 第四章 四自由度 器人動(dòng)態(tài)仿真分析 . 7 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件介紹 . 27 自由度 器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬及仿真 . 29 器人的 型 . 29 于 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 . . 37 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 于 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模擬及仿真 . 46 章小結(jié) . 51 第五章 結(jié)論與展 望 . 2 論 . 52 術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 . 54 術(shù)可行性分析 . 54 濟(jì)優(yōu)越性分析 . 54 一步研究展望 . 54 參考文獻(xiàn) . 6 致 謝 . 8 聲 明 . 9 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真 分析 第一章 緒 論 題背景 隨著生產(chǎn)力水平和科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，在機(jī)器人的研究中 ,建模仿真、 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、動(dòng)力學(xué)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的工作非常重要同時(shí)工作量 又都很大 ,常見(jiàn)的工作方式是采用不同的軟件分別處理 ,當(dāng)參數(shù)有變動(dòng)時(shí)上述 幾項(xiàng)工作的改動(dòng)量很大 ,非常不靈活 ,利用 一優(yōu)秀軟件可將這幾項(xiàng)工 作有機(jī)地結(jié)合在一起 ,從而大大提高工作效率。因此，這是一項(xiàng)綜合性的有實(shí) 用價(jià)值的研究課題 。 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一門新興技術(shù) ,該 技術(shù)在計(jì)算機(jī)上通過(guò) 技術(shù)將產(chǎn)品信息集成到計(jì)算機(jī)提供的 可視化虛擬環(huán)境 ,在實(shí)際產(chǎn)品制造之前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析與優(yōu)化過(guò)程。 機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究中的重要環(huán)節(jié) ,可應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分 析 ,軌跡和路徑規(guī)劃 ,機(jī)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(shù)字化制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展 ,機(jī)器人仿真也成為圍 繞產(chǎn)品生命周期的整個(gè)數(shù)字化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及制造環(huán)境的重要組成部分。研究 與開(kāi)發(fā)機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(jī)器人研究及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展提供新的手段。 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 初由美國(guó)公司 公司開(kāi)發(fā) , 是 目前最著名的虛擬樣機(jī)分析軟件。 以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā) 出的大型機(jī)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(kù)、約束庫(kù)、 力庫(kù)等 , 能夠創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 ，并能對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng) 進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 。 本研究從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)角度出發(fā) ,利用動(dòng)力學(xué)仿真軟 件 立了一套完整的設(shè)計(jì)過(guò)程的方法 ,在進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真過(guò) 程中 ,采用無(wú)路徑的搜索方法 ,在全部的機(jī)器人工作空間內(nèi)進(jìn)行搜索 ,最終求 取機(jī)器人關(guān)節(jié)的力矩極限值。與以往的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法相比 ,提高了機(jī)器人系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度 ,很好地解決了機(jī)器人本體設(shè)計(jì)中參數(shù)無(wú)法精確確定的難題 , 因此對(duì)于快速、準(zhǔn)確地開(kāi)發(fā)機(jī)器人本體、提高機(jī)器人性能具有重要意義。 1 1 2 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 本研究主要利用 通用建模功能 ,結(jié)合關(guān)節(jié)型機(jī)器人的特點(diǎn) ,將動(dòng) 力學(xué)分析中的參數(shù)選擇、求解、運(yùn)動(dòng)空間、工作軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及加速度、 轉(zhuǎn)動(dòng)力 矩等作為仿真目標(biāo) ,做出運(yùn)動(dòng)仿真分析。 究意義 本研究針對(duì)四自由度 器人在實(shí)際空間中運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)的速度、 力和力矩以及可達(dá)空間等問(wèn)題 ,利用 件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析 ,模擬 了四自由度 器人在實(shí)際空間中運(yùn)動(dòng)位置變化的全過(guò)程 ,仿真出四自由 度 器人在運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了縮短設(shè)計(jì)周 期、降低設(shè)計(jì)成本、預(yù)先評(píng)估設(shè)計(jì)等作用和功效。實(shí)際操作中 ,為防止生產(chǎn)出 的物理樣機(jī)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的要求提供了有力依據(jù) ,對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及 機(jī)器 人力學(xué)的研究具有一定指導(dǎo)意義。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是把機(jī)器人相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)作為時(shí)間的 函數(shù)進(jìn)行分析研究 ,而不考慮引起這些運(yùn)動(dòng)的力和力矩。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 的是機(jī)器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。在機(jī)器人控制 中運(yùn)動(dòng)學(xué)分析占有非常重要的地位。在位姿分析的基礎(chǔ)之上 ,運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)仿真分析軟件 虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ,分別以時(shí)間和速 度為變量進(jìn)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 器人將利用 件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析， 而且能為機(jī)器人的實(shí)體開(kāi)發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)，降低了開(kāi)發(fā)的成本和失敗的風(fēng) 險(xiǎn)，不僅效率高，質(zhì)量好，而且能節(jié)省大量人力勞動(dòng)，還可避免一些不必要 的損失和浪費(fèi)。作為一種工業(yè)化機(jī)器人，其應(yīng)用與發(fā)展必將給人類帶來(lái)巨大 的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)發(fā)展概況 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)概論 機(jī) 械系 統(tǒng)動(dòng)態(tài) 仿真 技術(shù)， 也叫虛 擬樣 機(jī)技術(shù) (稱 它是一種全新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，作為一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔 助工程 ( 術(shù)于上個(gè)世紀(jì) 80 年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，在 90 年代特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)以后得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。工程師在計(jì)算機(jī)上 2 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 建立樣機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用 數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)涉及多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技 術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。 械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng) 用現(xiàn)狀 1. 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段，主要是引用國(guó)外的先進(jìn) 技術(shù)。中航第一飛機(jī)研究院成功推出了國(guó)內(nèi)首架飛機(jī)全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī)。 863 項(xiàng)目 “月球表面探測(cè)機(jī)器人方案研究” 則運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬月球 面計(jì)算仿真環(huán)境，并對(duì)涉及到的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了很好 的成果。各研究院所紛紛開(kāi)展虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天 航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等方面的應(yīng)用研究、仿真分析及二次開(kāi) 發(fā)。通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)各關(guān)鍵技術(shù)的深入研究 ,必將促進(jìn) 虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng) 用，增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。 2. 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀 在國(guó)外，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在美國(guó)非常廣泛。我們熟知波音 777 飛機(jī) 是世界上首架以無(wú)紙方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分 析就是采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)。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(shè)計(jì)費(fèi)用降低 94 %，設(shè)計(jì)更改降低 93 %)，而且確保了最 終產(chǎn)品一次裝機(jī)成功。波音西科斯基公司在設(shè)計(jì) 升飛機(jī)時(shí)，使用了 全方位仿真的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，花費(fèi) 4590h 的仿真測(cè)試時(shí)間，節(jié)省了 11590h 的飛行測(cè)試。 1997 年 7 月 4 日，美國(guó)航空航天局 (噴氣推進(jìn)實(shí) 驗(yàn)室 (J 于采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器“探路號(hào)” 在火星上的軟著陸。在探測(cè)器發(fā)射以前， J 工程師們運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù) 預(yù)測(cè)到由于制動(dòng)火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測(cè)器很可能在著陸時(shí)滾翻并最 后 6 輪朝上。工程師們針對(duì)這個(gè)問(wèn)題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計(jì)劃 的成功。 約翰迪爾 (一家具有 160 多年歷史、并在世界農(nóng)業(yè)機(jī)械 、 建筑機(jī)械領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的世界 500 強(qiáng)企業(yè)，總部設(shè)在美國(guó)伊利諾伊州。 迪爾公司也是全球柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大型生產(chǎn)商之一。為了解決工程機(jī)械在高速行 3 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 駛時(shí)的蛇行現(xiàn)象以及在重載下機(jī)械的自激振動(dòng)問(wèn)題，公司的工程師利用虛擬 樣機(jī)技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，并且在虛擬樣機(jī)上得到 了驗(yàn)證，從而大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能與重載作業(yè)性能。 卡特彼勒是建筑機(jī)械、 礦用設(shè)備、 柴油和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)用燃 氣輪機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者和全球領(lǐng)先的制造商之 一。世界上最大的工程機(jī)械 制造商卡特彼勒公司的工程師們采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)裝載機(jī)和挖掘機(jī)的 工作裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，在一天的時(shí)間內(nèi)，他們對(duì)工作裝置進(jìn)行了 上萬(wàn)個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)和受力分析。通用動(dòng)力公司 1997 年建成了第一個(gè)全數(shù)字 化機(jī)車虛擬樣機(jī) ,并行地進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、制造及夾具、模具工裝設(shè) 計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。 福特某一款新車型采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期 70 天。全公司內(nèi)采 用 少設(shè)計(jì)費(fèi)用 4 000 萬(wàn)美元，節(jié)省制造費(fèi)用 10 億美元。為了減少 大型洗衣機(jī)的振動(dòng)， 洗衣機(jī)設(shè)備制造商 )用 立了 3 種洗衣機(jī)的虛擬樣機(jī)，然后修改設(shè)計(jì)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(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真 試驗(yàn)。每個(gè)設(shè)計(jì)方案的仿真只需 1h，但此后的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明與虛擬樣機(jī) 的吻合程度超過(guò) 95%。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的新型洗衣機(jī)工作平穩(wěn) ,壽命長(zhǎng)，振 動(dòng)噪聲小。日產(chǎn)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(chǎn)各型汽車外，還涉足機(jī)床、工程機(jī)械、造船和航天技術(shù)領(lǐng)域。 日產(chǎn) 汽車公司利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、覆蓋件設(shè)計(jì)、整車仿 真設(shè)計(jì)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(rèn)為事故的原因是賽車的設(shè)計(jì)缺陷，要求巨額賠償。制造商借助于虛擬樣機(jī) 技術(shù)，說(shuō)明賽車設(shè)計(jì)合理 ,事故原因是賽車手操縱不當(dāng)。法庭根據(jù) 供 的證據(jù)，做出了客觀的判決 。 在機(jī)械系統(tǒng)分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究現(xiàn)狀 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件 初由美國(guó)公司 公司開(kāi)發(fā) , 是 目前最著名的虛擬樣機(jī)分析軟件。 以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā) 出的大型機(jī)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(kù)、約束庫(kù)、 力庫(kù)。能夠創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 。 4 3 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 通過(guò) 上模塊 , 可以建立包括機(jī) 液一體化在內(nèi)的任意復(fù)雜 系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型 , 并能對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。 件的真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、 碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等 , 當(dāng)前 經(jīng)廣泛應(yīng) 用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。 目前 , 泛應(yīng)用在航空航天 、汽車制造 、造船 、機(jī)器人 及其它 多種工業(yè)機(jī)械 , 并取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。世界最先進(jìn)的包裝機(jī)械制造 商 工程師們利用 功的設(shè)計(jì)并試驗(yàn)飲料加注系統(tǒng)的單向 閥 ; 美國(guó)航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測(cè)器 (探路號(hào) )在 火星上的軟著陸 , 程師利用 虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真研究了宇宙飛 船在不同階段的工作過(guò)程 ; 國(guó)航天部上海航天局第 805 研究所利用 完 成了國(guó)家高技術(shù)項(xiàng)目 空間站兩自由度大面積柔性太陽(yáng)池陣 !動(dòng)力學(xué)仿真研 究。在我國(guó) , 自從北京吉普汽車公司曾經(jīng)利用 功開(kāi)發(fā)了 二代車型。 件更廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)或復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的研究 , 比如 汽車的幾乎所有總成、多級(jí)輪系、并聯(lián)機(jī)床、電梯、起重機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等 復(fù)雜機(jī)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(chǔ)上利 仿真分析功能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析 , 絕大部分是利用 某一具體機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析 , 而對(duì) 行創(chuàng)新性的應(yīng) 用研究或功能拓展 型的研究較少。 題主要研究的內(nèi)容 本課題主要用 四自由度 器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析， 對(duì)其運(yùn)動(dòng)空間、工作軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩等進(jìn)行研究，驗(yàn)證 四自由度 器人的工作過(guò)程軌跡、可達(dá)空間，分析該機(jī)器人工作進(jìn)程 中的運(yùn)動(dòng)速度和加速度，并對(duì)近一步優(yōu)化提出可行意見(jiàn)。 （ 1) 利用 四自由度 器人進(jìn)行建模 ,然后導(dǎo)入到 件 中，對(duì)四自由度 器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 進(jìn)行仿真分析，最終得到機(jī)器 人各關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 （ 2) 深入學(xué)習(xí)應(yīng)用 件建立動(dòng)力學(xué)模型的方法，并且建立與實(shí)際 5 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 四自由度 器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究四自由度 器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)器人工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和可達(dá)空間。 （ 3) 通過(guò)所給參數(shù)研究機(jī)器人末端可達(dá)到的最大速度，為物理樣機(jī)提供 數(shù)據(jù)。 （ 4）機(jī)器人末端載物和不載物，來(lái)分析機(jī)器人的力矩變化，為樣機(jī)提供 數(shù)據(jù)。 6 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 第二章 四自由度 器人的基本結(jié)構(gòu)及建模 自由度 器人基本規(guī)格 文譯名：選擇 順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂）是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人。 1978 年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明 機(jī)器人具有四個(gè)軸和四個(gè) 運(yùn)動(dòng)自由度， (包括 X,Y,Z 方向的平動(dòng)自由度和繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 )。該系 列的操作手在其動(dòng)作空間 的四個(gè)方向具有有限剛度，而在剩下的其余兩個(gè)方 向上具有無(wú)限大剛度。 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(gè)圓頭針插入一個(gè)圓孔，故 統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件； 另一個(gè)特點(diǎn)是其串接 的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬 動(dòng)和取放物件，如集成電路板等。 如今 器人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、 藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是 搬取零件和裝配工作。它的第 一個(gè)軸和第二個(gè)軸都具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)軸可以根據(jù)工作的需要的 不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移 動(dòng)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(gè)扇形區(qū)域 。 如圖 2四自由度 器人實(shí)物圖，表 2其技術(shù)參數(shù)。 圖 2自由度 器人實(shí)物圖 7 4 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 表 2自由度 器人的技術(shù)參數(shù)要 求 機(jī)構(gòu)形態(tài) 平面關(guān)節(jié)式 自由度 4 負(fù)載能力 2 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) +110 關(guān)節(jié)升降 0 150關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 0 360 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 180 /S 關(guān)節(jié)升降 150 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 360 /S 最大展開(kāi)半徑 600高 度 680本體重量 48溫度 0 +45 C 濕度 20 80%不結(jié)露 避免易燃、腐蝕性氣體、液 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn) /編程 電源容量 單相 220V 50A 維建模軟件的基本介紹 1. 英文 的縮寫。 是世界上一種主流的 體化軟件。在 70 年代 8 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) +90 動(dòng)作范圍 o o 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 360/S 最大速度 o o 振動(dòng) 下 安裝環(huán)境 體 其它 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 為了第一個(gè)用戶， 應(yīng)運(yùn)而生。 從 1982 年到 1988 年， 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(qiáng)大的 4 版本，現(xiàn)在的 件分為 本和 本兩個(gè)系 列。 本應(yīng)用于 臺(tái)， 本應(yīng)用于 種平臺(tái)。 本的開(kāi)發(fā)開(kāi)始于 1994 年。為了使軟件能夠易學(xué)易用， 94 年開(kāi)始重新開(kāi)發(fā)全新的 5 版本，新的 本界面更加友好，功能也日 趨強(qiáng)大，并且開(kāi)創(chuàng)了 件的一種全新風(fēng)格。 2 生信國(guó)際有限公司推出的基于 機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。 生信公司是一家專業(yè)化的信息高速技術(shù)服務(wù)公司，在信息和技術(shù)方面一直保 持 與 國(guó) 際 場(chǎng) 同 步 。 該 公 司 提 倡 的 “ 基 于 面集成系統(tǒng)”是以 平臺(tái)，以 核心 的各種應(yīng)用的集成，包括結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、工程數(shù)據(jù)管理和數(shù)控加工等， 為中國(guó)企業(yè)提供了夢(mèng)寐以求的解決方案。 微機(jī)版參數(shù)化特征造型軟件的新秀，該軟件旨在以工作站 版的相應(yīng)軟件價(jià)格的 1/4 1/5 向廣大機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供用戶界面更友好，運(yùn) 行環(huán)境更大眾化的實(shí)體造型實(shí)用功能。 基于 臺(tái)的全參數(shù)化特征造型軟件，它可以十分 方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型、復(fù)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(yīng)用于以規(guī)則幾何形體為主的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及 生產(chǎn)準(zhǔn)備工作中，其價(jià)位適中。 3. 司的拳頭產(chǎn)品。該公 司首次突破傳統(tǒng) 式，為用戶提供一個(gè)全面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)。在 ，優(yōu)越的參數(shù)化 和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)體、線框和表面功能結(jié)合在一起，這一結(jié)合被實(shí)踐 證明是強(qiáng)有力的，并被大多數(shù) 件廠商所采用。 早應(yīng)用于美國(guó)麥道飛機(jī)公司。它是從二維繪圖、數(shù)控加工編程、曲 面造型等功能發(fā)展起來(lái)的軟件。 90 年代初，美國(guó)通用汽車公司選中 為全 公司的 導(dǎo)系統(tǒng)，這進(jìn)一步推動(dòng)了 發(fā)展。 1997 年 10 月 司與 司簽約，合并了后者的機(jī)械 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 產(chǎn)品，將微機(jī)版的 件統(tǒng)一到 臺(tái)上。由此形成了一個(gè) 從 低 端 到 高 端 ， 兼 有 作 站 版 和 機(jī) 版的 較 完 善 的 企 成系統(tǒng)。 4 司的主導(dǎo)產(chǎn)品。 司是世界第四大 件 公司。目前在 業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，該公司是擁有全球用戶量最多的軟件 供應(yīng)商，也是全球規(guī)模最大的基于 臺(tái)的 動(dòng)畫及可視化軟件企業(yè)。 司的軟件產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、影視制作、 視頻游戲開(kāi)發(fā)以及 的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)等重大領(lǐng)域。 5 統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司的產(chǎn)品。 司提出的單一數(shù)據(jù) 庫(kù)、參數(shù) 化、基于特征、全相關(guān)的概念改變了機(jī)械 傳統(tǒng)觀念， 這種全新的概念已成為當(dāng)今世界機(jī)械 域的新標(biāo)準(zhǔn)。利用該概念 開(kāi)發(fā)出來(lái)的第三代機(jī)械 品 件能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn) 全過(guò)程集成到一起，讓所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作， 即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。 6 司在 臺(tái)上開(kāi)發(fā)的三維機(jī)械 統(tǒng)。它以三維設(shè)計(jì) 為基礎(chǔ)，集設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)到制造 一體化的解決方案。 7 統(tǒng)是以色列 司的 品，是較 早在微機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)三維 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(shù)控加工，各種通用、專用數(shù) 據(jù)接口以及集成化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。 統(tǒng)自從 80 年代進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，在國(guó)際上的模具制造業(yè) 備受歡迎。近年來(lái)， 司為了在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域發(fā)展，著力增加了許 多適合設(shè)計(jì)的功能模塊，每年都有 新版本推出，市場(chǎng)銷售份額增長(zhǎng)很快。 8. 真正 件。它不是將工作站軟件生硬地搬到 0 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 平臺(tái)上，而是充分利用 于組件對(duì)象模型 (先進(jìn)技術(shù)重寫代碼。 容，與 術(shù)兼容，這使得 設(shè)計(jì)師們?cè)谑褂?統(tǒng)時(shí)，能夠進(jìn)行 字處理、電子報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù) 操作等。 有友好的用戶界面，它采用一種稱為 界面 技術(shù)，用戶只要按下一個(gè)命令按鈕，既可以在 看到該命令的 具體的內(nèi)容和詳細(xì)的步驟，同時(shí)在狀態(tài)條上提示用戶下一步該做什么。 基于參數(shù)和特征實(shí)體造型的新一代機(jī)械設(shè)計(jì) 統(tǒng)，它是 為設(shè)計(jì)人員專門開(kāi)發(fā)的，易于理解和操作的實(shí)體造型系統(tǒng)。 9. 美國(guó) 司開(kāi)發(fā)的 件。該公司是國(guó)際上著名的機(jī)械 司，在全球范圍享有盛譽(yù)，國(guó)外許多著名公司， 如波音、索尼、 三星、現(xiàn)代、福特等公司均是 司的大客戶和合作伙伴。 高度集成化的 件系統(tǒng)。它幫助工 程師以極高的效率，在單一數(shù)字模型中完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真分析、測(cè)試直 至數(shù)控加工的產(chǎn)品的研發(fā)全過(guò)程。 全世界制造業(yè)用戶廣泛應(yīng)用的大 型 件。 體化技術(shù)方面一直雄居世界榜首，軟件內(nèi)含諸如結(jié)構(gòu) 分析、熱力分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、耐久性分析等真正提高產(chǎn)品性能的高級(jí)分析功 能。 是全球最大的專業(yè) 件生產(chǎn)廠商。 業(yè)的 頂級(jí)產(chǎn)品。 以方便地仿真刀具及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，可以從簡(jiǎn)單的 2 軸、 加工到以 7 軸 5 聯(lián)動(dòng)方式來(lái)加工極為復(fù)雜的工件表面，并可以對(duì)數(shù)控 加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制和優(yōu)化。 本研究使用的三維建模軟件是 件，通過(guò) 件的建模，為 動(dòng) 分析提供了一個(gè)更方便，更高效的平臺(tái) 。 于 四自由度 A 機(jī)器人的建模及裝配 自由度 器人的建模概括 建立幾何 模型對(duì)于有限元分析來(lái)說(shuō)非常重要 ,只有建立良好的幾何模型 11 5 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 才能使建立有限元模型的后續(xù)步驟順利進(jìn)行 (有限元網(wǎng)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 件 如 E 等 ,或使用有限元軟件如 身所帶的建模功能（本 文使用 行建模）。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是十分復(fù)雜的 ,如果完全按實(shí)物建立 有限元模型 ,實(shí)際上是不必要的 ,有時(shí)甚至是不可能的 ,因此在建立有限元模 型時(shí) ,常常需要 將實(shí)體模型作一些處理。 (1) 忽略不必要的細(xì)節(jié)特征 細(xì)節(jié)特征就是將對(duì)應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征 ,諸如倒角和小 孔等 ,它們需要很多單元構(gòu)建 ,為了提高計(jì)算效率 ,可以忽略這些特征 ,以減少 計(jì)算量和求解時(shí)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(shí)，能夠?yàn)橐院蟮挠邢拊治鎏峁┍憷?。?往往要頻繁使用草圖 功能 ,因而應(yīng)構(gòu)造盡可能簡(jiǎn)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(jiǎn)單組合。在進(jìn)行有限元分析時(shí) , 取消這些無(wú)關(guān)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(shí) ,完全可以不表達(dá)這些特征。但在忽略這些特征時(shí) , 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 ,每個(gè)特征都可以被分配到 256 個(gè)層中的任意一個(gè)。在三維建模 時(shí)有計(jì)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(shè)計(jì)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 。 自由度 器人的建模過(guò)程 根據(jù)實(shí)際測(cè)量尺寸繪制四自由度 器人的各個(gè)零件 三維圖。零件圖 的繪制是最終繪制裝配圖的基礎(chǔ)， 件的裝配圖是由各個(gè)零件圖裝配而成。 執(zhí)行【開(kāi)始】 -【程序】 -【 令，啟動(dòng) 統(tǒng)進(jìn)入主界面。 新建或打開(kāi)一個(gè)文件后，系統(tǒng)將進(jìn)入 基礎(chǔ)工作界面。該界面 是其他各應(yīng)用模塊的基礎(chǔ)平臺(tái)。 通過(guò)選擇【應(yīng)用】下拉菜單中的命令，可進(jìn)入各向光的應(yīng)用模塊。 執(zhí)行【應(yīng)用】 -【建?！棵?，系統(tǒng)進(jìn)入建模模塊工作界面，其中主要包 括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、提示欄、狀態(tài)欄工作區(qū)和坐標(biāo)系。 12 6 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 標(biāo)題欄：在標(biāo)題欄中顯示軟件名稱及版本號(hào)，以及當(dāng)前正在工作的部件 文件名稱。如果修改了部件，但還沒(méi)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(shè)置選項(xiàng) 都可以在相應(yīng)的下拉菜單中找到。系統(tǒng)菜單項(xiàng)中包括文件、編輯、視圖、插 入、工具、格式、裝配、坐標(biāo)系、信息、分析、預(yù)設(shè)置、應(yīng)用、窗口、和幫 助。 工具欄：對(duì)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(duì)應(yīng)不同的命令。 提示欄： 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： 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(biāo)系：坐標(biāo)系表示建模的方位信息 。 如下圖為四自由度 器人零部件的三維建模圖形。 圖 2座實(shí)體模 13 7 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 圖 2節(jié) 1 實(shí)體模型 圖 2節(jié) 2 實(shí)體模型 14 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 圖 2節(jié) 3 實(shí)體模型 圖 2節(jié)四實(shí)體模型 15 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 圖 2珠絲杠實(shí)體模型 圖 2械手實(shí)體模型 16 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 四自由度 器人運(yùn)動(dòng)仿真分析 于 四自由度 器 人裝配 X 的裝配功能模塊是集成環(huán)境中的一個(gè)應(yīng)用模塊。裝 配建模不僅能 快速地將零部件組合成產(chǎn)品，而 且在裝配中，可以參照其它部件進(jìn)行部件關(guān) 聯(lián)設(shè)計(jì)，并可以對(duì)裝配模型進(jìn)行干涉檢查、間隙分析和重量管理等操作。裝 配模型產(chǎn)生后，可以建立爆炸視圖，也可以生成裝配和拆卸動(dòng)畫。 新建一個(gè)裝配部件或打開(kāi)一個(gè)存在的裝配文件，在 “ 起始”菜 單中勾 選“ 裝配 (選項(xiàng)，可以啟動(dòng)裝配環(huán)境。裝配的下拉菜單和工具 條如圖 2示。 圖 2配的下拉菜單和工具條