四自由度SCARA机器人运动仿真分析毕业设计论文

四自由度 SCARA 机器人运动仿真分析摘要随着生产力水平和科学技术的日益进步，机器人在工业生产中的应用越来越广泛。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机构学、运动学、零件建模、仿真和运动控制，是一项综合性的有实用价值的研究课题。本课题以四自由度 SCARA 机器人为研究对象，基于 ADAMS 软件对其进行了运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等方面的进行研究。本课题建立了四自由度 SCARA 机器人整体的模型，并建立了末端机械手的运动学方程，理论分析了其末端机械手的位姿和速度、加速度。从理论对机器人的运动学规律进行研究。利用 ADAMS 对机器人做了运动学和动力学仿真，得到了机器人末端机械手的速度、加速度、位移和力矩参数。仿真分析结果可以为四自由度 SCARA 机器人设计起到支持作用。机器人仿真分析的应用对于提高工业产品的品质，降低产品开发和生产成本具有很大的作用。关键词：四自由度 SCARA 机器人；运动学分析；动力学分析；仿真；ADAMSIIAbstractWith the increasing levels of productivity and science and technology progress, robot applications have become more and more widely used in industrial production. As being a very important aspect of robots, robot simulation which involves mechanism, kinematics, part modeling, simulation and motion control, is a comprehensive subject of practical value. Based on ADAMS software，the paper researched the exercise space, working trajectory, movement velocity, acceleration and transfer torque of a four-DOF SCARA robot.The subject established the model of a four-DOF SCARA robot and set up the end of the robot manipulator kinematics equations. The paper analyzed the position-postures, velocity and acceleration of the robot in theory. At the same time the kinematics law of the robot was studied. In addition, the model was stimulated by software ADAMS to analyze in kinematics and dynamics. Finally the end of the robot manipulator parameters such as velocity, acceleration, displacement, torque was gained.Simulation and analysis results can offer support references to the design ofthe robot. Application of robot simulation for improving the quality of industrial products, reducing product development and production costs have played a very big role.Keywords: four-DOF SCARA robot; kinematics analysis; dynamics analysis; Simulation; ADAMS目录IV第一章绪论11.1 课题背景11.2 研究意义21.3 机械系统动态仿真技术发展概况21.3.1 机械系统动态仿真技术概论21.3.2 机械系统动态仿真技术国内外应用现状31.3.3 ADAM S 在机械系统分析中的应用现状和研究现状41.4 课题主要研究的内容5第二章 四自由度SCARA 机器人的基本结构及建模72.1 四自由度SCARA 机器人基本规格72.2 三维建模软件的基本介绍82.3 基于UG 的四自由度SCARA 机器人的建模及装配112.3.1 四自由度SCARA 机器人的建模概括112.3.2 四自由度SCARA 机器人的建模过程122.4 基于 UG 的四自由度SCARA 机器人装配172.5 本章小结19第三章 四自由度SCARA 机器人的数学模型及分析203.1 四自由度SCARA 机器人的D-H 描述203.1.1 四自由度SCARA 机器人位姿方程的正解213.1.2 四自由度SCARA 机器人位姿方程的逆解223.2 四自由度SCARA 机器人速度加速度的求解233.3 基于matlab 的速度分析243.3 本章小结26第四章 四自由度SCARA 机器人动态仿真分析274.1 机械系统动态仿真分析软件介绍274.2 四自由度SCARA 机器人的运动学模拟及仿真294.2.1 机器人的ADAMS 模型294.2.2 基于ADAMS 的机器人运动学仿真374.3 基于ADAMS 的机器人的动力学模拟及仿真464.4 本章小结51第五章 结论与展望525.1 结论525.2 技术经济分析报告545.2.1 技术可行性分析545.2.2 经济优越性分析545.3 进一步研究展望54参考文献56致谢58声明59第一章绪论1.1 课题背景随着生产力水平和科学技术的日益进步，在机器人的研究中,建模仿真、运动学计算、动力学计算、优化设计等几个方面的工作非常重要同时工作量又都很大,常见的工作方式是采用不同的软件分别处理,当参数有变动时上述几项工作的改动量很大,非常不灵活,利用Adams 这一优秀软件可将这几项工作有机地结合在一起,从而大大提高工作效率。因此，这是一项综合性的有实用价值的研究课题1。机械系统动力学仿真分析技术是当前设计制造领域的一门新兴技术 ,该技术在计算机上通过 CAD/ CAM/ CAE等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境 ,在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。机器人仿真是机器人研究中的重要环节 ,可应用于机器人运动学、动力学分析 ,轨迹和路径规划 ,机器人与工作环境的相互作用 ,离线编程等方面。随着目前虚拟制造及数字化制造等先进制造技术的发展 ,机器人仿真也成为围绕产品生命周期的整个数字化设计、验证及制造环境的重要组成部分。研究与开发机器人虚拟样机系统 ,可以在虚拟环境中完成以上方面的研究工作 , 为机器人研究及先进制造技术的发展提供新的手段。机械系统动力学仿真分析软件ADAMS 最初由美国公司MD I 公司开发, 是目前最著名的虚拟样机分析软件。ADAMS 是以多体系统动力学理论为基础开发出的大型机械系统仿真分析软件, 使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库等, 能够创建完全参数化的机械系统动力学模型 ，并能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析2。本研究从机器人运动学和动力学参数设计角度出发 ,利用动力学仿真软件 ADAMS 建立了一套完整的设计过程的方法 ,在进行运动学和动力学仿真过程中,采用无路径的搜索方法 ,在全部的机器人工作空间内进行搜索,最终求取机器人关节的力矩极限值。与以往的简化设计方法相比 ,提高了机器人系统的设计精度 ,很好地解决了机器人本体设计中参数无法精确确定的难题 , 因此对于快速、准确地开发机器人本体、提高机器人性能具有重要意义。16本研究主要利用 ADAMS 的通用建模功能,结合关节型机器人的特点,将动力学分析中的参数选择、求解、运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等作为仿真目标,做出运动仿真分析。1.2 研究意义本研究针对四自由度SCARA 机器人在实际空间中运动轨迹、运动的速度、力和力矩以及可达空间等问题,利用 ADAMS 软件对其进行动态仿真分析,模拟了四自由度SCARA 机器人在实际空间中运动位置变化的全过程,仿真出四自由度 SCARA 机器人在运动中的动力学和运动学的运动状态。实现了缩短设计周期、降低设计成本、预先评估设计等作用和功效。实际操作中,为防止生产出的物理样机无法达到预期的要求提供了有力依据,对机器人的结构设计以及机器人力学的研究具有一定指导意义。机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的函数进行分析研究,而不考虑引起这些运动的力和力矩。机器人的运动学分析的是机器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。在机器人控制中运动学分析占有非常重要的地位。在位姿分析的基础之上,运用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS 对虚拟机械系统进行运动学分析,分别以时间和速度为变量进行仿真,得出了位移、速度和加速度的曲线。本次研究四自由度 SCARA 机器人将利用 ADAMS 软件对其进行动态分析， 而且能为机器人的实体开发提供可靠的数据，降低了开发的成本和失败的风险，不仅效率高，质量好，而且能节省大量人力劳动，还可避免一些不必要的损失和浪费。作为一种工业化机器人，其应用与发展必将给人类带来巨大的经济与社会效益。1.3 机械系统动态仿真技术发展概况1.3.1 机械系统动态仿真技术概论机械系统动态仿真技术， 也叫虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technolo2gy,简称 VPT)。它是一种全新的机械设计方法，作为一项计算机辅助工程(CAE)技术于上个世纪 80 年代随着计算机技术的发展而出现，在 90年代特别是进入 21 世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。1.3.2 机械系统动态仿真技术国内外应用现状1. 机械系统动态仿真技术国内应用现状在国内，虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段，主要是引用国外的先进技术。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863 项目 “月球表面探测机器人方案研究” 则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究，取得了很好的成果。各研究院所纷纷开展虚拟样机技术在汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等方面的应用研究、仿真分析及二次开发。通过对虚拟样机各关键技术的深入研究,必将促进虚拟样机技术的推广应用，增强我国企业的产品开发能力。2. 机械系统动态仿真技术国外应用现状在国外，虚拟样机技术的应用在美国非常广泛。我们熟知波音 777 飞机是世界上首架以无纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期(8 年缩短为 5 年)大大缩短， 研发成本大大降低(设计费用降低 94 %，设计更改降低 93 %)，而且确保了最终产品一次装机成功。波音西科斯基公司在设计 RAH266 直升飞机时，使用了全方位仿真的方法进行设计和验证，花费 4590h 的仿真测试时间，节省了11590h 的飞行测试。1997 年 7 月 4 日，美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(J PL)由于采用了虚拟样机技术，成功地实现了火星探测器“探路号” 在火星上的软着陆。在探测器发射以前，J PL 的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后 6 轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。约翰迪尔(John Deere)是一家具有 160 多年历史、并在世界农业机械、建筑机械领域处于领先地位的世界 500 强企业，总部设在美国伊利诺伊州。迪尔公司也是全球柴油发动机大型生产商之一。为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒是建筑机械、 矿用设备、 柴油和天然气发动机以及工业用燃气轮机领域的技术领导者和全球领先的制造商之一。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师们采用了虚拟样机技术，对装载机和挖掘机的工作装置进行了优化设计及分析，在一天的时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动和受力分析。通用动力公司 1997 年建成了第一个全数字化机车虚拟样机 ,并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。福特某一款新车型采用虚拟样机技术，缩短设计周期 70 天。全公司内采用 VPT，减少设计费用 4 000 万美元，节省制造费用 10 亿美元。为了减少大型洗衣机的振动，Pellerin Milnor Corporation (洗衣机设备制造商)用Adams 建立了 3 种洗衣机的虚拟样机，然后修改设计方案，改变弹簧的刚度和阻尼，选用不同类型的减震器，变换衬套的尺寸和刚度，进行虚拟样机仿真试验。每个设计方案的仿真只需 1h，但此后的物理样机实验证明与虚拟样机的吻合程度超过 95%。在此基础上，开发的新型洗衣机工作平稳,寿命长，振动噪声小。日产公司是日本的第二大汽车公司，也是世界 10 大汽车公司之一。该公司除生产各型汽车外，还涉足机床、工程机械、造船和航天技术领域。日产汽车公司利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。在意大利，一位赛车手在赛车中因事故丧生，其家属起诉赛车制造商， 认为事故的原因是赛车的设计缺陷，要求巨额赔偿。制造商借助于虚拟样机技术，说明赛车设计合理 ,事故原因是赛车手操纵不当。法庭根据 VPT 提供的证据，做出了客观的判决3。1.3.3 ADAM S 在机械系统分析中的应用现状和研究现状机械系统动力学仿真分析软件ADAMS 最初由美国公司MD I 公司开发, 是目前最著名的虚拟样机分析软件。ADAMS 是以多体系统动力学理论为基础开发出的大型机械系统仿真分析软件, 使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库。能够创建完全参数化的机械系统动力学模型 。通过 ADAMS 以上模块, 可以建立包括机-电- 液一体化在内的任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型, 并能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。ADAMS 软件的真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等, 当前 ADAMS 已经广泛应用于多个工业领域。目前, ADAMS 广泛应用在航空航天 、汽车制造 、造船 、机器人 及其它多种工业机械 , 并取得了很好的社会经济效益。世界最先进的包装机械制造商 Pure- Pak 的工程师们利用 ADAMS 成功的设计并试验饮料加注系统的单向阀; 美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现了火星探测器(探路号)在火星上的软着陆, JPL 工程师利用 ADAMS 等虚拟样机技术仿真研究了宇宙飞船在不同阶段的工作过程; 国航天部上海航天局第 805 研究所利用 ADAMS, 完成了国家高技术项目 空间站两自由度大面积柔性太阳池阵!动力学仿真研究。在我国, 自从北京吉普汽车公司曾经利用 ADAMDS 成功开发了 BJ2022 第二代车型。ADAMS 软件更广泛的应用于复杂机构或复杂机械系统的研究, 比如汽车的几乎所有总成、多级轮系、并联机床、电梯、起重机械、农业机械等复杂机械系统。这些研究采用的方法大多是在建立了系统模型的基础上利ADAMS 的仿真分析功能对系统的动力学进行分析, 绝大部分是利用 ADAMS 对某一具体机械系统进行分析, 而对 ADAMS 进行创新性的应用研究或功能拓展型的研究较少。1.4 课题主要研究的内容本课题主要用ADAMS 对四自由度SCARA 机器人进行运动学及动力学分析， 对其运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等进行研究，验证四自由度 SCARA 机器人的工作过程轨迹、可达空间，分析该机器人工作进程中的运动速度和加速度，并对近一步优化提出可行意见。1.研究的基本内容如下：（1) 利用UG 对四自由度SCARA 机器人进行建模,然后导入到ADAMS 软件中，对四自由度 SCARA 机器人运动学和动力学进行仿真分析，最终得到机器人各关节的动力学参数。（2) 深入学习应用ADAMS 软件建立动力学模型的方法，并且建立与实际四自由度 SCARA 机器人系统结构相对应的动力学模型，研究四自由度 SCARA 机器人的运动轨迹，分析机器人工作过程的运动速度、加速度和可达空间。（3) 通过所给参数研究机器人末端可达到的最大速度，为物理样机提供数据。（4）机器人末端载物和不载物，来分析机器人的力矩变化，为样机提供数据。第二章 四自由度 SCARA 机器人的基本结构及建模2.1 四自由度 SCARA 机器人基本规格SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。1978 年，日本山梨大学牧野洋发明 SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度，(包括 X,Y,Z 方向的平动自由度和绕 Z 轴的转动自由度)。该系列的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。SCARA 系统在 x，y 方向上具有顺从性，而在 Z 轴方向具有良好的刚度， 此特性特别适合于装配工作，例如将一个圆头针插入一个圆孔，故 SCARA 系统首先大量用于装配印刷电路板和电子零部件；SCARA 的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等。如今 SCARA 机器人还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第 一个轴和第二个轴都具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的 不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移 动的特性。由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域 4。如图 2-1 为四自由度SCARA 机器人实物图，表 2-1 为其技术参数。图 2-1 四自由度 SCARA 机器人实物图表 2-1 四自由度 SCARA 机器人的技术参数要求动作范围最大速度安装环境机构形态平面关节式自由度4负载能力2 Kg关节转动-110 +110关节转动-90 +90 关节升降0150mm关节转动0360关节转动180o /S关节转动360o /S关节升降150mm/S关节转动360o /S最大展开半径600mm高 度680mm本体重量48Kg温度0+45oC湿度2080%不结露振动0.5G 以下避免易燃、腐蚀性气体、液体其它勿溅水、油、粉尘等勿接近电器噪声源操作方式示教再现/编程电源容量单相 220V 50Hz 8A2.2 三维建模软件的基本介绍1. CATIACATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。 是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。在70年代DassaultAviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993 年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。V5版本的开发开始于1994年。为了使软件能够易学易用，Dassault System 于94 年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。2. Solid WorksSolid works是生信国际有限公司推出的基于windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/PDM 市场同步。该公司提倡的“ 基于windows 的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”是以windows为平台，以solid works为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等， 为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。Solid works是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1/41/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。Solid works是基于windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。3. UGUG是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中ug作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月Unigraphics solutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的solidedge软件统一到parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端， 兼有unix 工作站版和windowsnt 微机版的较完善的企CAD/CAM/CAE/PDM集成系统。4. AutoCADautocad是autodesk公司的主导产品。autodesk公司是世界第四大pc软件公司。目前在cad/cae/cam工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于pc平台的cad和动画及可视化软件企业。autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及web网的数据开发等重大领域。5. Pro/Engineerpro/engineer系统是美国参数技术公司的产品。ptc公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械cad/cae/cam的传统观念， 这种全新的概念已成为当今世界机械cad/cae/cam领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械cad/cae/cam产品pro/engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作， 即实现所谓的并行工程。6. MDTmdt是autodesk公司在pc平台上开发的三维机械cad系统。它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。7. Cimatroncimatroncad/cam系统是以色列cimatron公司的cad/cam/pdm产品，是较早在微机平台上实现三维cad/cam全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。cimatroncad/cam系统自从80年代进入市场以来，在国际上的模具制造业备受欢迎。近年来，cimatron公司为了在设计制造领域发展，着力增加了许多适合设计的功能模块，每年都有新版本推出，市场销售份额增长很快。8. Solidedgesolidedge是真正windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到windows22平台上，而是充分利用windows基于组件对象模型(com)的先进技术重写代码。solidedge与Microsoft Office兼容，与windows的ole技术兼容，这使得设计师们在使用cad系统时，能够进行wind ows下字处理、电子报表、数据库操作等。solid edge具有友好的用户界面，它采用一种称为smart ribbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在smart ribbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。solidedge是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计cad系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。9. I-deasideas是美国sdrc公司开发的cad/cam软件。该公司是国际上著名的机械cad/cae/cam公司，在全球范围享有盛誉，国外许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是sdrc公司的大客户和合作伙伴。i-deasmasterseries5是高度集成化的cad/cae/cam软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品的研发全过程。i-deas是全世界制造业用户广泛应用的大型cad/cae/cam软件。i-deas在cad/cae一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。sdrc也是全球最大的专业cam软件生产厂商。i-deascamand是cam行业的顶级产品。i-deascamand可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2 轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。本研究使用的三维建模软件是UG软件，通过UG软件的建模，为ADAMS运动分析提供了一个更方便，更高效的平台5。2.3 基于 UG 的四自由度 SCARA 机器人的建模及装配2.3.1 四自由度SCARA 机器人的建模概括建立几何模型对于有限元分析来说非常重要,只有建立良好的几何模型才能使建立有限元模型的后续步骤顺利进行(有限元网格的划分、材料和物理特性的定义以及边界条件的施加等) 。建立几何模型,可以使用三维CAD 软件如UG、Pro /E等,或使用有限元软件如MSC. Pat ran自身所带的建模功能（本文使用UG进行建模）。由于实际结构往往是十分复杂的,如果完全按实物建立有限元模型,实际上是不必要的,有时甚至是不可能的,因此在建立有限元模型时,常常需要将实体模型作一些处理。(1) 忽略不必要的细节特征细节特征就是将对应力分布只产生较小局部影响的特征,诸如倒角和小孔等,它们需要很多单元构建,为了提高计算效率,可以忽略这些特征,以减少计算量和求解时间。几何模型往往并不是纯粹为了有限元分析而建立的,这就要求在建立几何模型时，能够为以后的有限元分析提供便利。在UG中往往要频繁使用草图功能,因而应构造尽可能简单的草图几何,能用三维的边圆角完成的,就不要画在草图中,尽可能使草图几何为若干直线的简单组合。在进行有限元分析时, 取消这些无关紧要的倒圆、倒角、孔等特征,不必重新修改草图。在满足后续各种分析的前提下建模时,完全可以不表达这些特征。但在忽略这些特征时, 要考虑这些特征是否仅仅是由于工艺上需要而存在的,否则就不可取消。(2) 层的合理利用在 UG 中,每个特征都可以被分配到 256 个层中的任意一个。在三维建模时有计划地把某一类特征分配在特定的一些层中,这样就可直接从设计模型中方便地提取分析模型,做出符合工程要求的几何模型6。2.3.2 四自由度SCARA 机器人的建模过程根据实际测量尺寸绘制四自由度SCARA机器人的各个零件三维图。零件图的绘制是最终绘制装配图的基础，UG软件的装配图是由各个零件图装配而成。执行【开始】-【程序】-【NX4.0】命令，启动UG NX4.0系统进入主界面。新建或打开一个文件后，系统将进入UG NX4.0的基础工作界面。该界面是其他各应用模块的基础平台。通过选择【应用】下拉菜单中的命令，可进入各向光的应用模块。执行【应用】-【建模】命令，系统进入建模模块工作界面，其中主要包括标题栏、菜单栏、工具栏、提示栏、状态栏工作区和坐标系。标题栏：在标题栏中显示软件名称及版本号，以及当前正在工作的部件文件名称。如果修改了部件，但还没有保存，则在文件名后显示“（修改的）”菜单栏：菜单栏中包括 了软件的主要功能，系统所有的命令和设置选项都可以在相应的下拉菜单中找到。系统菜单项中包括文件、编辑、视图、插入、工具、格式、装配、坐标系、信息、分析、预设置、应用、窗口、和帮助。工具栏：对于一些常用的命令和操作，为避免用户频繁地在菜单中寻找命令，更方便用户使用，系统提供了各类工具栏。工具栏中的按钮都以图形的方式形象的表示出命令的功能，它们分别对应不同的命令。提示栏：UG NX4.0的提示栏固定在工作界面的左上方，用于提示用户下一步如何操作。状态栏：UG NX4.0的状态栏固定在工作界面的右上方，用于显示系统状态。工作区：工作区也可称为图形界面或图形窗口，是工作的主要区域。坐标系：坐标系表示建模的方位信息7。如下图为四自由度SCARA 机器人零部件的三维建模图形。图 2-2 底座实体模图 2-3 关节 1 实体模型图 2-4 关节 2 实体模型图 2-5 关节 3 实体模型图 2-6 关节四实体模型图 2-7 滚珠丝杠实体模型图 2-8 机械手实体模型2.4 基于 UG 的四自由度 SCARA 机器人装配UG NX 的装配功能模块是集成环境中的一个应用模块。装 配建模不仅能快速地将零部件组合成产品，而且在装配中，可以参照其它部件进行部件关联设计，并可以对装配模型进行干涉检查、间隙分析和重量管理等操作。装配模型产生后，可以建立爆炸视图，也可以生成装配和拆卸动画。新建一个装配部件或打开一个存在的装配文件，在 “ 起始”菜 单中勾选“ 装配(Assemblies)”选项，可以启动装配环境。装配的下拉菜单和工具条如图 2-9 所示。图 2-9 装配的下拉菜单和工具条装配过程：（1） 选择下拉式菜单【应用】中的【装配】选项后，在图形区域的下方就会出现装配工具条。（2） 选择【添加组件】按钮，将弹出一格对话框，选择要添加的零件后，点击【确定】。（3） 在弹出的【配对条件】对话框中需要确定的【配对类型】，再选取组件相应部位进行装配约束。根据组件的形状不同，选取合适的配对类型。（4） 在【组件预览】对话框中先选择要装配组件的一个面，再在绘图工作区中选取已有的组件的一个面，完成第一个约束的定义。此时程序将显示约束后两个组件装配的自由度，也就是那些方向可以活动。（5） 需要的约束定义完成后，在【配对条件】对话框中点击【确定】按钮。完成装配。（6） 重复 2、3、4、的步骤，直到所有零件装配完成8。如图 2-10 为四自由度SCARA 机器人装配图。图 2-10 四自由度 SCARA 机器人装配图2.5 本章小结本章主要介绍了一些四自由度 SCARA 机器人的基本知识及四自由度SCARA 机器人三维建模和装配过程，这对于以后的研究将打下夯实的基础。这对于将机器人导入ADAMS 起到了承上启下的作用，意义很大。四自由度 SCARA 机器人在当今是一个十分值得研究的课题，通过本次研究能更加详细的理解其原理，以便在以后更好的应用于创新。第三章 四自由度 SCARA 机器人的数学模型及分析3.1 四自由度 SCARA 机器人的 D-H 描述四自由度SCARA机器人是一开环空间连杆机构，开链的一端固定在机座上， 另一端是自由的，安装焊枪或夹具等工具，称为末端操作器，机器人通过各 连杆的相对位置变化、速度变化和加速度变化，使得末端操作器达到空间的 不同位置，得到不同的位置、速度和加速度，从而完成期望的工作要求。机 器人的位姿方程也称为运动方程，它的建立和求解是机器人学的基本问题之 一。为了研究机器人操作臂各连杆之间的位姿关系，在每个连杆上固接一个 坐标系。则可建立如图3-1所示的D-H标架和系统坐标系。根据所建立的机器人坐标系，确定此机器人的各杆件结构参数和关节变量如表3-1所示。D-H法是为每个关节处的杆件坐标系建立44齐次变换矩阵，表示它与前一个杆件坐标系的关系。这样通过逐次变换，末端执行器可被变换并用“基础坐标”表示。一旦对全部连杆规定坐标系之后，就能够按照下列4个子变换来建立相邻两连杆i-1与i之间的相对关系，并记为矩阵M,9。图 3-1 SCARA 机器人D-H 杆件坐标系30表 3-1 SCARA 机器人的杆件参数关节liidii关节变量 qi1191001122040022300-d30d3400-5044所以机器人位姿矩阵：cscsclc0scd0001M, = scccsls3.1.1 四自由度SCARA 机器人位姿方程的正解通过位姿矩阵公式可得各相邻杆件坐标系间的位姿矩阵如下：cs0191ccs0204cM=sc0191s M=sc0204s00100010000100011000cs00001d001d00010001M = 0100 M=sc00 其中：c =cos ; s = sin ; c = cos ; s = sin 所以该机器人运动学方程为:M04=M01M12M23M34cs0191c + 204c=s0c001191s + 204sd 500001式中： c = cos （ + + ）,s = sin （ + + ）,c = cos （ + ），s = sin （ + ）3.1.2 四自由度SCARA 机器人位姿方程的逆解若已知机器人手在空间的位姿矩阵，则通用表示:noapcs0lc + lcnoap=sc0ls + lsnoap001d d d00010001由矩阵两边元素相等可知，a = a= n = o = 0，a = 1，它们均为常量。带有关节变量的函数方程有以下 5 个：c = n = o（a）S = n = o（b）lc + lc = p（c）ls + ls = p（d）d d d = p（e）由上面（a），（b）两式可得 + + = tan （ ）联立（c），（d）两式，先将其两边平方相加，即可解出c为p + p l lc =2l l于是 = cos( p + p l l)2ll将（c），（d）两式中的c，s展开可得） 也已知，即可（l + lc）c+(ls) s=p (-ls) c + (l + lc)s = p联立以上两式，由于c 已知，因此s = 1 （c得c，s为c =(l + lc)p lsp（ls） + (l + lc)s =lsp + (l + lc)p所以得到：（ls） + (l + lc) = tan （ lsp + (l + lc)p ）(l + lc)p lsp已知， 可得最后由式子（e）可得 = + tan （ n ）nd = d d p通过以上推导，最终可得机器人运动学逆解的四个关节变量的数学表达式为 = tan （ lsp + (l + lc)p ）(l + lc)p lspp + p l l = cos()2lld = d d p = tan （ n ）n上式中，c =，s = 1 （c）3.2 四自由度 SCARA 机器人速度加速度的求解1. 机器人速度的求解已知位姿矩阵，只要分别对M04 求导就可以得到速度的表达式10。所以x、y 方向位移可得：X=191c + 204c Y=191s + 204s Z=d 50所以速度：V = 191s -204s( + )V = 191c +204c( + )2. 机器人加速度的求解所以加速度:a=-191c 191s -204c + + + 204( + )s a=-191s +191c -204s + + + 204( + )c3.3 基于 mat lab 的速度分析本课题应用mat lab 软件的simulink 模块，通过速度的公式，在 simulink 中得到速度的曲线，如图 3-2、图 3-3 分别为V、V的模块图, 图 3-4、图 3-5 分别为V、V的速度图。图 3-2 V模块图图 3-3 V模块图图 3-4 x 方向的速度图 3-5 y 方向的速度3.3 本章小结本章节主要建立了正确的运动学模型,并求出了运动学方程的正解和逆解，在逆解的求解过程中只进行了一次矩阵逆乘从而使运算过程大为简化。文章中介绍到了机器人的D-H描述等数学分析方法，这些都为机器人的数学分析节省了大量的时间。第四章 四自由度 SCARA 机器人动态仿真分析4.1 机械系统动态仿真分析软件介绍由于机械系统动态仿真分析软件诸多，在这里我们简要介绍一下其中几个应用广泛、影响深远的深具代表性的软件系统，主要是实现功能虚拟样机的美国MSC公司的ADAMS和比利时LMS公司的DADS，实行有限元集成分析的美国MSC公司的NASTRAN和ANSYS。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，原由美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发，目前已被美国MSC公司收购MSC/ADAMS，是最著名的虚拟样机分析软件。它使用交互式图形环境和零件库约束库、力库，创建完全参数化的机械系统动力学模型，利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分代数方程，求解器算法稳定，对刚性问题十分有效，可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析， 后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。目前，ADAMS已在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，己经被全世界各行各业的大多制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料， ADAMS软件占据了销售总额8千万美元的51%份额。ADAMS软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块5类模块组成。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具， 其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。比利时LMS的DADS支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。在分析方面， 提供了装配分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。并且针对不同的需求，提供了多种模块，包括DADS/Basic（包括基本动力学仿真的建模、求解、后处理和动画功能）、DADS/Standard（基本模块加接触分析、液压与控制分析和用户自定义子程序功能）、DADS/Advanced（包括DADS加DADS/Flex，后者提供有限元分析接口）、DADS/Plant（提供与控制系统软件Easy5、Mat lab和Matrix耦合的动力学仿真）、DADS/Engine（发动机与动力系仿真），以及接口模块CATIA/DADS（与CATIA接口）、DADS/Pro（与Pro/E接口）、DADS/IMS（与I-DEAS接口）。MSC/NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能，MSC.NASTRAN的主要功能模块包括基本分析模块（含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等）、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP 用户开发工具模块及高级对称分析模块。MSC/NSATRAN是世界上功能最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件，能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、（噪）声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。美国ANSYS公司集成有限元分析软件系统ANSYS产品包括三个方面内容： CAE通用分析工具、CAE客户化应用及协同仿真环境开发平台和垂直应用及行业仿真工具。CAE通用分析工具主要用于虚拟样机仿真，在产品设计过程中通过仿真得到其工作性能及各种指标，相应产品包括多物理场仿真分析工具ANSYS、显式瞬态动力分析工具LS-DYNA、前期设计校验工具Design space、前后处理工具ANSYS ICEM CFD、设计优化工具DESIGNXPLORER及新一代前后处理环境ANSYS Workbench Environment。CAE客户化应用及协同仿真环境开发平台以优化设计流程为目标，以强大的分析功能和客户化应用为手段，通过捕捉专家经验、规范设计流程、高可靠性的CAD/CAE互操作技术、高效率的优化技术等大幅度缩短研发过程，相应产品为CAE开发平台ANSYS Workbench。ANSYS垂直应用及行业解决方案是在通用CAE工具的基础上，经过客户化定制， 与行业经验、行业规范、行业最佳实践等相结合，该类工具采用专业化、行业化的用户界面，配以行业数据库，将专家经验和行业规范固化于软件之中， 相应产品包括疲劳分析专用软件FE-SAFE、汽车虚拟实验场专用软件VPG、板成形仿真专用软件DYNAFORM、土木工程专用软件CIVILFEM、跌落仿真专用软件DROPTEST、高频电磁FEM法专用软件ANSYSEMAX、高频电磁MOM/PO/UTD混合法专用软件工具MEMSPRO11。4.2