并联机器人机构运动仿真

并联机器人机构运动仿真,让我们看看以下，中国工业协会唯一指定模具设计基地---科技，将为您作详细的介绍。

 　     1引言

    
    机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析。它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机的建造及仿真，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短开发周期。
    
    并联机器人机构是近二十多年来发展起来的一种机器人种类。它与串联机器人(即工业机器人)相比，具有刚度大、结构稳定、承载能力大、精度高、速度和加速度高、位置反解容易等诸多特点，与串联机器人形成互补，应用领域前景广阔。目前，国内外研究并联机器人机构多集中在3自由度(三平移)和六自由度并联机器人机构，而3自由度(至少具有一个转动),4和5自由度的并联机构的研究比较少。主要原因是受并联机构的各分支链相同和对称的影响。但是研究表明在先进制造装备的研发领域看好3、4和5自由度的并联机器人机构，如以机器人工作台为应用背景的具有3,4,5自由度的并联机构。
    
    本文就一种新型四自由度并联机器人机构的理论分析后，运用虚拟样机技术，在SolidWorks软件平台上构建该并联机器人机构模型，得到其运动特性曲线，为进行工程分析、设计优化和最终的实际样机的试制奠定了基础，为其他结构形式的并联机构虚拟样机的设计提供参考。
    
    2四自由度并联机器人机构
    
    平行滑块式四自由度并联机构，其中的两条腿由固定长度的杆一端通过球铰（s）与滑块连接，另一端通过球铰（s）与动平台连接;另外两条腿由固定长度的杆一端通过转动副(R)与滑块连接，另一端通过两个互相垂直的转动副(R)与动平台连接。滑块由滚珠丝杠副驱动，组成平行移动副，4个移动副分布在一个平面内。平行滑块式四自由度并联机构见图1，图2为计算模型图。四自由度并联机构的结构参数有动平台的球铰分布参数CD= m ,BC=n，平行导轨间的距离S，杆长Li(i=1,2,3,4)，导轨的长度L。四自由度并联机构包括杆、定平台和动平台平台共10个杆件，连接这10个杆件的有12个运动副。该种并联结构的结构设计及驱动控制等均可按常规机电技术进行设计和安装。如在动平台上安装动刀头和，即可以作为并联结构的虚拟轴数控机床;如在动平台上安装测头即可以作为并联坐标测量机的执行机构。

    
    3并联机构的参数化实体建模
    
    3.1 SolidWorks设计环境
    
    建立并联机构的实体模型是对其进行仿真和分析的前提，当完成总体设计、概念设计和尺度综合后，可在三维机械CAD软件SolidWorks平台下按照机构的实际尺寸进行样机实体建模。整个建模过程采用自下而上和并行工程的建模策略，分两个层面完成。第一层面按照零件的实际设计尺寸对零件个休造型，第二个层面根据Teamwork的思想，利用三维CAD软件的自动管理文档功能实时监控样机的设计过程，并模拟机构实际装配过程进行机构零部件的装配，还可利用三维CAD软件的渲染功能对3D模型进行色彩、材质、纹理、光照处理，以增强虚拟样机的真实感。
    
    同时SolidWorks软件具有以下几个功能:
    
    1)全参数化特征实体建模，以便于进行设计中的结构设计修改;
    2)运动部件之间的干涉检查;
    3)可靠的工程分析数据转换，可以在设计环境中与工程分析软件链接，结构尺寸参数等的设计更改可以直接与工程分析关联，使设计和分析做到平行一致;
    4)3D模型与2D工程图全相关，确保虚拟样机设计中数据的一致性。
    
    SolidWorks所以5olidWorks软件具有满足并联机构虚拟样机参数化设计的要求。

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    3.2 COSMOSMotion软件的特点
    
    SolidWorksCO5MOSMotion是一个全功能运动仿真软件，与当今主流的三维CAD软件SolidWorks无缝集成，可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各零部件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等。并以动画、图形、表格等多种形式输出结果，还可将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中，从而进行正确的强度和结构分析。
    
    3.3三维机械CAD软件SolidWorks的API
    
    SolidWorks三维机械CAD软件SolidWorks有API( Application Programming Interface) ,API是一个基于OLE Atomation的编程接口，包含了数以百计的功能函数，这些函数为程序员提供了直接访问三维机械CAD软件的能力，可以被VB,C/C ++，宏文件等编程语言调用，以便对三维CAD软件进行二次开发。
    
    3.4样机模型的参数化设计
    
    SolidWorks在实际的设计研究过程中，对虚拟样机进行建模、仿真分析和数据处理后，还要对虚拟样机作进一步的深人分析。用人工的方式对虚拟样机进行多次修改，然后进行反复的仿真分析和数据处理，最终可以得到满意的虚拟样机模型。但是，这种分析方法需要进行大量的重复工作，而且最终的分析结果未必是最佳结果。事实上，利用SolidWorks的API编程接口，可以将参数设置为可以改变的变量。在分析过程中，只需改变样机模型中驱动参数值，程序就可以自动地更新整个样机模型。
    
    SolidWorks在最初的仿真分析建模时，不必过分追求构件几何形体的细节部分同实际构件完全一致，因为这往往需要花费大量的几何建模时间，而此时的关键是能够顺利地进行仿真并获得初步结果，从程序的求解原理来看，只要仿真构件几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果是等价的。待获得满意的仿真分析结果以后，再完善构件几何形体的细节部分和视觉效果。这就存在着一个模型简化的过程，即将现实机构分解为SolidWorks的基本元素。
    
    因此，这里在建立并联机构的3D模型时对结构进行了简化，忽略了机座上的螺钉、导轨等的安装细节，把它们看作是一个整体，通称为机座，这样并不影响关键的仿真结果，整个并联机构的3D虚拟设计模型如图3所示。

    
    3.5静态干涉检查
    
    SolidWorks样机模型形成以后，可直接在装配体环境卜对样目机进行检查，以确定结构参数是否合理，各零部件之间是否存在十涉。点击工具/干涉检查或即可对样机进行干涉检查并显示干涉结果(如图4所示)，同时装配体的干涉部位会以透明形式显示(如图5所示)。根据检查的结果对样机的尺寸进行反复修改直到满意为止，有的微小的干涉可忽略不计。

    
    4运动学仿真
    
    SolidWorks运动学仿真的目的是通过考察各铰链及各部件的相对运动状态，检验支链是否发生于涉，考察和评价系统的速度和加速度特性。并联机构的运动学是目前并联机构学中研究的重点，其主要研究内容有机构的位置、速度、加速度分析。

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    4.1仿真步骤和结果
    
    SolidWorks建好三维模型后，在装配模块下直接进入仿真环境。在进行仿真之前，应先进行与仿真相关的基本参数设置，如力的单位、时问单位，重力加速度大小，以及与动画有关的帧时间间隔及帧数等。例如，在本机构的仿真中，设置力的单位是N，时间的单位是s，设置机构运动仿真动画参数为10s,100帧，模拟结果以动画形式在计算机屏幕演示(根据仿真精度要求适当调节时间间隔和帧数)。利用SolidWorks插件工具COS-MOSMotion的智能运动构建器，把机座进行固定。
    
    COSMOSMotion可以自动识别SolidWorks装配体零件之间的约束副，也可以在COSMOSMotion中进行定义。本机构中的是转动副、移动副和球副，如图6中的约束标记所示。然后设置主动副的运动初始状态和运动参数，本例中v1=v2=v3=v4=4mm/s分别作用于四个滑块上。
 

   
    SolidWorks上述内容设置完毕就可以通过点击仿真按钮进行仿真，而且系统还可以录制动画，并生成动画文件，以便于进行对比分析。在仿真过程中可以测量任何构件上任何点位移、速度和加速度，还可以计算约束副之间的支反力。在给定的运动参数下进行仿真可以直观地获得运动平台的位姿、工作空间以及运动、动力特性。图7为该并联机构动平台形心处的运动特性曲线。
    
    4.2动态干涉检查和模型的改进
    
    SolidWorks通过运动仿真分析发现零件存在干涉后，可以直接在装配体环境下修改发生干涉的零件，而且装配体零件中的修改可以直接反映在零件模型上，实现模型动态交互更新。修改后的模型，再次进行运动仿真，干涉现象消失了。这样才能保证在空间运动过程中，各个零件不发生碰撞干涉，帮助用户提高装配时选择零件的效率，减少因为错误组装而导致运动时，零件由于发生碰撞对零件的损坏。
    
    5结束语
    
    1)该新型四自由度并联机构特点:
    
    ①机构动平台可实现四自由度(二平移、二转动)运动输出;
    
    ②机构较简单，具有重量轻、刚度好、稳定性高、可高速运动等优点;
    
    ③运动输人一输出具有部分解耦性;
    
    ④采用球副和低副，可使机构制造、安装较为简单，利于精密加工。
    
    2)通过以上的仿真方法和实例，可以看出SolidWorks软件具有方便、易用等特点，进行虚拟样机运动学的仿真，能使设计人员直观地看到机构动平台的的运动过程，可以得到许多试验难以得到的仿真结果，从而可以交互式地进行结构参数的调整和改进，为新的设计方法提供了良好的途径。通过动态仿真技术，可以及早发现设计中的错误，极大地提高了经济效益。实践表明基于SolidWorks软件的虚拟设计和动态仿真技术在并联机构虚拟样机的设计中具有良好的应用前景。
    
    3)应用软件可以把并联机构建模仿真、运动学计算、动力学计算、参数化设计等几个方面的工作有机地结合起来，充分体现了虚拟样机技术的先进思想，从而大大提高了工作效率，降低了开发成本，为并联机构的一次性研制成功提供了可靠保证，为我们应用虚拟样机技术进行并联机构的设计提供了一条新的思路。