1、Identify applicable sponsor/s here. (sponsors)基于运动仿真的 5 自由度工业机械手结构设计邓幼英 毕俊喜内蒙古工业大学 机械学院呼和浩特 中国王晓昱中国人民解放军装甲兵技术学院长春 中国A Mechanical Structure Design on 5-DOF Industrial Manipulator Basd on The Motion Simulation Youying Deng, Junxi Bi College of Mechanical EngineeringInner Mongolia University Technology
2、 Hohhot CXiaoyu WangArmored Technique Institute of PLAChangchun C摘要 以五自由度机械手设计为背景，介绍了利用 UG 实现机械手运动仿真的有效方法，重点分析了机械手运动模型的构建以及仿真的实现过程。对于一般的机械手运动仿真系统，该实例具有一般普遍性。关键字 -UG；机械手；三维运动仿真；自由度；伸缩机构Abstract The effective method of a simulation system of manipulator with UG based on the simulation of 3D motion for
3、 5-DOF manipulator is presented.The construction of kinetic model and the simulation process is analyzed emphatically.To the usual 3D simulation system of manipulator,the instance is universal reference.Keywords -UG;manipulator ;simulation of 3D motion; DOFI. 引言能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操
4、作装置称为机械手。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机械各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。在技术上，它涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。. 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对Identify applicable sponsor/s here.
5、 (sponsors)象。它可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题，各行各业的自动化水平越来越高。现代化加工车间常配有机械手，以提高生产效率或完成人工难以完成的或者危险的工作。但是在机械工业中，加工、装配等生产过程在很大程度上是非连续的。据资料介绍：美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下；零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产实践的 5%。由此可见，装卸，搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为了实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：在注塑工业中从模具
6、中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序，机械加工中用于取料送料，浇注行业中用于提取高温溶液等等。 机械手的总体设计方案本论文是搬运型平动机械手的设计，主要任务是其结构的设计，以及机械结构的运动仿真和驱动系统方面的简单设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构，驱动机构和基于 UG 的仿真是本次设计的主要任务。A 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下四种：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标型机械手；多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱
7、形坐标型。B 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据驱动源的不同，工业机器人的驱动机构大致可以分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压机构驱动机械手具有结构简单，尺寸紧凑，重量轻，控制方便，驱动力大等优点。因此，本机械手的驱动方案选择液压驱动。C 机械手的主要部件及运动 坐标型式采用圆柱坐标性的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有 5 个自由度即手臂三位空间的移动，手臂回转，腕部回转。本设计机械手主要由 2 个大部件和 2 个液压缸组成：手部和腕部：手部通过机构运动实现手爪的张合，腕部采用
8、一个翻转液压缸实现 XY 方向上的回转和一个直线液压缸实现腕部 XZ 方向上的翻转。 臂部升降收缩机构：采用机构的运动来实现手臂的三维运动。D 机械手的技术参数列表a 用途：车间运料。b 设计技术参数：抓重： 250N（夹持式手部） ；自由度数：5；坐标形式：圆柱坐标；最大工作半径：2000mm； 手臂最大中心高 670mm；手腕运动参数（见表 1） ； 手臂运动参数（见表 2） ；手指夹持范围：长方体料 65*85*50；定位方式：点位反馈式； 控制方式：可编程控制。运动名称 符号 行程范围 速度XY 回转 1 -60+60 120/sXZ 翻转 2 090 90/s表 1运动名称 符号 行
9、程范围 速度前后伸缩 X 900mm 250mm/s左右伸缩 Y 3973mm 400 mm/s上下升降 Z 694mm 70mm/s表 2. 基于 UG 的运动仿真A UG 运动仿真模块（ Motion）简介运动仿真模块（Scenario For Motion）是 CAE 应用模块，提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能。当在仿真方案中创建连杆，运动副和驱动方式后，就可以以关节运动（Articulation）或运动仿真（Animation）形式仿真机构的运动，运动仿真模块可以分析构件的位移、速度、加速度、作用力和力矩等，运动的结果以图表和电子表格的形式绘出。可以克隆（Clone ）仿真方案，
10、该方案基于以前的运动仿真设计，对克隆方案进行修改，可以形成不同的仿真分析方案，以减少创建时间。也可以在装配文件中建立一系列不同的运动仿真方案，每个运动仿真方案均可独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案，就可通过导出机构更新装配主模型，以反映优化设计的结果。UG/Motion 与 MDI/ADAMS 无缝连接，可将处Identify applicable sponsor/s here. (sponsors)理结果直接传递到 MDI/ADAMS 上进行分析。B 新建仿真分析方案 首先打开机械手机构的装配文件，如图 1 所示，然后单击【起始】【运动仿真】 ，这样就进入运动仿真模块。运动仿
11、真模块自动复制主模型的装配文件，单击运动导航器图标，可以看到有一个代表装配主模型的单节点。将光标放在装配主模型的节点上，单击鼠标右键（MB3） ，选择【新建仿真】命令，创建一新文件 jixs_fzh_1.prt（此时所看到的显示模型已不是第一次打开的装配主模型，且自动处于工作层状态） 。图 1 装配图C 检验重力常数和角度单位 单击【首选项】【运动】 ，弹出“运动首选项”对话框。单击【重力常数】按钮，出现“全局重力系数”对话框，将 Gx 和 Gy 值设为 0，Gz 值设为9806.65。验证角度单位（Angular） ，从弧度（Radians）改为度（Degree） ，单击【确定】按钮。 D
12、创建连杆、运动副并设置驱动方式 在新建的运动仿真方案中创建 10 个连杆（Links）和10 个运动副（Joints） 。10 个连杆如表 3 所示。在创建连杆时，要将质量（Mass）和惯量（Moments of Inertia）设为 1，因杆件较多，所以要从夹板到固定架按照一定的顺序创建杆件，并且给每个连杆取个名称。10 个运动副如表 4 所示。连杆名称 连杆几何体 连杆名称 连杆几何体zuojb 以左夹板为连 杆几何体 fzhyyggan以翻转液压缸杆为连杆几何体youjb 以右夹板为连 杆几何体 zhuanzhou以直线液压缸为连杆几何体dgcao 以导轨槽为连 杆几何体 x以在 x 方
13、向运动的马达壳体为连杆几何体fzhyyg 以翻转液压缸为连杆几何体 y以在 y 方向上运动的杆件为连杆几何体gdjia以机械手固定架为连杆几何体z以在 z 方向上运动的杆件为连杆几何体表 3 连杆机构运动副名称连杆构成运动副名称连杆构成滑动副J001以左夹板为第一连杆，以导轨为第二连杆旋转副J006以直线液压缸为第一连杆，以马达壳体为第二连杆滑动副J002以右夹板为第一连杆，以导轨为第二连杆滑动副J007以 x 杆为第一连杆，以马达壳体为第二连杆旋转副J003以导轨为第一连杆，以翻转液压缸为第二连杆滑动副J008以 y 杆为第一连杆，以 x 杆为第二连杆滑动副J004以导轨为第一连杆，以液压缸
14、为第二连杆滑动副J009以 z 杆为第一连杆，以 y 杆为第二连杆旋转副J005以翻转液压缸为第一连杆，以缸杆为第二连杆滑动副J010以固定架为第一连杆，以 z 杆为第二连杆表 4 运动副定义运动驱动（Motion Driver）：右键单击运动副Identify applicable sponsor/s here. (sponsors)J009，选择【编辑】 ，在【驱动类型】选项卡中选择“函数”，函数数据类型选择“位移” ，在函数下拉框中选择“ 函数管理器”，在弹出的对话框中，单击【新建函数】按钮，输入函数名称“math_y”，在“ 刀片”下拉框中选择“运动函数”，并选择运动函数“STEP(x
15、,x0,h0,x1,h1)”，然后将函数公式编辑为“STEP(time,0,0,4,1986.67)”。按照此过程，根据机械手的运动过程创建如表 5 所示的驱动函数。运动副驱动类型数据类型函数名称 函数公式J009 函数 位移 math_y STEP(time,0,0,4,1986.67)J007 函数 角位 移 math_r STEP(time,5,0,7,-60)J002 函数 位移 math_ban STEP(time,8,0,9,100)J010 函数 位移 math_z STEP(time,10,0,11,694)J002 函数 位移 math_ban STEP(time,12,0,
16、13,-40)J010 函数 位移 math_z STEP(time,14,0,15,-600)J006 函数 位移 math_fan STEP(time,16,0,17,260)J007 函数 角位 移 math_r STEP(time,18,0,20,-30)J008 函数 位移 math_x STEP(time,21,0,23,900)J010 函数 位移 math_ z STEP(time,24,0,25,300)J002 函数 位移 math_ban STEP(time,26,0,27,50)J006 函数 位移 math_fan STEP(time,28,0,30,-260)J00
17、8 函数 位移 math_x STEP(time,28,0,30,-900)J007 函数 角位 移 math_r STEP(time,28,0,30,90)表 5 驱动函数至此，驱动函数创建完成，检查此方案的有关信息，其中 Gruebler 5。一个机构的 Gruebler 数是存在于机构中总的运动自由度（DOF） ，其值为 0 表示机构是全约束的，其计算公式为： Gruebler 数=(Nlinks*6)-(jointconstra int s)-(MotionInputs)当运动分析限制为运动学分析时，一个主要目标就是将机构的 Gruebler 数构建为 0。 E 运动仿真单击运动仿真（
18、Animation ）图标，即启动运动仿真分析过程。在“ 分析选项” 对话框中选择【静力/动力分析】 ，对机械手机构进行运动学分析。运动学分析是按输入的时间和步数进行仿真分析，时间设为 30 s，步数为 500，分析模型的运动状况。在“分析选项”对话框中单击【确定】按钮，启动 ADAMS 解算器，进行运动分析。运动分析完成后， “运动仿真” 对话框自动弹出，可以选择播放或单步的方式来进行运动仿真，即以动画来表现机构的。 结束语利用 UG 的仿真分析，不仅可以直观地考察机械手的运动规律是否满足工作要求，而且可以通过克隆仿真方案，修改机械手的驱动参数来改变其运动轨迹。当机械手的运动规律满足工作要时
19、，再通过导出机构，更新装配主模型，从而对机构进行优化设计。当对一些复杂的机构，另外很难用解析法求其某一点的运动规律时，利用 UG 的仿真分析，不失为一种快捷而有效的方法。REFERENCES1 XiangSheng Liu, XiuLian Yang. China railway publishing house. Manipulator. 1985.1. (In Chinese).2 Yunwen Liu. Industrial design of manipulator. Mechanical industry press.1996.4(In Chinese).3 Lianggui Pu,
20、Minggang Ji. Mechanical design. Seventh edition. Beijing. Higher education press.2001.01. (In Chinese).4 Xiangsheng Liu, Xiuyan Yang. China railway publishing house. Manipulator. 1985.1. (In Chinese).5 Sanlang Guo. Robots, and its application in the engineering. Beijing: defense industry press. 1989
21、. (In Chinese).6 ZhaoYi Wang. PLC M.beijing. mechanical industry press, 2000.10. (In Chinese)7 Zixin Cai.Robot principle and its application M. Changsha: zhongnan industrial university press, 1998.6. (In Chinese).8 Lixin Kang,Jianhua Ma. Industrial design of manipulator. MANAGEMENT & TECHNOLOGY OF SME.2009.24. (In Chinese).9 Youping Chen, Zhiyan Ma , Chumin Yuang , Zude Zhou. The computer application research.2006.02. (In Chinese).10 L.W.Tsai.Mechanism Design:Enumeration Of Kinematic Structures According to Function【M】.London:CRC Press,2001.
