1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生期末考試題目虛擬樣機(jī)技術(shù) （2014級）學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械工程班 級：機(jī)研1402班姓 名：王浦舟學(xué) 號：指導(dǎo)教師：賀福強(qiáng)2015年09月 12日基于UG的工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動與仿真分析王浦舟（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽，）摘要：簡要介紹了虛擬樣機(jī)的定義，根據(jù)工業(yè)要求設(shè)計(jì)了一個(gè)用于搬運(yùn)物體的簡單機(jī)械臂，從各機(jī)構(gòu)的建模、裝配到仿真，全程使用UG 10.0對其進(jìn)行操作。分析了該機(jī)構(gòu)的位移時(shí)間圖像和速度時(shí)間圖像，根據(jù)這兩個(gè)圖像的特征對機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最后得到最合理的形狀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)。關(guān)鍵字：虛擬樣機(jī) UG 10.0 位移時(shí)間圖像

2、速度時(shí)間圖像Movement and Simulation Analysis of Industrial Mechanical Arm Based on UGWang Pu-zhou(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang , China)Abstract: This paper introduces the definition of virtual prototype briefly, according to the request of industrial design a simple mecha

3、nical arm used to moving a objects, from institutions modeling, assembly to the simulation, using UG 10.0 to manipulate it.Analyzed the displacement of the agency's image and speed time images, according to the features of the two images to improve the institution, finally get the most reasonabl

4、e shape of the structure of the motion parameters.Key words: virtual prototype; UG 10.0; displacement-time image; velocity-time image專心-專注-專業(yè)0前言虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的新概念，虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域的發(fā)展和延伸。虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合了先進(jìn)建模/仿真技術(shù)，現(xiàn)代信息技術(shù)，先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期和全系統(tǒng)的

5、設(shè)計(jì)，并對他們進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，涉及產(chǎn)品全生命周期，支持對產(chǎn)品的全方位測試，分析與評估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對模型進(jìn)行各種動態(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)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)

6、件運(yùn)動所需的作用力和反作用力。1整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 位置排布機(jī)器人相比于普通的工人來說，有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它具有定位精度高、可從事繁重的搬運(yùn)工作、可24小時(shí)不間斷工作等。這些優(yōu)點(diǎn)將使得采用機(jī)器人的生產(chǎn)線比人工作業(yè)更有效率且成本更低。因此，將機(jī)器人和機(jī)械臂等自動裝置應(yīng)用于生產(chǎn)也是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。一般來說，機(jī)械臂帶有6個(gè)自由度，去掉一個(gè)用于夾持物體的自由度，還有5個(gè)用于空間定位的自由度，這種類型的機(jī)械臂能用于搬運(yùn)物體，在定位空間坐標(biāo)位置的同時(shí)任意改變物體的朝向角度是不可實(shí)現(xiàn)的，比如說調(diào)整物體的法線和切線方向，而調(diào)整這兩個(gè)方向在精密組裝過程中是必要的。因此，為了同時(shí)能夠空間定位以及角度定位，有必

7、要增加機(jī)械臂的自由度，比如說7自由度機(jī)械臂，如果不能確定自由度，則可用仿真軟件確定。如圖2-1是現(xiàn)場作業(yè)示意圖，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的要求，需要將一個(gè)邊長為85mm、質(zhì)量為80kg的正方體物塊從一個(gè)工作位抓取到另外一個(gè)工作位，兩工作位的距離是140cm，中間有一個(gè)高13cm的擋板。為了實(shí)現(xiàn)物塊的運(yùn)輸需要，在正對擋板100cm處安裝一個(gè)機(jī)械臂底盤，機(jī)械臂抓手的初始位置設(shè)定在擋板正上方15cm處。圖2-1 現(xiàn)場作業(yè)簡圖1.2 運(yùn)動軌跡為了實(shí)現(xiàn)這一要求，我設(shè)計(jì)了一個(gè)3根連桿和一個(gè)底座以及一個(gè)抓手的機(jī)械臂，機(jī)械臂的簡圖如圖2-2和圖2-3所示。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的要求，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動35°可對準(zhǔn)物塊，再通過其

8、他桿件的轉(zhuǎn)動來靠近物塊，機(jī)械臂抓手的運(yùn)動設(shè)計(jì)為滑動副，與物塊之間設(shè)計(jì)為過盈配合。一號桿和二號桿與地面的初始夾角分別為60°和3.5°，運(yùn)動的角度分別為40°和0.3°。圖2-2 設(shè)計(jì)簡圖俯視圖圖2-3 設(shè)計(jì)簡圖側(cè)視圖2零件設(shè)計(jì)與建模根據(jù)簡圖的設(shè)計(jì)，充分考慮機(jī)構(gòu)的可行性和剛度要求，設(shè)計(jì)合適的尺寸來夾持物塊，實(shí)現(xiàn)上述的要求。2.1 地板及物體的設(shè)計(jì)與建模為了充分模擬現(xiàn)場情況，建立一塊1200mm*1800mm的地板，地板上面固定有有一塊100mm*130mm的擋板以及四個(gè)以距擋板中心1000mm為中心的地位孔用于放置機(jī)械手底盤。物塊的邊長根據(jù)作業(yè)要求設(shè)為85

9、mm，建好以后的地板模型和物塊模型如圖3-1和3-2所示。3-1 地板模型3-2 物塊模型2.2底盤支架及底盤的設(shè)計(jì)與建模為了滿足底盤的位置要求，建立一個(gè)帶有四個(gè)定位孔的200mm*200mm*30mm的底盤架，用于支持底盤及提供旋轉(zhuǎn)動力，他可以和地板上都四個(gè)孔配合以達(dá)到定位的要求。建立一個(gè)50mm*50mm的底盤與底盤架配合提供橫向的旋轉(zhuǎn)，其上有一個(gè)長90mm，與水平面夾角為37.0082°的支架，用于支撐1號桿。底盤架和底盤的建模如圖3-3和圖3-4所示。3-3 底盤架模型3-4 底盤模型2.3連桿的設(shè)計(jì)及建模建立一個(gè)460mm長的一號連桿、一根700mm長的二號連桿，及一個(gè)70

10、mm的三號連桿，用于提供縱向運(yùn)動，使得機(jī)械手靠近并對準(zhǔn)目標(biāo)體。一號桿和二號桿的質(zhì)量較輕，剛度較大，足以支持物塊的重量，三號桿的質(zhì)量較大，保持與地面平行。圖3-5 一號桿和二號桿模型圖3-6 三號桿模型2.4抓取裝置的設(shè)計(jì)及建模建立一個(gè)一段固定、一段課移動的機(jī)械手，滑塊的最終位置離固定端85mm，用于抓取物體，如圖3-7和圖3-8所示。圖3-7 一端固定的機(jī)械手模型圖3-8滑塊模型3整機(jī)裝配與分析3.1 整機(jī)裝配接下來是對整機(jī)的裝配，根據(jù)要求，裝配的最后形態(tài)是確定的，也就是機(jī)械手的高度要在擋板上方15cm的位置。在支配過程中，轉(zhuǎn)動副使用同軸對其和兩端中心對其來約束自由度，滑動副用三個(gè)兩兩垂直的面

11、來約束自由度，抓手與地面保持平行，需要增加一個(gè)平行約束。全部約束完成后的效果如圖3-1所示。3-1裝配效果圖3.2 裝配分析在菜單欄中點(diǎn)擊分析裝配間隙間隙集新建（如圖3-2所示），可以創(chuàng)建一個(gè)新的間隙集。對指定的對象執(zhí)行包含操作，然后把裝配的部件全部選上。打開間隙瀏覽器可以查看各部件之間的配合情況，如圖3-3所示。3-2 新建間隙集圖3-3 間隙瀏覽器4 運(yùn)動仿真及分析4.1前處理裝配完成后進(jìn)入高級仿真環(huán)境，新建一個(gè)動力學(xué)仿真，如圖4-1所示。接受系統(tǒng)自動提供的機(jī)構(gòu)及運(yùn)動副（如圖4-2所示），仔細(xì)檢查每個(gè)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動副，如果與預(yù)期的假設(shè)相矛盾應(yīng)該修改過來（如圖4-3所示）。 圖4-1 新建動力學(xué)

12、仿真 圖4-2 系統(tǒng)默認(rèn)的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動副圖4-3 修改前后的連桿及運(yùn)動副根據(jù)前面轉(zhuǎn)動角度的計(jì)算，我將各組件在各時(shí)刻的運(yùn)動規(guī)律用EXCEL列出（如圖4-4），然后在函數(shù)管理器中導(dǎo)入AFU函數(shù)。AFU函數(shù)是一種離散函數(shù)，以時(shí)間作為變量，設(shè)置每一時(shí)刻各部件的動作。在本例中，我設(shè)置了33秒的運(yùn)動時(shí)間。設(shè)置好函數(shù)后將這些函數(shù)加在各對應(yīng)的運(yùn)動副上，如圖4-5。然后就可以新建解算方案并對其求解了，如圖4-6所示。圖4-4 初定的運(yùn)動規(guī)律圖4-5 建立的所有驅(qū)動函數(shù)4.2 仿真分析新建解算方案，設(shè)置時(shí)間為32秒，與AFU函數(shù)的時(shí)間相對應(yīng)，解算步數(shù)為3200。點(diǎn)擊求解可以查看機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真。動畫截圖如圖4-6所

13、示，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)仿真運(yùn)動停止，物塊在拿起來的時(shí)候有震動現(xiàn)象，機(jī)械手在抓取物塊的時(shí)候也有干涉現(xiàn)象；而且系統(tǒng)運(yùn)算到8.73秒的時(shí)候無法繼續(xù)解算，存在驗(yàn)證的干涉問題。圖4-6 第一次仿真問題點(diǎn)可以在X-Y作圖中新建圖形對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖4-7示從下往上分別是物塊、滑塊、機(jī)械手和機(jī)械手支架的位移-時(shí)間圖像。可以看出這些部件的位移-時(shí)間圖像在6.77s開始出現(xiàn)震蕩，存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)需要改進(jìn)。圖4-7 位移-時(shí)間圖像4.3后處理為了進(jìn)一步晚上機(jī)械臂的使用性能，使其運(yùn)動更加穩(wěn)定，有良好的使用性能并且能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。在位移-時(shí)間圖像的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行分析，最后確定改進(jìn)各連桿之間的連接關(guān)系

14、。二號桿的寬度增加5mm，抓手與地面增加平行副約束，物塊與地面增加兩個(gè)與地面平行且相互垂直的平行副。改變抓手與物體之間接觸的摩擦力，由原來的10改為100，地面和物體之間沒有摩擦。改進(jìn)后的運(yùn)動如圖4-8所示，可以實(shí)現(xiàn)物塊的搬運(yùn)功能。圖4-8 改進(jìn)后的運(yùn)動截圖對改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，分別得到物塊、滑塊、抓手和抓手支架的位移-時(shí)間圖像（如圖4-9所示），速度-時(shí)間圖像（如圖4-10所示），黃色點(diǎn)畫線代表小臂支架，綠色雙點(diǎn)畫線代表小臂，藍(lán)色虛線代表滑塊，紅色實(shí)線代表物塊。圖4-9 位移-時(shí)間圖像圖4-10 速度-時(shí)間圖像分析結(jié)果表明：機(jī)構(gòu)的位移情況基本滿足作業(yè)要求，物塊存在滑移的現(xiàn)象，但是不是特別明顯，不影響作業(yè)要求；各機(jī)構(gòu)的速度情況，在抓取物體和放下物體時(shí)存在瞬時(shí)加速度，這是由于抓手和物體之間的摩擦力劇增導(dǎo)致的。5總結(jié)機(jī)器人相比于普通的工人來說，有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它具有定位精度高、可從事繁重的搬運(yùn)工作、可24小時(shí)不間斷工作等。這些優(yōu)點(diǎn)將使得采用機(jī)器人的生產(chǎn)線比人工作業(yè)更有效率且成本更低。機(jī)械手在投入使用之前，必須生產(chǎn)合適的樣機(jī)并進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)以確保其安全性能和穩(wěn)定性。虛擬樣機(jī)技術(shù)給機(jī)械手的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便，樣機(jī)在投入使用之前可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配和運(yùn)動仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并且解決。在實(shí)驗(yàn)過程如果出現(xiàn)問題可以及時(shí)的改進(jìn)