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（毕业设计全套）基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟设计（打包下载）

的机械系统模拟工具。第章焊接机械手的设计思想焊接机械手的任务就是从原始位置到达工作地点并完成系列作业需要的动作。工作原理是固定机座后通过机身上转台的旋转和大小手臂的运动带动旋转手腕的转动和摆动手腕的运动，在给手抓个配合尺寸使之能够自由的伸缩以便夹取工件。机械手的动作分析十分复杂，需要应用较高深的数学理论，面且计算也是十分繁杂。随着电子计算机的应用，为机械手的动作分析设计和计算提供了良好的技术基础。图机械手按矢量封闭图表示设机械手从初始状态出发，到达夹持点需经过多次位移，形成系列动作。为了分析研究上述的动作，可用机械手的本体手腕到手指系列动作的矢量之和来表示，见图即.机械手特性方程式设机械手以初始状态到达夹持点顺次经过几次位移，其位移角分别取等，规定标记从原始点零开始依次标上下脚注字有长度变化的矢量用表示，无长度变化的矢量用表示，夹持矢量用表示。对于初始状态而分别向着方向的矢量上，则分别在右上角添上。旋转按照旋转变换张量来表示。如对六个自由度的通用机械手如图具有。六个变数，其中前面三个主要是为了给出位置，后面三个主要是用来给出姿势的。则机械手从初始状态到达夹持点时，其矢量.图用矢量图表示机械手即称之为机械手特性方程式，这特性方程式完全表达了机械手的性质。经整理.从上式可见右边每项对应于这里为姿势适量。其次研究下保持夹持矢量的工作姿势会变成什么样子。用表示工件的姿势，设其初始值为。则.将此式展开并取式.与.之差将各个方向的矢量代入给出各抽位移后，就变成。.手臂的设计计算对手臂结构的要求是重量尽量轻，以达到动作灵活运动速度高节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度。手臂结构设计重点是驱动力的计算和偏重力矩的计算。现分述如下驱动力的计算根据手臂运动的不同，驱动力可分为两种情况来计算。水平伸缩运动时，主要是克服摩擦阻力和惯性力式中摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力活塞与密封装置处的摩擦阻力手臂在起动过程中的惯性力。其大小可按下式计算.其中手臂移动部件的重量公斤，重力加速度米起动或制动前后的速度差米秒起动或制动所需的时间秒。水平回转时驱动力矩的计算摩擦力矩包括各支承处摩擦祖力矩手臂启动时的惯性力矩.手臂回转部件对其回转中心的转动惯量公斤•米•手臂回转的角速度差弧度秒，启动时所需的时间秒零件对回转中心的转动惯量公斤•米•，。零件作为其重心位置的质点对手臂回转中心的转动惯量公斤•米•手臂回转半径重心到回转中心的距离米手臂运动件的重量公斤。计算时，可把形状复杂的零件分成几种形状细棒圆柱体圆盘长方体偏重力矩的计算偏重力矩就是手臂悬伸部分的全部零件重量作用在各自的重心上对手臂回转中心的静力矩。最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出，并夹持额定重量的零件时，如图所示。各零件的重量可按其结构形状材料比重进行粗略计算。重心位置，由于零件多数均选用对称结构，故重心应位于其几何截面的形心上。计算时可把手臂偏重部分分解为几个单元，先分别计算，然后汇总。式中表示工件手指手腕手臂等零部件的顺序号，的重心位置距点距离为.其偏重力矩为.如果求出的偏重力矩过大，可重新布置各部件在手臂上的位置.也可加平衡块来改善受力情况。但这样又会增大手臂重量及转动惯量。因此要多方考虑。如图所示，手臂的作用下有顺时针方向倾斜趋势，而立柱导套可阻止手臂倾斜。导套对升降立柱的作用力如图示和.根据升降立柱的力平衡条件.所以为摩擦系数，般为.这里可取.则.上式即为升降导向立柱不自锁的条件。导套的具体结构可根据值的大小做成长的套管，或用两个相距很近的短套管。焊接机械手各零部件的设计焊接机械手的零部件包括机座机座盖板机身转台大臂小臂旋转手腕摆动手腕手抓销钉螺栓螺母等构成。各零部件的设计如下机座的设计制造精度此机构为般工作机械，故选用级精度。利用实体设计，如图机座盖板的设计利用实体设计，如图机身的设计利用实体设计，如图转台的设计利用实体设计，如图大臂的设计利用实体设计，如图小臂的设计利用实体设计，如图旋转手腕的设计利用实体设计，如图摆动手腕的设计利用实体设计，如图手抓的设计利用实体设计，如图组装后的样子，如图第章三维实体建模.模拟方案的确定图六自由度机械手模拟加载仿真流程图是微机版技术指标化特征造型软件,旨在以的工作站版相应软件的价格向广大机械设计人员提供用户界面更友好,运行环境更广大的实体造型实用功能。实施金伙伴合作策略,在单的运动分析中不必再与其他的软件进行连接可直接模拟规划出工件的运动轨迹。流程如图,由图可知对仿真实体的模拟加载与仿真分析,旨在对样机的整体动态性能和结构进行优化,从而达到缩短物理样机的实验时间,降低试验成本,加快研究进程的目的。.仿真实体的绘制六自由度机械手不是很复杂的机构,软件建立三维模型并不太困难,用强大的三维设计能力利用拉伸阵列和切除等功能将模拟机器人的各零部件分别绘制出来,然后根据同轴共面等几何约束关系将几个零部件装配起来可以得到六自由度机械手的装配图。表机械手零部件明细表序号零部件名称数量序号零部件名称数量机座转轴机身销钉转台销钉大臂销钉小臂螺栓手腕螺母手抓模拟加载是在所作文件基础上进行的,此种情况下建立仿真需要注意设置长度单位选择,质量单位选择,时间选择。设置单位的正确对于得到清晰合理的设计结果有很重要的意义。.简单数学模型的建立根据所给出的六自由度机械手的运动情况给出各个转动副的旋转角度见表。表各轴所在转动副旋转角度参数表构造旋转范围轴转台回转轴大臂最大运动范围轴小臂轴手腕轴手抓图六自由度机器人简化模型图为六自由度机械手简化模型,以基座底面圆的圆心为坐标原点设立三维坐标系。设大臂所在机件的线性长度为小臂和手腕所在机件的线性长度为手抓到焊接点所在机件的线性长度分别为基座底到第个旋转副的高度为。角为大臂轴所在平面的夹角。角为小臂与大臂所在直线所成夹角,顺时针为负逆时针为正。角为手抓与小臂所在直线所成夹角,顺时针为负逆时针为正。为转台旋转角度,轴正向为,顺时针为负逆时针为正。可得机器人轴的总水平伸长量总的身长高度根据基座的旋转角度可得到爪手所持的焊接点的三维空间坐标根据坐标可分别逆推待定和计算每个转动副的旋转角度进行可行性设计。将总长的变化量和时间作商则可得平均速度。若每个伺服电动机的旋转角速度定则可得瞬时速度,设轴个转动副的转速分别为转台的转速为则瞬时速度,。其中然后瞬时加速度及相关的数据也可得出。.模拟加载与仿真仿真模拟的实现机构的装配过程该机构由个零件装配而成，分别是定位转台大臂小臂手腕手抓等。三维零件图已经准备好，装配过程如下启动软件，如下图选择“装配图”选项，单击“确定”按钮，建立装配体操作界面。选择左下方“浏览”按钮如图，打开零件存放的目录，选择第个零件系统将默认为固定的零件，以后添加的零件依次为基准。先选择名称为转台的零件，单击“打开”。单击界面任何位置零件固定在界面中。在工具栏中选择“插入零部件”，如前操作打开文件夹，继续选择零件大臂。为了不至于零件过多装配过程复杂，采取逐个添加约束的方法，进行逐个配合并完成定位。继续添加零件和配合的操作直到完成装配体。装配过程中合理的选择配合关系以方便以后的运动仿真操作。如下图机构运动参数的设置启动插件，为了实现运动形式的模拟，首先定义前进的运动形式，操作过程如下在次节点“运动”上单击鼠标右键，选择“对零部件添加运动”选项，弹出定义运动的“插入”对话框添加相应参数。在“选择第个部件”的选项框内选择“大臂”，在“选择第二个部件”的选项框内选择“转台”，在“选择位置”的选项框中选择“大臂”，在“选择轴”选项框内选择“机身”的边线，在“选择轴”选项框内选择“小臂”的边线。打开“运动”选项卡，在“运动作用在”中选择“沿轴平移”选项，在“运动类项”中选择“速度”选项，初始位移设置为，在“函数”中选择“恒定值”，速度设为单击“应用”按钮，完成设置。添加阻尼为了保证机构在运动过程中的稳定性，对小臂和手腕铰接的部位设计阻尼。添加过程如下在节点“力”下选择阻尼，单击鼠标右键，选择“添加扭转阻尼”选项，弹出“插头阻尼”对话框，按图示设置参数单击“应用”按钮，完成阻尼的设置。阻尼是为了稳定手腕的摆动过程，从而保证整个机构的稳定性。在公式“”中选择.式中为阻尼系数，根据旋转角度决定施加阻尼的大小。参数设置完成，在菜单中选择“选项”，打开“选项”对话框，选择仿真选项卡，将持续时间设置为秒，帧的数目设置为，其余参数选择默认值，单击“确定”完成设置。单击“仿真”按钮，对机构进行运动仿真。进行运动校核在有插件是专门用来进行运动模拟和校核,首先在几个零部件的可转动连接点加入转动马达,它有伺服电动机的作用。加入旋转进行模拟,其方向和旋转角速度都按照既定的数据进行规定,在几个连接机构的连接副上进行转动副的设置后进行运动模拟,同时旋转角度要防止零件的干涉,因此要严格按照表的最大旋转角度进行约束,必要时可选择录像功能,可对动画从多个方向进行观察,可将动画保存,更加直观地得到六自由度机械手的运动效果图,就像真正的机器在面前样,根据运动效果图和模拟得到的数据可以按照要求对机器的运动进行改进。下的插件可以做多种运动分析,以手抓的运动为例得到它的个坐标轴系统默认基建模坐标轴,如果需要可以自定义坐标位置,同样采用系统默认速度位置运动变化曲线和速度变化曲线。除位置和速度变化曲线,还可以得到动能加速度角速度和角加速度等变化曲线。其他零部件同样也可以得到类似曲线包括虚拟的旋转马达。这样就为进行运动校核和模拟提供了数据依据,可以对机械进行更好地改进和校核。分析可知在设定的情况下手爪的位置坐标几乎没有发生变化,即手臂的焊接点高度没有太大变化。坐标值减小,即手臂的总伸缩量减小,是个缩进过程,坐标值减小,但是变化幅度不大,说明基座转台的旋转幅度并不是很大。