雕刻机器人运动仿真及动力学分析摘要度曲线图刀具旋转部分轴质心速度曲线从图图上可以看出，刀具旋转部分质心速度在轴方向是条斜率变化曲线的样条，而在轴上是条斜率变化曲线。由此，横向滑块的驱动速度函数是条轴上的斜率变化曲线和轴上斜率变化曲线的合成曲线。.三维模型的仿真驱动方法在.中介绍了怎么将中各部分的驱动位移和速度曲线测量出来，由于前面的测量是将刀具前段的点作为驱动点，利用反求法求出的各部分的驱动参数，因此，设计控制方案时，可根据测出的各部分位移和速度曲线，建立各部分的驱动函数，来控制各部分的运动，达到雕刻石材的目的。设计各部分的驱动函数的步骤如下根据雕刻品的外部轮廓，设计驱动函数，若设计的外部轮廓比较复杂，可以先在直角坐标系中画出轮廓，在轮廓中选择若干点，分别记下其坐标，然后将以的格式导入到中作为刀具前端的驱动函数，经过调试后，可以逐渐满足所要求的轮廓的范围。运动仿真完成后，得到各个部分的位移和速度曲线样条，根据曲线样条设计各部分驱动函数，驱动各部分运动，达到工作目的。.本章小结本章利用软件，对所建的雕刻机器人的三维模型进行了运动仿真，确定模型的可动性和运动的正确性。并且可以利用的仿真，可以通过简单的方式来得到各部分的驱动函数，有利于提高设计的准确性和分析的可靠性。因此，在中，不仅完成了雕刻机器人运动所需要的驱动函数设计，还对雕刻机器人的设计方案本身根据仿真模拟效果做出修正和优化。第章关键部件的有限元校核有限元分析，利用数学近似的方法对真实物理系统几何和载荷工况进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。前面已经将雕刻机器人的设计工作大致完成，现在，结合受力测量结果，利用软件中有限元分析工具的对雕刻机器人中关键零件进行形变与应力分析。刀具驱动轴在工作时与刀具直接连接，带动刀具进行雕刻石材的工作。雕刻机器人的关键就在于刀具在石材上能够稳定准确的完成设置好的雕刻曲线，所以，刀具驱动轴是雕刻机器人中的个关键零件。竖直滑块外支撑座主要支撑刀架以及刀具驱动的所有部件的重量，并且在雕刻时也承受着通过刀具驱动轴传来的切削反力。并且，竖直滑块外支撑座的稳定有利于刀具走位的准确度提高，因此，竖直滑块外支撑座同样是雕刻机器人的个关键部件。.刀具驱动轴校核在雕刻机器人中，由于主要的受力集中在指状铣刀及其所在的驱动轴上，因此，为了保证雕刻机器人的稳步运行，必须保证刀具驱动轴在安全范围内进行雕刻运动。驱动轴的材料是采用钢的弹性模量为，屈服强度为。经过查阅，雕刻时，轴受到的扭矩约为•。下图.是轴的基本尺寸。图.驱动轴基本尺寸将以上的数据导入到的有限元分析工具中进行分析。把图.中的第段在分析工具中固定，分析轴受力的应力和应变情况。在满足以上的尺寸及受力条件下，模拟了该轴的受力情况。图是驱动轴的受力位移变量图，图是驱动轴应力分布图，图是驱动轴的应变分布图。图驱动轴受力位移变量图图驱动轴应力分布图图.驱动轴的应变分布图从图中可以分析出，其最大的位移变量为.，考虑到轴的长度为，而工程中对其刚度的要求是，所以，可以知道，刀具驱动轴的刚度是满足工程要求的。从图中可以看到，刀具驱动轴的最大应力为.，若安全系数取，小于,所以，刀具驱动轴的应力满足要求。.竖直滑块外支撑座校核在雕刻机器人中，竖直滑块外支撑座，主要承受了刀架以及刀架各部分驱动的全部作用力，其刚度稳定的承受这些力对于雕刻机器人的工作稳定性以及雕刻精准度有决定性作用，因此，对此部分进行有限元分析。竖直滑块外支撑座采用的材料是铸造碳钢，其弹性模量为，屈服强度为。经过计算该支撑座上所有部件的重量为，所以，竖直滑块的支撑座上表面所承受的力大约为。根据这些基本的数据对其进行有限元校核。将数据导入中有限元分析模块得到如图是竖直滑块外支撑座的受力位移变量图，图是竖直滑块外支撑座应力分布图。图竖直滑块外支撑座位移变量图图竖直滑块外支撑座应力分析图从图中可以分析出，其最大的位移变量为.，考虑到竖直滑块外支撑座的上表面长度为，而工程中对其刚度的要求是，所以，可以知道，竖直滑块外支撑座的刚度是满足工程要求的。从图中可以看到，竖直滑块外支撑座的最大应力为.，小于,所以，竖直滑块外支撑座的应力满足要求。.竖直导轨支柱梁有限元校核在雕刻机器人中，竖直导轨支柱梁主要承受了竖直丝杠传动中产生的压力以及丝杠驱动电机等部件的压力，其刚度稳定的承受这些力对于雕刻机器人竖直移动的精确性有决定性作用，因此，对此部分进行有限元分析。竖直导轨支柱梁采用的材料是铸造钢，其属性如下图所示图材料属性经过在中的分析，该部分承受的载荷大约为，下是将该部件的各数据导入中有限元分析工具得到的应力和位移变化图图应力变化分布图图位移变化分布图。图竖直导轨支柱梁应力变化分布图图竖直导轨支柱梁位移变化分布图从图中可以看出，竖直导轨支柱梁的最大应力为.，查阅资料，铸造钢的屈服应力为.，安全系数取，该部件满足安全要求。在图中，该部件的最大位移变化为.，考虑到竖直滑块外支撑座的上表面长度为.，而工程中对其刚度的要求是，所以，可以知道，竖直导轨支柱梁的刚度是满足工程要求的。.本章小结本章对雕刻机器人的两雕刻机器人运动仿真及动力学分析摘要刻机器人的工作原理经过上面的总体方案设计和传动方案设计，步步的确定了雕刻机器人的整体结构。在此方案中采用丝杠螺母传动和齿轮传动。具体工作结构如图所示。图雕刻机器人整体结构上图中，各部分结构如下底板，步进电机，小齿轮，夹具，载物台，指状铣刀，刀具驱动轴，步进电机，伺服电机，支柱，竖直导轨，竖直丝杠，横向丝杠，滑块，横向滑块，横向丝杠，伺服电机，轴承座，伺服电机，大齿轮。雕刻机器人的工作原理如下伺服电机驱动横向丝杠旋转，丝杠带动横向滑块横向运动，实现整个工作机架的横向运动，假设为轴方向运动伺服电机带动竖直丝杠旋转带动竖直滑块上下运动，完成刀具台的上下运动，假设为轴运动步进电机驱动刀具台的旋转运动，其可控旋转角度为度，假设为轴轴二维面上沿轴的旋转运动伺服电机带动刀具驱动轴旋转，刀具驱动轴连接刀具，进而带动刀具进行石料雕刻小齿轮和大齿轮啮合，小齿轮由步进电机驱动，小齿轮带动大齿轮，大齿轮与载物台通过轴来联动，进而使载物台上的石料旋转运动，假设载物台以轴为中心轴旋转。在雕刻机器人雕刻过程中，指状铣刀可以再以轴的二维面内做沿轴和轴同时运动，并且指状铣刀可以根据需要雕刻出的曲线调整自身的刀具角度，以与雕刻的曲线切线垂直，雕刻出理想的设计形状同时，在完成道轮廓的雕刻之后，载物台旋转定的角度，刀具再雕刻下道轮廓线，以此类推，载物台旋转度之后雕刻机器人完成雕刻工作。雕刻之前，确保石料在载物台上装夹为稳定，以免产生误差。.雕刻机器人结构分析雕刻机器人的结构主要可以拆分为分为五个部分,分别是底座部分横向移动部分竖直移动部分刀架以及刀具驱动部分载物台旋转部分。从.小节中可以得出，由于雕刻机器人工作时类似与点切削，就是每个工作位置都要力求准确，因此在结构设计中，我们在满足基本要求的前提之下，要保证各个部分的运动的稳定性和精确度。下面就这五个部分的结构进行分析。底座结构雕刻机器人的底板在工作中既要承受雕刻机器人本身所有部件的重量，又需要承受所要加工石材的重量，因此其需要的强度要求非常高，在这里，选择底板的材料为，由于其厚度为，屈服强度为，其强度完全可以满足使用要求。在设计钢板时，主要将其的受力尽量的分布均匀，以减小底板的局部压力。为了安装结构的考虑，在钢板的下部铣出个深度为的槽，以方便后期的装配螺丝螺母工作。横向移动部分和竖直移动部分结构横向移动部分中，两条直线导轨安装在底板之上，两条导轨上各安装两个滑块，两个滑块上安装横向支架，由横向支架上的丝杠带动整个工作架完成直线运动。其中，丝杠由伺服电机驱动，横向支架通过丝杠与丝杠螺母传动。竖直移动部分中，该部分主要固定在横向支架上，通过两条门柱和梁结构构成个“门”型的支撑架构，门柱内侧安装直线导轨，导轨上安装滑块，滑块通过丝杠螺母传动，由顶部的伺服电机驱动，完成滑块的竖直运动。在此结构中，主要使用了两个主要的部件直线导轨和丝杠螺母传动。其中，直线导轨具有如下特点自动调心能力，在安装的时候，由钢珠的弹性变形及接触点的转移，即使安装面多少有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。具有互换性，由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此部份系列精度具可互换性。所有方向皆具有高刚性，运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠等度之接触角度，让钢珠达到理想的两点接触构造，能承受来自上下和左右方向的负荷在必要时更可施加预压以提高刚性。通过直线导轨的特点，在此结构中我们保证了横向部分传动的稳定性和准确性，并且，高刚性也保证了导轨在工作时运转中的稳定性。丝杠螺母传动具有如下特点高精度的保证，滚珠丝杠副是般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削组装检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。微进给可能，滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。无侧隙刚性高，滚珠丝杠副可以加预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强。通过丝杠螺母传动，在雕刻机器人中，我们可以保证其横向移动部分的高精度。通过以上分析，得出了在横向移动和竖直移动部分中，采用直线导轨和丝杠螺母传动，保证了雕刻机器人工作的准确性稳定性。刀架以及刀具驱动部分结构刀架旋转部分通过固定支架安装在竖直滑块上，固定支架上安装两个轴承座，通过轴连接，由侧的步进电机来控制轴的旋转进而控制刀架的旋转。刀具驱动模块通过个工作台安装在轴上，工作台上安装轴承座，通过轴承座来安装驱动轴，驱动轴两侧分别连接电机和指状铣刀，伺服电机驱动轴运动，完成刀具工作。在此结构中，要得到个稳定和准确的运动，必须保证步进电机能够保持较大的扭矩，这样才可以保持雕刻机器人在每个驱动动作中保持雕刻的精准性。除此之外，由于此部分要承受较大的切削反力，因此要保证每部分具有较高的刚度，后面将会对此部分进行有限元分析，以保证各部分能够在正常强度范围内稳定工作。载物台旋转部分结构该部分是由对啮合的齿轮来完成运动。小齿轮通过轴由步进电机驱动，大齿轮由小齿轮驱动，大齿轮带动旋转台工作，旋转台上安装有石料夹具，来固定石料完成石材雕刻任务齿轮传动的特点是齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠效率高寿命长，使用的功率速度和尺寸范围大。从以上特点，齿轮传动可以保证载物台旋转的旋转精度，确保载物台稳定高效转动。.