（机械制造及其自动化专业论文）3ptt型水平滑块式并联机器人的仿真研究.pdf

东北大学硕士论文摘要 3 - p t t 型水平滑块式并联机器人的仿真研究 摘要 工业机器人能够适应柔性自动化生产的要求，在近代得到了迅猛的发展。机器 人技术的发展，在与数控制造装备交汇的过程中，诞生了并联机器人。并联机器人 是空间多环多自由度机构创造性的应用，集数控理论、机构学理论、机器人技术于 一体，是最具柔性的智能制造单元。并联机器人是可重组制造系统的重要组成部分， 以其高承载能力、高运动精度、大刚度、良好的动力特性等优点受到广泛的关注， 并成为制造领域内一个新的研究方向。 东北大学先进制造与自动化研究所，在蔡光起教授的主持下，在成功地研制了 三杆三自由度和三杆五自由度并联机器人的基础上，创新地研制出了3 - p t t 型并联 机器人，并成功地将其运用到钢坯修磨加工当中，为我国并联机器人的发展又迈出 了坚实的一步。本文基于该并联机器人进行了仿真分析，具体包括以下主要内容： ( 1 ) 论述了并联机器人在现代制造业的地位和作用及其发展概况，介绍了目前 低于六自由度并联机器人的研究状况及机器人仿真技术的研究现状； ( 2 ) 分析3 p t t 型水平滑块式并联机器人的自由度和工作空间，利用s o l i d w o r k 软件对该机器人进行三维建模，得到了该机器人的三维实体模型； ( 3 ) 综合了有关3 - p t t 型水平滑块式并联机器人运动学、静力学以及动力学的 理论分析，得出了该机器人的理论研究现状； ( 4 ) 利用v i s u a ln a s t r a n 软件对3 p t t 型水平滑块式并联机器人进行了运动学正 逆解的仿真研究。此项仿真使我们对该机器人在各种运动形式下的运动特性有了十 分详细的了解，通过仿真分析可知该机器人运动平稳； ( 5 ) 利用m a t l a b s i m u l i n k 和v i s u a ln a s t r a n 软件对3 - p t t 型水平滑块式并联机器 人进行了静力学逆解仿真研究，通过仿真分析可知该机器人受力变化平缓； ( 6 ) 利用v i s u a ln a s t r a n 软件对3 - p t t 型水平滑块式并联机器人进行了动力学正 逆解的仿真研究，并在改变各个影响因素的情况下，对其动力学特性进行了仿真分 析，同时还对机构的动态应力变化进行了仿真研究； ( 7 ) 就理论分析和仿真分析的结果进行了对比，以检验两种分析方法所得结果的 一致性； 关键词：并联机器人运动学静力学动力学计算机仿真 一i i 东北大擎硕士论文 a b s 下r a c t s t u d y o ns i m u l a t i o no f3 一p t tp a r a l l e lr o b o t a b s t r a c t i n d u s t r i a lr o b o th a sa r a p i dd e v e l o p m e n tr e c e n t l y a si tc a l ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f f l e x i b l ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n 、) i g r h e nt h ed e v e l o p m e n to f r o b o tc o n v e r g e su p o nn u m e r i c a l c o n t r o lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t , t h ep a r a l l e lr o b o ti sc o m i n gi n t ob e i n g 。t h ep a r a l l e l r o b o ti st h ec r e a t i o n a r ya p p l i c a t i o no fr i n g sa n df r e e d o m sm a c h i n e ，c o n g r e g a t e st h e t h e o r e t i c so fn u m e r i c a lc o n t r o l ，t h et h e o r e t i c so fm a c h i n e ，r o b o t i ct e c h n o l o g y 娃i st h e m o s tf l e x i b l ei n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gc e l l t h ep a r a l l e lr o b o ti sa ni m p o r t a n tp a r to f r e c o n f l g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s 。b e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 醇c a p a c i t y o f b e a r i n gl o a d ，h i g hp r e c i s i o ni nm o v e m e n t ，l a r g e ra n g u l a rr i g i d i t y , e x c e l l e n td y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n ds oo n ，i th a sb e e nr e c e i v i n ge x t e n s i v ea t t e n t i o n , a n db e c o m e san e v f r e s e a r c hd i r e c t i o ni nm a n u f a c t u r i n gf i e l d c a ig u a n g q i ，ap r o f e s s o ri na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o nl a b o r a t o r y n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y , p r e s i d e do v e rt h ed e s i g no ft h e3 - p 订p a r a l l e lr o b o ta n dm a d e a s u c c e s sc o n s e q u e n t l yi nu s i n gi tt og r i n ds t e e li n g o t 。a l lt h e s ew o r kc o n t r i b u t e st ot h e d e v e l o p m e n t o f p a r a l l e lr o b o ti nc h i n ag r e a t l y i nt h i sp a p e r , s o m ea s p e c t so fs t u d ya n d s i m u l a t i v ea n a l y s i sb yc o m p u t e rb a s e do nt h i st y p eo fp a r a l l e lr o b o ta r ed o n ea n dt h e m a i nc o n t e n t sa r en u m e r a t e di nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) w e d i s c u s st h e 髓a t i o na n df u n c t i o no f p a r a l l e lr o b o ti n 氆em o d e m m a n u f a c t u r i n g ， a n dt h ed e v e l o p e ds u r v e yo fi t i n t r o d u c et h er e s e a r c hs i t u a t i o no fp a r a l l e lr o b o tw h i c h h a sl o w e r6 一d o f , t h e ni n t r o d u c et h em o d e m s t a t u so f t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f r o b o t 。 f 2 ) s i m p l yi n t r o d u c et h es t r u c t u r eo f3 - p t tp a r a l l e lr o b o t ，a n a l y z et h ef r e e d o m a n d w o r k i n gs p a c eo fi t ，m o d e l i n gt h ep a r t so f i tw i t ht h eh e l po fs o l i d w o r k s ，a n da s s e m b l y t h e mt oo b t a i nt h ee n t i t ym o d e lo fi t + ( 3 ) i n t e g r m et h ea c a d e m i ca n a l y s i so fk i n e m a t i c s ，s t a t i c sa n dd y n a m i c s o ft h e3 - p t t p a r a l l e lr o b o ta n d o b t a i nt h ea c a d e m i cr e s e a r c hs t a t u s ( 4 ) w i t ht h eh e l po fm s c + v i s u a l n a s t r a n ，h a v eas i m u l a t i v er e s e a r c ho n t h ek i n e m a t i c p o s i t i v ea n dr e v e r s es o l u t i o no ft h e3 - p t tp a r a l l e l r o b o t 。t h i ss i m u l a t i o ng i v e su sa d e t a i l e du n d e r s t a n d i n ga b o u ti t sk i n e m a t i c sc h a r a c t e r sw h e ni tm o v e sa l o n gk i n d so f t r a c k s 。t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，w e c a nk n o wi tm o v e s s m o o t h l y 东北大学硕士论文a b s t r a c t ( 5 ) w i t h t h e h e l p o ft h e n e s t i n g f u n c t i o nb e t w e e nm s c v i s u a l n a s 台 a na n d m a t l a b s i m u l i n k ，h a v ea l l s i m u l a t i v er e s e a r c ho nt h er e v e r s es o l u t i o no ft h e3 - p t t p a r a l l e lr o b o t t h r o u g h s i m u l a t i o n a n a l y s i s ，w ec a l lk n o w i t ss m i l ef o r c e sc h a n g e m i l d l y ( 6 ) w i t h t h eh e l po fm s c v i s u a l n a s t r a n ，h a v ea l ls i m u l a t i v er e s e a r c ho nt h ed y n a m i c p o s i t i v ea n dr e v e r s es o l u t i o no ft h e3 - p t tp a r a l l e l r o b o t ，a n da n a l y z et h ed y n a m i c c h a r a c 姆r i s t i ct h r o u g hs i m u l a t i o n f i n a l l y , h a v eas i m u l a t i v er e s e a r c ho nt h ed y n a m i c s t r e s so f t h er o b o t ( 7 ) c o n t r a s tt h er e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h er e s u l t so fs i m u l a 畦o n 。s oa st o i n s p e c t t h ec o n s i s t e n c yo f r e s u l t st h a tg o tb yt w om e t h o d s k e y w o r d s p a r a l l e lr o b o t ，k i n e m a t i c s ，s t a t i c s ，d y n a m i c s ，c o m p m e rs i m u l a t i o n ， 。i v ， 声明 本人声明所呈交的学位论文是在母烬的指导下完成的，论文中取褥 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 嗣工作瀚蘑恚对本磷究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 本人签窟：乏假髀 日 期：一坎丹，4 犀 东北大学硕士论文第一章绪论 第1 章绪论 1 1 并联机器人在现代制造业中的地位和作用 自从1 9 6 1 年美国u n i m a t i o l l 公司推出第一台实用工业机器人以来，由于它适 应柔性自动化生产的要求，因而得到了很快的发展。机器人技术作为先进制造技术 的典型代表和主要技术手段，在提升企业技术文化、稳定产品质量、提高生产效率、 实现文明生产等方面发挥出重大作用。 机器人技术的发展，在与数控制造装备交汇的过程中，诞生了并联机器人。并 联机构是空间多环多自由度机构创造性的应用，集数控理论、机构学理论、机器人 技术于一体，是最具柔性的智能制造单元。对于传统机床，由于机构层叠嵌套，其 运动联的累积误差对机构的精度有很大的影响，而并联机器人则可以克服以上缺点。 自二十世纪九十年代以来，并联机器人以其先进的设计理念和广阔的市场潜在需求 成为制造业研究的热点，作为新一代的制造业自动化装备，已开始应用于汽车、摩 托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业。目前，先进制造技术已成为世界 各发达国家竞相发展的高技术，而并联机器人作为其重要的组成部分，其发展水平 已成为衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一【l - 6 。在这一大背景下，针对国情， 抓紧研发具有自主知识产权的并联机床产品并占有市场，无疑具有重大意义。 1 - 2 并联机器人的特点及其研究现状 1 _ 2 1 并联机器人的特点 并联机器人的并联机构是由多个相同类型的运动链在运动平台和固定平台之 i n j 并联而成1 7 f 。与传统的串联机器人相比，并联机器人的缺点是活动空间小、活动 平台的运动远远不如串联机器人手部来得灵活；并联机器人的工作空间往往只是一 个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的活动平台上方。表示灵活度的术端件三维转 动的活动范围一般只在6 0 0 左右。但并联机构相对于串联机构有其独特的优点： ( 1 ) 并联机构运动平台由多杆支承，与串联结构的悬臂梁相比刚度大、结构稳 定： 东北走学硕士论文 第一章绻论 ( 2 ) 在相同自重与体积下，并联机器人较串联机器人的承载能力高褥多； ( 3 ) 并联机构末端件没有串联结构束端件的误差积累和放大作糯，误差小、精 度高； ( 4 ) 串联式机器入的驱动电机和传动系统大都放在运动部件上，增加了系统的 惯性，恶化了幼力学性能，丽并联式则缀容易将电动枧置于熬座上，减小了运动受 衙，动力学性能较好； ( 5 ) 在位鼹求解上，势联襁构正解溺难、逆烬非常容易，嚣串联规捣的正鼹察 易、逆解十分困难，由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面 缦商优势。 由于并联机器人常用于加工工业，其作用相当于机床，所以人们有时也将并联 掇器人称戈势联褪器入极痰，或予蕤嫠髂为著袋瓿寒。蒡联毫毪庆与传统撬窳柩毙， 具有运动速度高、灵活轻便、无鬻坚固地基、焱装布局方便、造价低廉与维护方便 等侥熹。嚣罄，势袋褪器入已残麓毫琵庆臻究静令热点 8 1 。与串联糖器入攘魄，并 联机器人具有刚度大、负荷自重比商、载荷分稚均匀、微动精度高、易于实现工件 绒刀其靛6 鲁国度运动、适于金满韬浆热王等饶点。藏努，豳予并联枫嚣入豹委解 比较容易求解，对于已知刀位点坐标轨迹和刀媳姿态的复杂自由曲丽加工，并联机 器久对其7 j 箕静谴鬟帮姿态的控裁要魄5 辘翔王串心踅容荔，因魏褥著联机器入褥 于自由曲面的加工，有利于提高加工效率和加工精度。 1 。2 2 并联机器人的研究现状 目前，国际学术界及工程界对研究岛开发并联机器人相辫重视，对这种新型数 控浚备豹工嚣疲鼹嚣最襄痰用潜力鬻舔鼹，纷纷授入大量久力、物力竟穗拜发， 并从九十年代初以来相继推出多种结构相似而名称各舜的产龋化样机。例如，1 9 9 3 年，美蠢德髑鑫动能与并联辊寐磷究所成萌静疆麓密霹完减锯、蘑、链、键、撼毙 和高能束等多种加工的多功能并联机械手。在1 9 9 4 年芝加哥圜际机床博览会 鹜ilg i d d i n g s & l e w i s 公t 4 的v a r i m x 并联机冻 f i g i1v a r i “p a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1 m a d eb yg i d d i n g s & t e w i sc o 。2 鬻 2 瑞 je t h z 六辩映式并联辊球 f i 9 1 2h e x a g l i d ep a r a l l e lm a c h i n e | 0 0 1 m a d eb ye t h zc o s w i t z e r l a n d 东托天学硕士论文第一章绪论 ( i m t s 9 4 ) 上，美国g i d d i n g s l e w i s 和荚圈g e o d e t i c 公司蘑次震爨了拣为“变 异型”( v a r i a x ) ( 图1 1 ) 的数控机床和“六足虫”( h e x a p o d s ) 加工中心，引起了 不小豹轰动，被誉必“2 l 世纪瓣耘一代数控麓工设备” 0 - i o l 。农1 9 9 7 年汉诺藏国 际机床博览会( e m o 9 7 ) 和1 9 9 9 年巴黎国际机床博览会上( n v l o 9 9 ) ，更有多台并联 提嚣入凝袋震出，其中惫捂美嚣i n g e r s o l l 公司熬o c t a h e d r a lh e x a p o d 鹜式麓工中 心、英国g e o d e t i c 公司的e v a l u t i o ng 系列带冗佘度的混联机床、意大利c o m a u 公司瓣t r i c e p th p i 型瓿瘴、饿梦嫠l a p i c 公司静秘鍪橇冻、瑞典n e o sr o b o t i c s 公司的t r i c e p tt r6 0 0 和8 0 5 型三腿机床、德国m i k r o m a t 公司的6 x 型机床和汉诺 藏大学静h y b r i d 涩联三蹩标激光鲡王梳寐、瑞士e t h e 戆六淆浚鍪! 辊臻( 闰1 2 ) ， 以及茨国h e x e l 公司推出的w a t e r j e t ( 图1 3 ) 和t o r n a d o2 0 0 0 铣床( 图1 4 ) 、 韩国s e n a 瓣援公司的e e l i p s e 辊床等。在袋藏会上还击现了为并联祝寐配套的功能 部件，如德国的i n a 公司开发的可预紧球铰链等。此外，日本的丰田、东芝机械、 目立精机、三菱电辊、犬阪枫工、安酗机工，丹麦的b r a u n s c h w e i g 等公司，也纷纷 花费臣资研带4 了不同结构的并联数控枫床、坐标测嶷机、镜铣类加工中心等榉枫。 特剐值得撵及的燕，德、意、法、英、瑞士、瑞典和西班牙等国在欧共体的资助下 于1 9 9 6 年底己先藤启动称之为“m a n u f a c t u r e ”、“t o b o t 0 0 l ”和“航空工业制造反 映系统”的三个大型跨潮联合研发项目。其中瑞熊h e o sr o b o t i c s 公司生产的 t r i c e p t6 0 0 和8 0 5 型并联机床融售出1 0 0 余台，波膏、沃尔沃、大众、通用、o p e l 、 a i c o a 、英翻航空航天公司、以及美国剐克汽车公司( 中国) 均购鼹了这种机器人机 床，用于舷空航天镪结构构 牛、复合毒孝料的褒速链粼、汽蘩大型模具剑作、激光甥 割、粒子束寝面改性等场合，并已取得显著缀济效益。据业内界人士分析，并联机 庆缀霹成为能够适应下世纪灵矮多炎豹生产珏境戆毅一健裹逮、寒黍健、裹经济 性的数控加工设备，具有广泛的市场前景。出于这种考虑，美国s a n d i a 阑家试验室 积美强国家标准鼹( h i s t ) 已予1 9 9 6 年联会餐议并专羹藏立了并联瓤臻露户协会 幽1 3 h e x e ! 公i 的w a t e r j e t 髫1 4 t o r n a d 0 2 0 0 0 型钱廉 f i 9 1 3 a p a r a l l e l m a c h i n e t o o ln a m e d w a t e r j e t m a d e i n h e x e l c o f i 9 1 4 t o r n a d 0 2 0 0 0 m i l l i n g m a c h i n e 3 东北大学硕士论文第一章绪论 ( h e x a p o du s e r sg r o u p ) 。 我国有关并联机器人机床的基础性研究当数黄真教授和梁崇高教授早在2 0 世 纪8 0 年代所做的开创性工作【8 】。目前国内一些科研院所在这一领域已经进入实用化 和工程化阶段，并分别列入“九五”科技攻关和“8 6 3 ”高技术发展计划，在相关基 础理论方面已得到国家自然科学基金的连续资助。部分高校还将并联机床的开发纳 入了教育部“2 1 1 ”工程重点建设项目，并得到政府部门的支持且吸引了机床骨干企 业的参与。经过十多年来的不断探索，这些单位也取得了些成果，例如，燕山大 学于1 9 9 0 年研制出我国第一台并联操作机样机；清华大学和天津大学合作于1 9 9 7 率先研制出了我国第一台s t e w a r t 平台型大型镗铣类并联机床原型样机v a m t y i 【l 。2 】 目前正在与昆明机床股份有限公司合作进行该机床的商品化工作；天津大学与天津 第一机床厂合作于1 9 9 9 年研制成功我国第一台三坐标并联机床商品化样机 l i n a p o d ( 图i 5 ) ；北京航空航天大学在国家自然科学基金的资助下，正在研制六 杆磨削机床( h d p g ) ；中科院沈阳自动化所研制出多自由度混联机床样机等。另外， 东北大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、浙江大学、西安交通大学、国防科技 大学等也在进行并联机床的相关研究。 目前国际和国内研究开发的并联机床多为六杆结构，它有建模困难、存在运动 耦合、对元件及控制精度要求高等不足。而且，在许多情况下用户用低于六自由度 的机床就可以满足加工要求，而并不需要机床拥有六个自由度【1 3 j 。因此，国内外许 多学者对少于六自由度的并联机床也给予了很大关注。近年来，随着研究的深入， 并联平台式三自由度的并联机床因其独特的优点成为广泛关注的焦点。如1 9 8 3 年 h u n t 【1 4 】提出三自由度3 - r p s 空间并联机构引起广泛的兴趣；1 9 9 6 年t s a i i s l 给出了 【划i5 天津 学的并联机床 r i g15t h ep k mm a d eb yt i a n j i nu n i v e r s i t y 幽16 东北人学研制的二三杆五自山艘弗联机器人 f i g16 t h e5 - d o i ? t r i p o dd e v e l o p e db yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 4 东北大学硕士论文第一章绪论 一种较简单的三自由度三维移动机构；19 96 年h u a n g i ”j 提出了多种三自由度立方角 台机构，并分析了它们的运动学特征等。从总体上看，三自由度并联机构相对六杆 并联机构而言，由于约束运动平台的驱动杆少，所以工作空间要大些，运动耦合相 对要弱，控制也相对要容易一些，造价也相对较低。因此，三自由度并联机构是并 联机构中很有前景的一类。目前国际上仅有为数不多的几家公司推出了各自的三自 由度并联机器人，其中包括意大利c o m a u 公司的h p i 型四杆三自由度机床( t ri c e p t r o b o t ) 、瑞典n e o sr o b o t i c s 公司的t r i c e p tt r 6 0 0 和8 0 5 型三腿机床、德国斯图 加特大学机床与制造设备控制技术研究所的l i n a p o d 三杆机床，以及德国汉诺威大 学生产工程和机床研究所的用于钢板激光加工的三杆机床。现在美国s h e i d o n v a n s o m e r o n 公司也正在开发取名为“t r i a x ”的三杆机床。 东北大学蔡光起教授于1 9 9 7 年研制的新型三杆三自由度并联机床开创了我国开 发和研制低于六自由度的并联机器人的先河。该三自由度并联机床采用t p t 型结构， 具有三个移动自由度，基本克服了六自由度s t e w a r t 并联机构工作空间小、耦合性 强的缺点，应用范围广 1 7 - 2 0 。东北大学还于1 9 9 9 年研制了我国首台三杆五自由度并 联机器人( 图1 8 ) 2 1 1 , 用于复杂曲面的加工。该三杆五自由度并联机器人是在三 自由度机床基础上增加了两个转动自由度而构成的，从而扩展了机床的加工能力。 该成果已通过省级技术鉴定，其水平国际先进、国内领先。机床本体设计已获国家 专利( 专利号：97 2 2 9 3 1 1 6 ) ，这为具有完全自主产权的并联机床国产化创造了条件。 2 0 0 0 年东北大学又创新开发研制了另一种新型3 - p t t 型水平滑块式并联机器人( 图 1 7 ) ，并与大连钢铁集团有限公司合作应用于钢坯修磨生产中【2 2 】。它是一种大负载 加工机械，在加工运动中既要承受磨头的重量，又要克服较大的切向力和法向力， 图i7东北人学1 i j | _ 制的3 一i r l 。i 水、i 谢l 火j 并联机妹 f i g i7 l h c3 - p r rp k md e v e l o p e db yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 一5 东北大学硕士论文第一章绪论 同时还要实现较精确的运动轨迹，这是串联机构机器人难以实现的。本文就是针对 该并联机器人进行了仿真研究。 1 3 机器人仿真技术的研究 计算机仿真技术是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新兴学 科。其方法建立在计算机能力的基础之上【2 引。随着计算机技术的发展，仿真技术也 得到迅速发展，其应用领域愈来愈广，作用也越来越大。尤其在航空、航天、国防 及其它大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具【2 4 l 。 仿真技术在机器人的设计和应用中也起到了重要的作用，因为若要通过计算机 控制机器人产生预期的动作，就必须在计算机内部建立某种模型，机器人根据这种 模型对动作进行规划，并自动地生成完成这些动作的目标程序。为此，需要把机器 人本体和机器人所在的作业环境抽象为某种模型，并且必须对人们所设计的机器人动 作进行仿真【2 5 j 。一般说来，机器人仿真技术涉及的范围很广，但是大致可以把机器 人仿真技术分为两类： ( i ) 设计机器人时所必须具有的结果分析和运动分析仿真技术； ( 2 ) 支持机器人编程的仿真技术。 第( 1 ) 项仿真技术是进行机器人的结构设计时所必不可少的，把机器人结构分 析技术与机器人运动分析技术综合在一起的设计支持系统也是当前重要的研究开发 项目之一。 机器人的仿真建模技术是机器人仿真技术的核心和关键，主要包括几何模型、 运动模型和物理模型等。几何模型就是用来描述对象固有形状和外表的抽象模型， 生成几何模型的主要方法有： ( 1 ) 测试法：首先对建模对象制造一个非金属模型，然后用数字化仪的探针在 该模型上测试，得到三维离散数据，从而得到对象的多边形描述； ( 2 ) c a d 法：利用a u t o c a d ，m d t ，s o li d w o r k s ，s o li d e d g e 或p r o e 等三维建模软 件生成对象模型； 运动模型就是用来描述对象的位置变化、碰撞、伸缩和表面变形等特性，可以 采用关键帧法和样条驱动画法： ( 1 ) 关键帧法：首先生成运动轨迹上的部分关键画面，然后用插值法生成中问 帧画面。所有影响图像的参数，如位置、旋转角等都可以作为插值参数； ( 2 ) 样条驱动法：由用户指定对象运动的运动轨迹样条，根据运动向量由初始 图像生成运动图像序列。 物理模型则是用来描述仿真对象的固有特性，如质量、惯性、表面光沽度、软 硬度或变形等。仿真对象的建模原则是：在不失真实的前提下，尽可能减少模型的 6 东北大学硕士论文第一章绪论 复杂程度。 机器人仿真能够完成一类或多类机器人的运动学、静力学、动力学、轨迹控制 以及控制算法、图形显示和输出功能。 随着机器人技术的高度综合和计算机集成制造技术( c i m ) 的发展，机器人仿 真技术己变得越来越重要【2 6 1 。机器人仿真技术已不仅局限于单纯的机器人的机械 手，在更有效地利用视觉等传感器的辅助设计方面，在利用传感器的信息从而实现 机器人运动的离线编程方面，以及其它方面都对机器人仿真技术提出了更高和更广 泛的要求。为了满足这些要求，必须极大地提高作为仿真技术核心的环境模型的表 达能力。然而，从现阶段仿真技术所达到的水平来看，还不可能一点不差如实地建 立实际环境的模型，也就是说通过仿真技术所建立的环境模型总是与实际环境有不 同之处。此外，在建模过程中还存在由于测量误差、示教方法和传感器性能的不完 善所带来的不确定因素。如何最大限度地消除这些不确定因素的影响，如何大力提 高使用含有这些不确定因素环境模型的仿真系统的性能，这些都是机器人仿真技术 中需要进行研究和开发的重大问题。 1 4 本文的选题背景及主要内容 1 4 1 选题背景 钢坯修磨是在冶金工业轧钢生产中为保证轧材质量而进行的一项重要工序。初 轧或锻造获得的钢坯表面存在许多裂纹、结疤、夹杂、脱碳等缺陷，如不及时去除 这些缺陷，在进一步轧制过程中将会延伸和扩大，从而严重影响轧材质量和成材率。 所以钢坯在进行再次加热、进一步轧制之前需进行钢坯修磨。钢坯修磨工艺可分为 全修磨和局部修磨。全修磨是采用专用磨床对钢坯表面层进行全部磨削，高效全面 去除钢坯表层材料，而不管表面缺陷部位所占面积的大小。该方式比较容易实现自 动化，但钢材损耗大。局部修磨只对有缺陷位置进行磨削。该方式不易实现自动化， 但钢材损耗小。 我国目前有7 5 一8 0 以上的钢坯是进行局部修磨的，这样算来我国每年局部修 磨的钢坯量就有几千万吨，但由于局部修磨自动化技术及设备还没有解决，基本上 是采用人工局部修磨，钢坯表面修磨的作业环境非常恶劣，修磨工作的劳动强度大， 严重影响工人的身心健康，而且这样修磨的质量和生产效率电都很低。这些已使钢 坯表面局部修磨成为冶金工业的一项重要的技术难题。钢坯表面局部修磨基本属于 平面作业，钢坯修磨机床是一种大负载的机械，其运动中既要承受磨头的重量，又 要承受较大的切向磨削力和法向磨削力。所以它即需要较大的作业面积，义婴有较 一7 东北大学硕士论文第一章绪论 高的刚性，而且为实现自动化修磨，还要有良好的柔性自动化的功能。 为了寻求这一技术关键的解决途径，在“8 6 3 ”项目的资助下，东北大学先进 制造及自动化技术研究所结合我国钢铁企业的实际情况，开发研制了三杆并联平动 钢坯修磨机器人，较好地解决了这一难题。该机器人应用了创新的3 - p t t 型水平滑 块式并联机构，它具有工作空间大、刚度高、具有平移自由度的优点，正好适合钢 坯修磨面积大、负荷大的要求。这一成果已通过了“8 6 3 ”验收和省级技术鉴定。 本文就是针对该机器人利用v is u a i n a s t r a n 软件进行仿真研究，为其进步的优化 设计提供有力的根据。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 论述了并联机器人在现代制造业的地位和作用及其发展概况，介绍了目前 低于六自由度并联机器人的研究状况及机器入仿真技术的研究现状； ( 2 ) 分析3 p t t 型水平滑块式并联机器人的自由度和工作空间，利用s o l i d w o r k 软件对该机器人进行三维建模，得至0 了该机器人的三维实体模型； ( 3 ) 综合了有关3 p t t 型水平滑块式并联机器人运动学、静力学以及动力学的 理论分析，得出了该机器人的理论研究现状； ( 4 ) 利用v i s u a ln a s t r a n 软件对3 p 1 1 型水平滑块式并联机器人进行了运动学正 逆解的仿真研究。此项仿真使我们对该机器人在各种运动形式下的运动特性有了十 分详细的了解，通过仿真分析可知该机器人运动平稳； ( 5 ) 利用m a f l a b s i m u l i n k 和v i s u a ln a s t r a n 软件对3 - p t t 型水平滑块式并联机器 人进行了静力学逆解仿真研究，通过仿真分析可知该机器人受力变化平缓： ( 6 ) 矛l j 用v i s u a ln a s t r a n 软件对3 - p t t 型水平滑块式并联机器人进行了动力学正 逆解的仿真研究，并在改变各个影响因素的情况下，对其动力学特性进行了仿真分 析，同时还对机构的动态应力变化进行了仿真研究； ( 7 ) 就理论分析和仿真分析的结果进行了对比，以检验两种分析方法所得结果的 一致性； ( 8 ) 对全文进行了总结，并对进一步的研究工作提出了一些建议。 8 东北大学硕士论文第2 章3 一p t t 型水平滑块式并联机器人机构及其实体建模 第2 章3 - p t t 型水平滑块式并联机器人 机构及其实体建模 本章简单介绍了3 一p t t 型水平滑块式并联机器人机构，分析了该机构的自由度 和工作空间；利用s o l i d w o r k s 2 0 0 1 对该机构进行了三维实体建模；并对本论文要用 到的仿真软件m s c v i s u a l n a s t r a n 进行了简单的介绍。 2 13 一p t t 型水平滑块式并联机器人机构 2 1 1 机构简介 图2 _ l 为3 p 1 t 型水平滑块式并联机构的示意图： 、2 、3 水平导轨4 、5 、6 驱动滑块 7 三根平行杆8 两根定长杆 9 运动平台1 0 加工主轴 幽213 - p t t 型水f 滑块呔并联茸l 构示意图 f i g 2 13 - p t 丁h o r i z o n t a lt r i - g l i d em e c h a n i s mi np a r a l l e l 9 东北大学硕士论文第2 章3 一p 1 t 型水平滑块式并联机器人机构及其实体建模 在本机构中，三个驱动滑块4 、5 、6u ，以沿固定于支架上的水平导轨1 、2 、3 滑动，滑块4 、6 与机器人运动平台9 之间通过两根定长连杆8 及连杆两端的虎克 铰相联，滑块5 则与运动平台9 之间通过三根平行连杆7 及连杆两端的虎克铰相联， 这样就构成一个空间五杆平移机构。在活动平台下方则安放有加工主轴1 0 。 其中，作为空间平移机构的空间五杆机构，由于三根平行连杆7 和虎克铰的作 用，能限制运动平台绕x 、y 轴的转动和一个移动自由度，并兼为三杆机构中的一 个杆。而三杆机构中的另两连杆8 及连杆两端的虎克铰，限制活动平台绕z 轴的转 动及其余两个移动自由度，从而使整个机构具有三个平移自由度。当改变驱动滑块 4 、5 、6 在水平导轨上的位置时，能带动运动平台在工作空间内作沿坐标系x 、y 、 z 三个方向的平移。即它具有三个平移自由度，从而使加工主轴1 0 实现三坐标联动 可控运动。该机构的驱动杆为定长杆，其特点是便于驱动装置集中布置，刚性好； 加工进给运动是三杆同步驱动完成的，编程简单。 2 1 2 机构的自由度 确定并联机构内各构件位置所需要的独立参变量数称为机构的自由度。在机床 并联机构中用2 个或2 个以上的链( 分支) 连接其机架构件和运动平台，机构具 有2 个或2 个以上的自由度，并以并联方式驱动。 并联机构的链由驱动器赋予确定独立运动的链称为主动链，被迫作确定运动的 链称为从动链。其中，具有独立限制机构自由度作用的从动链称为约束链。一般地， 并联机床主动链只由一个驱动器驱动并确定机构的一个自由度( 单自由度主动链) 。 为保证机构的确定运动，并联机床的主动链数等于机构的自由度数( 即运动平台自 由度数) 。如果某主动链具有单驱动器、却限制k 个机构自由度( k 1 ) ，则该主动链 同时具有了约束链的作用，相当于一个单自由度主动链和一个限制( k 1 ) 个自由度的 约束链的组合。可称这种链为复合链。并联机床运动平台的自由度是由与其连接的 支链确定的。通过分析，机床并联机构运动平台的自由度数m 为： 土 m 一( 6 一a ) 一 ：( “i 一 ) ( 2 - 1 ) 符 式中： ，被重复约束的自由度数， q 机构中分支链数， “一第i 链的约束自由度数， 第i 链重复约束的自由度数。 一1 0 一 东北尢学硕士论文第2 章3 - p t t 型水平滑块式并联机器人机构及其实体建模 表21 各支链自由度列表 t a b 2 1t h ei i s to f a l lb r a n c h e s 舶e d o m s 链 r x r y r zt x t y t zu 1 xi l11 2t_2o 3ll 4 ：= 1 各支链的自由度数可由各支链的约束自由度列表观察确定。本课题中的3 ”t 水平滑块式并联机构中有3 个链，它们各自约束的自由度和约束自由度数u 如表2 1 所示。则由表可知，s x 、s y 、s z 三个自由度没被任何链约束，机构具有3 个平移自 由度，r z 被多个链约束，是重复约束自由度，代入表2 1 数据可计算其机构自由度 数为3 。这一结果与上一节对机构进行分析的结果相同。 2 1 3 机构的工作空间 工作空间是指并联机床正常工作时，末端执行器在空间活动的最大范围。工作 空间从几何方面描述并联机床的工作能力，是并联机床性能的重要指标和进行机构 设计、运动规划的重要依据。 经分析并考虑该机床的行程约束和虎克铰转角约束，可知其工作空间为图2 2 所示的船型空间【2 ”，其长度由导轨长度决定，其截面和两端形状由导轨间距、杆长 及虎克铰转角决定。 幽2 2 并联机构丁作窄问示意剧 f i g2 2t h ep i c t u r eo lw o r k i n gs p a c e 由图可以看出该工作空问有如下特点： 东北大学硕士论文第2 章3 - p t t 型水平滑块式并联机器人机构及其实体建模 ( 1 ) 浚空间上面为平面，两端边界由以滑块为圆心，杆长为半径形成的三个球面 相交而成的曲面，空间的两侧面为该相交的曲面沿x 轴向运动的包络面。 ( 2 ) 该并联机器人的运动平台只有位置变化，无姿态变化。因此相同结构参数下， 该空间相对于有姿态变化的并联机器人来说比较大，边界光滑，其有效空间比例大， 适合于钢坯修磨等加工； ( 3 ) 该空间成船形，无空洞，无空腔，适合长方体作业空问； ( 4 ) 连接连杆和滑块、连杆和运动平台间的虎克铰转角的约束将直接影响该空间 在y 轴方向和z 轴方向的大小， ( 5 ) 该滑块式并联机床工作空问大小直接决定于其行程大小，形状决定于其驱动 杆长度值、导轨的间距、虎克角的最大转角。 2 。2 机构的三维实体建模 2 2 1s o l i d w o r k s 简介 ， s o l i d w o r k s 是建立在w i n d o w s 平台上的三维机械设计软件，是在总结和继承了 大型c a d 软件的基础上，在w i n d o w s 环境下实现的第一个机械c a d 软件【2 8 1 。 s o l i d w o r k s 软件是面向产品级的机械设计工具，它全面采用非全约束的特征建模技 术，为设计师提供了极强的设计灵活性，其设计过程的全相关性使得设计师可以在 设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。s o l i d w o r k s 完整的机械 设计软件包括了设计师必各的设计工具：零件设计、装配设计、工程制图。s o l i d w o r k s 首创的f e a t u r e m a n a g e r 特征管理员的设计思想使得建模更加方便2 9 1 。s o l i d w o r k s 创 新开发的