（机械制造及其自动化专业论文）纤维缠绕机自动挂纱系统的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 纤维缠绕机技术已经比较成熟，自动化程度也较高，但距离完全自动化、 无人管理还有一定差距，主要问题是没有实现自动装卸和自动挂纱。为满足日 益提高的实际生产要求，提高自动化程度是十分必要的。在此背景下，结合工 业机器人技术，本文研究设计了一个以机械手为主要部件的自动挂纱系统，得 出了系统总体设计方案。 本文依照机电一体化设计思想，对自动挂纱系统机械整体结构、驱动系统、 传动系统和控制系统进行了分析和设计。在机器人学的理论基础上，使用d h 方法建立了机械手的运动学方程；通过问题简化，利用代数解法，进行了逆运 动学分析和计算，并对机械手进行了笛卡尔坐标轨迹规划，为后续控制系统的 设计及机构运动仿真提供了依据；分析了机械手的工作空间、奇异性；介绍了 建立机器人动力学方程的常用方法。 利用虚拟样机技术，本文对自动挂纱系统的机械部分进行了详细的分析和 设计，主要包括机械手的结构设计方案的选择比较、末端执行器的设计、传动 机构及连接部分的设计，并简要给出了设计过程和依据。在此基础上，利用常 用c 仰c a e 软件，对机械手整体及部分机构进行了机构运动仿真和分析，得 出了图形、动画仿真结果，并对仿真结果进行了分析，为执行电机的选择和验 证、机械手整体和末端执行器的结构优化提供了理论依据。此外，还使用了 m a t l a b 对机械手构型方案进行了简单的图形仿真和分析，可直观的验证机械手 坐标系是否正确建立，保证了后续运动学分析的准确性。结合前述方法，简要 介绍了机械手的联合仿真技术，充分的体现了机电一体化设计思想，有利于样 机的优化设计。 通过以上工作，得出了自动挂纱系统的总体设计方案，为控制系统的进一 步设计和实现提供了参考。 关键字：自动挂纱系统，机械手，机器人学，仿真分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w , t e c h n o l o g yo ff i l a m e n tw i n d i n gm a c h i n ei sw e l l - d e v e l o p e da n dt h el e v e l o fa u t o m a t i o ni sr e l a t i v e l yh i 出b u tt h e r ei ss t i l lal o n gd i s t a n c et of u l la u t o m a t i o n a n da b s e n t e ec o n t r o lb e c a u s eo fl a c k i n go fa u t o m a t i cl o a d i n g u n l o a d i n ga n d a u t o m a t i cf i l a m e m - w i n d i n g i ti si n d i s p e n s a b l et os o l v et h e s ep r o b l e m st om e e tt h e g r o w i n gn e e df r o mp r a c t i c ep r o d u c t i o n u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，w ed e s i g n e dt h e a u t o m a t i cf i l a m e n t - w i n d i n gs y s t e mb yt a k i n ga d v a n t a g eo f i n d n s t r yr o b o tt e c h n o l o g y a n dg a i n a dt h eo v e r a l ld e s i g ns o l u t i o n i nt h i sp a p e r , t h em a c h i n e s t r u c t u r e ，p r o p u l s i o ns y s t e m , t r a n s f e r r i n gs y s t e ma n d c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n da n a l y z e d , g u i d e db yt h ec o n c e p to f m e c h a n o t r o n i c s b a s e do nt h et h e o r yo f r o b o t i c s m a n i p u l a t o r sk i n e m a t i c se q u a t i o ni se s t a b l i s h e da n d i n v e r s ek i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sm a d eb ya l g e b r a i cs o l u t i o na f t e r s i m p l i f i c a t i o n , b e s i d e s ，c a r t e s i a n - s p a c es c h e m e s ，w o r k i n gs p a c ea n ds i n g u l a r i t i e sf i r a l s ot a k e ni n t oa c c o u n t i nt h ee n d , d y n a m i c sa n a l y s i sm e t h o d sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y b yu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rm a k e sad e s i g na n d a n a l y s i st om a c h i n ep a r t so f a u t o m a t i cf i l a m e n t - w i n d i n gs y s t e mi nd e t a i l s , i n c l u d i n g t h e s e l e c t i o na n dc o m p a r i s o no fm a n i p u l a t o r ss t r u c t u r a ld e s i g ns o l u t i o n sa n dt h e d e s i g no f e n d e f f e c t o r , t r a n s f e r r i n gm e c h a n i s ma n dl i n k i n gs e c t i o n s , m e a n t i m e ，g i v e s t h ed e s i g np r o c e s sa n db a s i s o nt h eb a s i so ft h i sw o r k , t h i sp a p e rm a k e st h e m e c h a n i s mm o t i o ns i m u l a t i o na n da n a l y s i so fm a n i p u l a t o ra n di t sp a r t sb yu s eo f c a d | c k 邑t o o l sa n dg e t sg r a p h i ca n da n i m a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t s t h e s er e s u l t s p r o v i d et h e o r i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es e l e c t i o na n dv e r i f i c a t i o no fs t e p p e rm o t o r sa n d t h es t r u c t u r a lo p t i m u md e s i g no f m a n i p u l a t o ra n de n d - e f f c c t o r f u r o 料t h a nt h a t , t h i s p a p e rm a k e sas i m p l eg r a p h i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o r t h ec o n f i g u r a t i o ns o l u t i o n o f m a n i p u l a t o rb yu s eo fm a t l a b a n di tc a l lv e r i f yw h e t h e rt h ec o o r d i n a t ef l d m e si s w e l l e s t a b l i s h e do rn o td i r e c t l yt oe n s u r et h ea c c u r a c yo f k i n e m a t i c sa n a l y s i sl a t e r b e c o u p l e dw i t hm e t h o d sp r e v i o u s l ys t a t e d , c o m b i n e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sn a r r a t e d a n dt h i st e c h n o l o g ye m b o d i e st h ec o n c e p to f m e c h a n o t r o n i c sa n dm i l i t a t e si nf a v o ro f t h eo p t i m u md e s i g no f t h ep r o t o t y p e a sar e s u l to f t h i sw o r k , t h i sp a p e rg e t st h eo v e r a l ld e s i g ns o l u t i o no f a u t o m a t i c f i l a m e n t - w i n d i n gs y s t e ma n dp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rf u r t h e rd e s i g na n d r e a l i z a l j o no f c o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：a u t o m a t i cf i l a m e n t - w i n d i n gs y s t e m , m a n i p u l a t o r , r o b o t i c s ， s i m u l a t i o na n a l y s i s n 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声臻，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构豹学位或证书而使 用过的材辩与我一同工 乍的同志对本研究所傲的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：三兰_ ! 些日期型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容。可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 注：请将此声明装订在学位论文的目录前 日期盘翌 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 复合材料常用成型工艺有手期成型工艺、模压成型工艺、拉挤成型工艺、 纤维缠绕工艺【l 】。其中，纤维缠绕工艺是目前较为先进的工艺，通用设备有机 械纤维缠绕机、数控纤维缠绕机。纤维缠绕机技术已经比较成熟，自动化程度 也较高，但距离完全自动化、无人管理还有一定差距，主要表现在没有实现自 动装卸和自动挂纱两个方面。为满足日益提高的实际生产要求，提高自动化程 度是大势所趋。 1 1 课题来源 纤维缠绕机自动挂纱系统的设计与研究是武汉理工大学复合材料缠绕装备 研究所的预研课题。 1 2 课题研究的目的与意义 目前，纤维缠绕机对工件( 芯模) 进行纤维缠绕操作之前，需要手动将纱 线( 纤维) 挂到工件之上并紧固，在生产规模不大时，存在的问题并不突出， 而当大规模生产时，手动挂纱操作则显得十分枯燥单调且生产率低下，此外， 生产现场的卫生状况较差，灰尘和纤维粉末较多，对操作工人的身体会产生不 利的影响，而工业机器人技术正是为了代替人们从事繁杂单调、枯燥无味的工 作而出现的。因此，利用工业机器人技术，结合纤维缠绕机的结构特点，设计 一个能够模仿人的手臂的运动并能够实现自动挂纱的机械手是十分有意义的， 其不仅可以改善操作工人的工作环境，避免对工人不必要的身体损害，还可以 进一步的提高纤维缠绕机的自动化程度，提高生产率。 ， 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，又译虚拟模型技术) 是实 际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计 算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质 量检验以及企业各级过程的管理与控制能力。虚拟样机技术是一项新生的工程 技术。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之 以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力学特性，并根据仿真 武汉理工大学硕士学位论文 结果优化系统的设计参数和优化过程，达到提高人们的预测和决策水平，使得 所设计机械系统的性能更符合人们的要求，并使所设计的零部件材料的选择、 结构形状的设计更符合结构工艺、加工工艺、装配工艺等工艺的要求。 综上所述，设计自动挂纱机械手对改善操作工人的工作环境，进一步提高 纤维缠绕机的自动化程度和生产率有实际的意义。同时，利用虚拟样机技术， 在设计自动挂纱机械手的同时，进行机构运动仿真分析和优化设计，可使机械 手更好的满足实际生产的要求。 1 3 纤维缠绕设备简介 自1 9 4 7 年美国k e l l o g 公司制造出世界第一台缠绕机以来，纤维缠绕机的 发展经历了以下三个阶段【2 】【3 】： 1 3 1 机械式纤维缠绕机 机械控制的纤维缠绕机型式很多，而以卧式和立式应用最广卧式( 即小 车环链式) 的布局及运动形式与普通车床相似。芯模被夹持在主轴与尾座之间 作旋转运动，导丝头随小车作平行于芯轴方向的往复运动。改变导丝头相对于 主轴的运动速度( 及速比) 。便可以改变缠绕角和线型。而此速比的改变是通过 调节主轴至小车闻的机械传动链来实现的。 机械式纤维缠绕机的缺点就是根据制品线型计算缠绕机传动系统的传动比 较麻烦，调换齿轮和链条较费时费力。机器的灵活性差。当制品经常需要交化 时，生产准备时间长，非线性缠绕的精度不高。但是机械式缠绕机的优点也是 很明显的，制造成本低，结构简单。运行可靠，维修方便，易掌握操作。对于 大批量定型民用产品的生产，仍不失为一种经济实用的设备。根据我过的国情， 机械控制纤维缠绕没有失去发展和推广使用的价值。 随着纤维缠绕复合材料制品应用范围的扩大，制品几何形状千百万化，设 备使用灵活性渐为用户所重视。特别是应用在航空航天领域的高精度异型缠绕 制品，机械控制已不能满足生产需求因此，出现了数字程序控制缠绕机和微 机控制缠绕机。 1 3 2 数字控制纤维缠绕机 2 武汉理工大学硕士学位论文 数字控制( 缩写n c ) 缠绕机，是将芯模的角位移量和导丝头( 小车) 的 线位移量转换为电脉冲形式的数字量进行控制。德国j o s e f b e a r 公司代表7 0 年 代初期水平的w e - 2 5 0 型缠绕机即为数控缠绕机，它的芯模主轴带动一个能发 出电脉冲的编码器，主轴发出的脉冲按一定比例( 即分频比) 调节后送给小车 的电液伺服马达使小车运动，改变分频比便可改变小车速度，从而改变缠绕角。 除主轴、小车运动外，增加了导丝头的液压驱动伸臂及气动翻转运动。用拨码 开关作数据输入，改变参数容易，简化了操作，有一定灵活性。但实现小车和 伸臂的非线性缠绕时仍需采用凸轮控制，且需要设计加工特制凸轮而且缠码 开关只能存贮少量信息，控制系统没有编码运算功能，改变缠绕制品时的准备 工作仍然很大，因而不能满足更加复杂产品的缠绕要求。 1 3 3 微机控制纤维缠绕机 7 0 年代初出现用小型通用计算机控制设备的计算机数字控制( 缩写c n c ) 。 它与数控不同，控制功能是靠事先存放在存贮器里的系统程序来完成的。改变 系统程序就改交了控制逻辑。系统程序属计算机软件，故而c n c 又称软件控 制。改变软件容易，这就大大增加了设备的灵活性和适应性。但小型计算机的 价格当时较贵，c n c 未能普遍应用。廉价的微处理器与微型计算机的出现，使 c n c 迅速占领了数控领地。用微型机的c n c 又称m n c ，m n c 与纤维缠绕机 的结合便出现了微机控制缠绕机。由于采用微机控制，使缠绕机性能发生了根 本变化，尽管价格昂贵，仍然深受用户的欢迎。 微机控制缠绕机( m c f w ) 具有如下的一些特点：增加了缠绕机的运动坐 标数；缠绕精度高；提高了自动化程度，方便用户使用。 1 4 工业机器人技术 1 4 1 工业机器人简介 工业机器人，又称机械手，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作 用，它被广泛应用到生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重 的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和 产品质量，可以说工业机器人的应用对工业的发展起到了巨大的推动作用【4 】。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 工业机器人的组成 1 4 2 机器人的现状和发展 机器人自6 0 年代初问世以来，经过4 0 多年的发展，现在已经成为制造 业生产自动化中重要的机电设备四【6 l 。 目前，正式投入使用的绝大部分是第一代机器人，即程序控制机器人，这 代机器人基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要 用于焊接、喷漆和上下料。 第二代机器人具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环 境信息对控制程序进行校正。这代机器人通常采用接触传感器一类的简单传感 装置和相应的适应性算法。 现在，第三代机器人正在第一、第二代机器人的基础上蓬勃发展起来，它 是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做 4 武汉理工大学硕士学位论文 出自主决策能力的智能化机器人。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听 觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专 家知识、语音功能和自学能力等人工智能。 在机器人前沿技术方面出现了：仿人型机器人、微型机器人和微操作系统 ( 如细小工业管道机器人移动探测系统、微型飞行器等) 、机器人化机器、智能 机器人( 不仅可以进行事先设定的动作，还可按照工作状况相应地进行动作， 如回避障碍物的移动，作业顺序的规划，有效的动态学习等) 。机器人的应用领 域正在向非制造业和服务业方向扩展( 如清扫机器人 7 1 1 8 1 等) ，并且蓬勃发展的 军用机器人也将越来越多地装备部队。 目前，国外工业机器人领域近几年有如下几个发展趋势：机器人性能不断 提高，而单机价格不断下降：机械结构向模块化唧、可重构化发展【l o l ；控制系 统向基于p c 机的开放型控制器方向发展；传感器作用日益重要；虚拟现实技 术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制；机器人智能化、自 治程度提高l l 】j i 。 国内方面，目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器 人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人( 水下 1 3 1 、蛇形【1 4 1 、反恐【l 习、可重 构星球探测【1 6 1 、遥控等机器人) 基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解 决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自 动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术： 在基础元件方面，谐波减速器、机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突 破。从技术方面来说，我国已经具备了独立自主发展中国机器人技术的基础。 1 4 3 工业机器人的性能指标 ( 1 ) 自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的 关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。 ( 2 ) 负荷能力机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重 量。 ( 3 ) 运动范围机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关 节长度和其构型的函数。 ( 4 ) 精度指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及 武汉理工大学硕士学位论文 反馈装置有关。 ( 5 ) 重复精度指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱 动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。 ( 6 ) 控制模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式； 自主模式。 ( 7 ) 运动速度单关节速度；合成速度 ( 8 ) 其它动态特性如稳定性、柔顺性等。 1 5 主要研究内容 根据纤维缠绕机的实际需要，结合纤维缠绕机的结构特点和工业机械人技 术，设计出应用于纤维缠绕机的机械手，以实现纤维缠绕机自动挂纱。 具体包括如下的研究内容： ( 1 ) 通过对纤维缠绕机现场观测，根据自动挂纱的需要，确定自动挂纱系统 的机械结构方案； ，( 2 ) 对机械手进行正逆运动学分析、直角坐标空间运动轨迹规划，以满足自 动挂纱的运动要求； ( 3 ) 根据机械手的结构及运动，设计自动挂纱系统的总体方案； ( 4 ) 对机械手进行机构运动仿真和分析，以实现结构的优化设计并为后续控 制系统的设计提供参照。 1 6 本章小结 本章主要介绍了常用的纤维缠绕设备，并指出了目前的纤维缠绕设备存在 的自动化程度不高的问题。此外，介绍工业机器人技术的现状及其应用，阐述 了利用机器人技术和虚拟样机技术，设计自动挂纱机械手系统的必要性和重要 性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章机械手总体方案设计 工业机器人，即机械手是机电一体化设计的典型应用，是一由多自由度组 成的高精度空间运动机械，必须具有运动的灵活性和准确性以及动态性能的平 稳性。因此，机械手与普通的机械设备相比，除满足强度、刚度、可靠性的要 求之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能，其设计步骤于表i 所 示 4 1 。目前，机械手的设计已呈现模块化设计的趋势，通常设计具有一定自由 度的通用机械手臂，再根据特定工作要求设计专用末端执行器。本文根据本研 究所研制的c n o 气瓶数控纤维缠绕机的实际生产需要，利用c a d c a e 技术， 设计一个质量小，结构紧凑的自动挂纱机械手，并可采用单片机进行控制，从 而组成完整的自动挂纱系统，迸一步改善缠绕机的自动化程度，提高生产率。 表1 机械手设计步骤 序步骤目的与任务 号 1 作业分析列出作业时序表，画出空间工件位姿图 确定动力源；确定机型、自由度和驱动器容量；确定传 2 方案设计动方式和速比；优化“杆长”及各轴的运动范围：确定 平衡方式及平衡质量 几何分析、 3运动分析及验证工作空间和灵活度；列出运动方程并进行图形( 动 图形仿真画) 仿真 4结构设计关节及杆件的结构设计；传动配置及其结构设计；“走 线”及电器接口设计 估算惯性参数；列写刚体动力学方程并进行仿真分析， 5动特性分析以验证动力容量和速比的正确性；弹性动力分析以确定 其结构固有频率和响应特性 6施工设计绘制全套零件图并进行精度分析 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 机械手工作要求 目前，纤维缠绕机( 图2 1 ) 都是采用手动挂纱，在生产规模不大的情况 下，手动挂纱可满足生产，但随着生产规模的扩大，在大批量生产的情况下， 手动挂纱已经满足不了需求，且人工挂纱是一项单调、简单重复性劳动。在此 背景下，设计能够实现自动挂纱的机械手是切合实际的。自动挂纱机械手的主 要任务是模仿人的手臂的运动，将纱线( 纤维材料) 缠到工件上，等纱线紧固 在工件上后，再将缠绕任务交给数控纤维缠绕机，待缠绕工作完成后，剪断纱 线并等待执行下一工件。其工作流程图2 - 2 所示： 荨箍下一 z 俸 与缝绕机同 步转动 图2 - 1 数控纤维缠绕机图2 - 2 机械手执行动作流程图 2 3 机械手构型方案设计 机械结构是自动挂纱机械手最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动 的实体，机械结构的布局、构型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机 器人的工作性能。 机器人的机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、 s c a r a 型和关节型等。 直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相 互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控 8 武汉理工大学硕士学位论文 制都比较简单；缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。 球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的 定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移 动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。 s c a r a 型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向 完成零件的装配作业。 关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业 空间内手臂的于涉最小，工作空间大；缺点是进行控翩对计算量比较大，确定 末端执行部件的位姿不直观。 综上所述，关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其 它型式机器人相比操作灵活性强，因而它的应用日益广泛。结合自动挂纱的工 作需要，本文将采用关节型机器人的构型方案。 图2 - 3 常见工业机器人构型 2 3 1 机械手本体部分结构设计 综合考虑纤维缠绕机的结构和机械手的安装、干涉问题，本方案采用5 自 由度关节型机械手的结构，其结构示意图如图2 _ 4 所示( 详细机械部分设计在 后续章节介绍) 。首先，将机械手3 固定在作为机械手腰部的大齿轮上，并将大 9 武汉理工大学硕士学位论文 齿轮与轴承紧固连接，最后将它们固定在装在缠绕机的机头4 侧板上的支撑衬 套上。由于自动挂纱要求的速度较低，机械手不需要作高速连续运动，可采用 轻质材料，如铝合金等，能有效减轻机械手整体重量。本方案具有工作空间大， 占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉小，安装方便的特点，能够 很好的满足自动挂纱的需求。 l 夕入 二- r 区妄 、 ，o y， 逑 网互 一 、， 门 舅黠。，? 。 弋玉 、“ 通过c a d c a e 软件进行仿真，可以直观的观察机构的运动并进行受 力分析： 通过控制系统软件对机械系统建立数学模型，并进行仿真分析，可以 得到机械系统的各种信息( 如位移、速度、加速度、受力情况等) ； 联合c a e 和控制软件，进行联合仿真，具备前述两种方法的优点，充 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 分体现了机电一体化设计思想。 4 4 1a d a m s 概述 a d a m s ( a u t o m a t i co y m n i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 软件是m s c 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，具有良好的交互式图形界面、功能 强大的求解器和高性能的结果后处理功能。它使用交互式图形界面，使用户在 同一环境下可以完成模型的建立、仿真与检验，还可通过接口模块把其它c a d 软件中的图形数据导入a d a m s 中进行动力学仿真试验。 4 4 2a d a m s 功能模块 a d a m s 软件由若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、 工具箱和接口模块5 类。其中最主要的模块为朋) a m s v i e r 一目户界面模 块和a d a m s s o l v e r - 求解器。通过这两个模块可以对大部分的机械系统进 行仿真。本文只简要介绍仿真过程中用到的模块。 ( 1 ) 用户界面模块( a d a m s v i c w ) a d a m s v i e w 是a d a m s 系列产品的核心模块之一。它将简单的图标、 菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、x y 曲线图处 理、结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。 ( 2 ) 求解器( a d a m s s o l v e r ) a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品的核心模块之一，是a d a m s 产品系 列中处于心脏地位的仿真“发动机”该模块自动形成机械系统模型的动力学方 程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和 求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。 a d a m s s o l v c t 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析 和控制系统研究，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可 输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户 定义的子程序等添加不同的约束，同时可求解运动副之间的作用力和反作用力， 或施加单点外力。 ( 3 ) 专用后处理模块( a d a m s p o s tp r o c e s s o r ) 为提高a d a m s 仿真结果的后处理能力，m s c 公司开发了p o s t p r o c c s s o r 武汉理工大学硕士学位论文 模块。该模块用来输出高性能的动画，各种数据曲线，该模块还可能进行曲线 编辑和数字信号处理等，使用户可以方便、快捷地观察、研究a d a m s 的仿真 结果 ， ( 4 ) p r o e 接口模块( m e c h a n i s m p r o ) 虽然a d a m s v i 州具有强大建模功能，但对比于专业三维建模软件却有很 多不足之处，因此实现a d a m s v i e w 和专业三维软件进行数据交换便成为 a d a m s 软件的一大特色。其中以p r o e 和a d a m s 的专用接口模块 m e c h a n i s m p r o 较为方便和成熟，二者采用无缝连接的方式，不需要退出p r o e 应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统( 如图4 - 1 2 所 示) ，进行系统的机构运动和动力学仿真，从而确定系统的力、位移、速度、加 速度等力学性质。本文将基于m e c h a n i s m p r o 接口模块进行设计和数据传输f 3 6 j 。 图4 - 1 2p r o e 中m e c h a n i s m p r o 接口功能菜单界面 4 4 3a d a m s n i c w 设计流程 a d a m s v i e w 的设计流程如图4 1 3 所示【3 7 1 ，它主要解决机械复合系统的 问题，并能减少研制时间和降低研制费用，从而提高质量、增加效益和改善产 品。主要有以下过程： ( 1 ) 创建( b u i l d ) 模型 武汉理工大学硕士学位论文 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体( p a r t ) ，它们具有质 量、转动惯量等物理特性。创建物体的方法有两种：一种使用a d a m s v i e w 中的零件库创建形状简单的物体( p a r t ) ；别一种是使用c a d 软件进行三维建 模，利用a d a m s e x c h a n g e 或其它软件接口( 如m e c h a n i s m p r o ) 把图形数据 转化为a d a m s v i e w 能识别的文件格式。 创建完物体( p a r t ) 后，需要使用a d a m s v i e w 中的约束库创建两个物体 之间的约束副( c o n s t r a i n t ) ，这些约束副( c o n s t r a i n t ) 确定物体之间的连接情 况以及物体之问是如何相对运动的。 最后，通过施加力( f o r c e ) 和力矩( t o r q u e ) ，使模型按照设计要求进行动 力学仿真。 - 创建零件 样期黼 _ 添加约柬 施呻雠衢 - 测量特性 锻9 睑验 - 仿翼舟忻 - 动画接故 绘制蚶 垮i 样机验旺 - 输入强囊据 矧 - 欺鼍曲龇较 - _ 翮摩康 - 定义索性傩 完旺 _ 卜 - 嫠用捐自亟t 定义制 、 - 疆加梗必发 多蒎蝣鼻 - 定义设计黧t - 设计t 曦崩研究 饨i t 设计 - 谶验设计分析 - 饨比分析 一 创建自定义菜单 用户化设计- 健自定灯，话框 t 幢自动操怍魄龠 图4 1 3a d a g s v j e w 设计流程图 ( 2 ) 测试( t e s t ) 和验证( v a l i d a t e ) 模型 创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真， 通过测试整个模型或模型的一部分，以验证模型的正确性。 在对模型进行仿真的过程中，a d a m s n i e w 会自动计算模型的运动特性， 武汉理工大学硕士学位论文 如距离、速度信息等。使用a d a m s v i e w 可以测量这些信息以及模型中物体的 其他信息，例如：施加弹簧上的力、两个物体之间的角度等。在进行仿真时， a d a m s v i e w 可以通过测量曲线直观地显示仿真的结果。 将机械系统的物理试验数据输入到a d a m s v i e w 中，并且以曲线的形式叠 加在a d a m s v i e w 的仿真曲线中，通过比较这些曲线，就可以验证所创建的模 型的精确程度。 ( 3 ) 完善( r e f i n e ) 模型和迭代( i t e r a t e ) 仿真 通过初步地仿真分析，确定了模型的基本运动后，就可以在模型中增加更 复杂的因素，以细化、完善模型。例如：增加两个物体之间的摩擦力、将冈性 体改变为弹性体、将刚约束副变为弹性连接等。 为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点( d e s i g n p o i n t ) 和设计变 量( d e s i g nv a r i a b l e ) ，将模型进行参数化处理，这样就可以通过修改参数自动 地修改整个模型。 ( 4 ) 优化( o p t i m i z e ) 设计 a d a m s v i e w 可以自动进行多次仿真，每次仿真改变模型的一个或多个设 计变量，帮助找到机械系统设计的最优方案。 ( 5 ) 用户设计( a u t o m a t e ) 为了使a d a m s v i e w 符合设计环境，可以定制a d a m s v i e w 的界面，将 经常需要改动的设计参数定制成菜单和便捷的对话窗，还可以使用宏命令执行 复杂和重复的工作，提高工作速度。 。 总之，不管是在a i ) a m s ，e w 中建立模型还是在c a d 中建立模型，都应 使模型更贴近客观所要反应的机械系统。不管是进行参数化还是用户设计，都 应以人性化设计为基准。 4 4 4 机械手末端执行器的运动仿真 自动挂纱机械手末端执行器即手爪主要是完成抓取纱线的任务，此外，还 需要在缠绕工作结束时切断纱线。下面对手爪的开合运动进行了仿真分析。为 了防止刀片在不期待的情况下切断纱线，仿真时对刀片施加了重力的作用。 ( 1 ) 手爪闭合 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 手爪张开 图4 - 1 4 手爪闭合运动仿真及结果 图4 - 1 5 手爪张开运动仿真及结果 在进行运动仿真的过程中，可以直观的观察机构各部分的运动，并检查机 构能否实现期望的动作以及是否产生干涉，若发现问题，可通过修改部分零件 的设计以实现优化设计 4 4 5m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析 武汉理工大学硕士学位论文 为便于获取数据，以下工作可在m a f l a b 与w o r d 之间的接口n o t e b o o k 下进 行。 首先，根据自动挂纱机械手的d - h 参数表，利用r o b o t i c st o o l b o x 建立机 械手的连杆参数l 和机器人对象r 0 0 0 并确定机械手关节变量的缺省q 。 r 2 2 2 - d h l ( 5a x i s , r r p m a ) w i n d i n gl a b g r a v 1 0 0 00 0 09 8 1 1s t a n d a r dd & hp a r a m e t e r s a l p h a at h e t ad r p 1 5 7 0 0 0 00 1 5 5 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0r s t d ) 0 0 0 0 0 口00 0 9 1 5 0 00 0 0 0 u 0 0 0 0 0 0 0 0 0r ( s t d ) 0 0 0 0 0 0 00 0 9 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0r ( s t d ) 1 5 7 0 0 0 00 0 8 4 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0r l s t d ) 0 0 0 0 0 0 00 1 7 7 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0r ( s t d ) q ：1 0 1 5 70 o 】 然后，利用r o b o t i c st o o l b o x 中自带的函数图形显示机械手的构型。使用 命令p l o t ( r 2 2 2 ，q ) ，之后，使用命令d r i v e b o t ( r 2 2 2 ，q ) ，可以驱动机械手各关节进 行简单运动。 图4 一1 6 机械手构型仿真 通过以上工作，可以直观的观察分析机械手的结构构型，在与期望设计方 案比较后，可以分析机械手各