三自由度高速并联机器人动态仿真研究

Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究AbstractIt is a very complicated computational process to analyze the kinematic anddynamic problem of the parallel robot general.The versatility and validity of thedesigned program need a large amount of verification. ADAMS software is a largesimulation software for dynamic analysis of mechanical system.Based on ADAMSsoftware,a model of parallel robot was established.The method to analyze forwardposition solution and the inverse position solusion of 3-dof parallel robot is presented.In this paper, ADAMS software technology was used to carry out a simulationanalysis of movement and the force of 3-DOF high-speed parallel robot.Three-dimensional modeling software UG was used to establish the virtual prototypemodel of a parallel robot which imported to ADAMS to establish a virtual prototype.In a given hand trajectory circumstances, the measurement tools, drive andpoint-function features of ADAMS were used to get the positive and the inversesolution of parallel robot. Simulation of movement of Parallel of the robot was taken,then the movement of their characteristics and the force were conducted by a computersimulation,the data curve was analysed, a proposal for design was taken.The method doesnt need too much calculation and programming.It isfast,conventient,exact,and can be used in practice.Key words: virtual prototype, parallel robot, ADAMS, dynamics, kinetics,optimizationIIDelta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究目 录第一章 绪 论 . 111 选 题 背 景 . 11.3 虚 拟 样 机 的 发 展 及 特 点 . 21.4 虚 拟 样 机 技 术 的 研 究 意 义 . 41.5 本 课 题 所 研 究 的 内 容 及 要 解 决 的 问 题 . 4第二章 三 自 由 度 并 联 机 构 的 选 型 分 析 及 模 型 简 介 . 62.1.并 联 机 构 方 案 选 择 . 62.2 运 动 规 划 和 控 制 . 72.3 Delta 系列三自由度高速并联机器人简介. 72.3.1 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 自 由 度 分 析 计 算 . 82.3.2 CAD 三 维 技 术 及 软 件 介 绍 . 82.3.3 利 用 UG 建 立 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 三 维 模 型 . 102.3.4 利用 UG 装 配 模 型 . 132.3 本 章 小 结 . 16第三章 并联机器人的运动学分析与仿真. 173.1 ADAMS 软 件 简 介 . 173.1.1 ADAMS/View(基本环境) . 173.1.2 ADAMS/Solver(求解器). 183.1.3 ADAMS/Post Processor(专用后处理模块). 183.2 Delta 系列高速并联机器人的动态仿真. 193.2.1 模 型 的 导 入 . 193.2.2 并 联 机 器 人 虚 拟 样 机 的 三 维 实 体 建 模 . 223.2.3 运 动 副 约 束 与 点 驱 动 的 添 加 . 233.2.4 逆 解 时 运 动 学 分 析 （螺 旋 线 轨 迹 ）. 243.2.5 机 械 手 终 端 运 动 速 度 及 加 速 度 仿 真 分 析 . 303.3 求 正 解 . 313.4 优 化 分 析 . 323.5 圆 弧 运 动 仿 真 分 析 . 34IIIDelta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究3.5.1 滑块速度加速度仿真 . 343.5.2 手 部 的 速 度 加 速 度 分 析 . 353.6 直线运动仿真分析 . 363.7 本章小结 . 39第 4 章 结 论 及 展 望 . 404.1 结论 . 404.2 技术经济分析报告 . 404.2.1 技术可行性报告 . 414.2.2 经济优越性分析 . 414.3 对进一步研究的展望 . 42参 考 文 献 . 43感 谢 . 45声 明 . 46IVDelta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究第一章 绪论11 选题背景并联机器人是复杂的空间多环机构,具有精度承载能力强刚度大,自重负荷比小，动力性能好等优点,近年来已经成为国内外学者竞相研究的热点.并联机器人的运动学及动力学建模与分析是并联机器人研究的重要领域之一.其运动学分析,不仅是评价并联机器人机构性能的重要内容,也是并联机构尺度优化综合的依据;而动力学分析又是实现高精度控制的基础,但传统的分析方法比较复杂与烦琐。虽然目前这方面的研究也取得了一些进展,但并没有把它们结合起来。本文基于具有强大建模，装配功能的 UG软件和可视化仿真技术于一体的ADAMS软件相结合的技术,以三自由度高速并联机器人机构为例详细阐述了应用该法实现并联机器人机构运动学和动力学分析的全过程,避免了 ADAMS 建立复杂模型困难和 UG动力学仿真能力较弱的问题.该法简单，快捷，实用,可以避免大量的数学计算和烦琐的编程工作,在一定程度上加快了并联机器人由理论模型向虚拟样机乃至产品转换的进程 【1】。1.2 并联机器人的发展及特点并联机器人作为近年来机器人研究的热点之一。目前其应用几乎涉及现代尖端 技 术 的 各 个 领 域 ,如 应 用 于 航 空 航 天 的 运 载 工 具 模 拟 器 、卫 星 跟 踪 系 统 及 飞 船 对接器等,应用于航海的潜艇救援对接器,应用于机电工业的并联机床、空间位姿测量机、6 维运动补偿器及汽车生产线上用于大件装配等,此外在医疗器械、工程机械 、微 型 微 动 机 械 、军 工 装 备 等 领 域 亦 多 有 应 用 。从 机 构 选 型 的 角 度 看 ,凡 是 需 要把转动、移动或其复合运动转化成空间复杂运动的场合都有应用并联机器人机构的 潜 在 可 能 性 。从 这 一 角 度 讲 ,并 联 机 器 人 机 构 在 21 世 纪 将 获 得 更 为 广 泛 的 应 用是毋庸置疑的。与传统的串联机器人相比，并联机器人具有较高的刚度和精度，较高的承载与强度之比，驱动方便，定位精度高、位置反解求解容易等优点，可广泛应用于工业、军事、航天等领域。并联机器人的研究进入实际 的工程应用阶段，但是，由于并联机器人在设计、制造方面还很不成熟，并且生产成本较高，利用 计算机1Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究仿真系统作为机器人设计和分析的安全可靠、灵活方便的工具就发挥出重要的作用。通过仿真系统，可以直观、真实地表达并联机器人，可以在运行真实系统之前了解机器人的运动过程、到达设定点的轨迹以及运动中是否会出现杆系干涉等情况，从而使并联机器人的设计和研究变得更为有效。跟相应的串联机器相比，并联机器的主要特点是：1. 刚度高，承载能力与整机质量比大。2. 移动部件质量轻可获得很高的动态特性，容易实现高速、高加速度的运动。3. 不存在误差累计，可获得较高的运动精度。4. 零件标准化程度高，易于实现模块化设计。5. 作业空间与机器尺寸比小。6. 灵活性较差，运动平台的倾斜角度较小。7. 在作业空间内部存在杆件干涉和奇异位形的危险。目 前 已 经 提 出 的 并 联 机 构 超 过 100 种 ，但 4 自 由 度 和 5 自 由 度 的 并 联 机 构 并不 多 。由 于 4 自 由 度 和 5 自 由 度 的 工 业 应 用 非 常 普 遍 ，研 究 人 员 也 提 出 了 一 些 少于 6 自 由 度 的 新 型 机 构 ，但 大 多 都 无 法 真 正 实 用 化 。主 要 原 因 是 ，这 些 机 构 一 般都依赖几何约束来获取希望得到的自由度，实际上，这些几何约束很难高质量地实 现 ，这 也 就 导 致 了 机 构 将 产 生 附 加 运 动 。还 有 一 种 研 究 思 路 是 ，利 用 6 自 由 度并 联 机 构 来 完 成 4 自 由 度 或 5 自 由 度 的 工 业 应 用 。尽 管 对 于 作 业 环 境 来 说 ，机 构的 运 动 能 力 是 冗 余 的 ，但 由 于 6 自 由 度 机 构 的 所 有 运 动 链 是 相 同 的 ，并 不 会 对 机器的制造成本增加很多。此外，利用冗余自由度可以扩大机器的加工范围、提高机器的操作性能 【2】。目 前 的 另 一 个 研 究 趋 势 是 ，采 用 串 并 混 联 结 构 来 实 现 4 自 由 度 或 5 自 由 度 的工业应用。混联机构至少包含一个串联和一个并联运动机构，这种结构在机器人领 域 应 用 比 较 广 泛 ，大 概 占 该 领 域 整 个 并 联 机 器 的 40%。同 纯 并 联 机 构 相 比 ，由于其末端执行器具有更大的倾斜角度，作业空间较大，适合需要灵活性较高的应用环境。1.3 虚 拟 样 机 的 发 展 及 特 点机械系统动态仿真技术又称为机械工程中的虚拟样机技术，是随着计算机技术 的 发 展 而 迅 速 发 展 起 来 的 一 项 计 算 机 辅 助 工 程 (CAE)技 术 。它 是 建 立 在 多 刚 体2Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究系 统 动 力 学 理 论 (多 刚 体 动 力 学 是 近 年 来 在 经 典 力 学 理 论 的 基 础 上 发 展 起 来 的 专门 解 决 复 杂 机 械 系 统 运 动 学 和 动 力 学 问 题 的 新 的 科 学 分 支 )基 础 上 的 。工 程 师 在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后根据分析结果改进设计方案，利用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机技术可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品的开发周期，大量减少产品开发成本和费用，明显提高产品的质量和性能， 获得最优化和创新的设计产品。虚拟样机技术在产品的设计开发方面的主要优点：1.同物理样机 试验相比，更快、更 节约成本地分析设计 的改变；2.开发流程的每个 阶段获得更完善的设计信息，从而降低开发风险；3.通过分析大量的 设计方案，优化整个系统的性能，从而提高产品质量；4.仿真分析方法随意改变，而无 须更改实验仪器、固定设备以及实验序；5.在 安 全 的 环 境 下 工 作 ，不 必 担 心 关 键 数 据 丢 失 或 由 于 恶 劣 人 气 造 成 的 设 备失效；正是由于这一技术的明显优势，目前许多世界著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，并取得了很好的经济效益。根据国际权威人士的统计和预测，传统的机械系统实物实验研究方法，将会在很大程度上被迅速发展的计算机仿真技术取代。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各个构件在任意时刻的位置、速度、加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各个构件运动所需要的作用力和反作用力。现 代 机 械 结 构 设 计 , 不 仅 仅 局 限 于 简 单 的 静 态 的 平 面 设 计 , 而 是 越 来 越 侧 重于三维实体设计和动态分析。机构仿真是机械系统现代设计方法中的一门新的应用 技 术 , 它 具 有 模 拟 样 机 数 值 仿 真 、缩 短 设 计 周 期 、降 低 设 计 成 本 、在 物 理 样 机产 生 之 前 预 先 评 估 设 计 作 用 和 功 效 , 是 现 代 机 械 设 计 系 统 设 计 技 术 的 经 典 所 在 。例 如 在 变 形 移 动 机 器 人 的 方 案 设 计 过 程 中 , 在 物 理 样 机 生 产 之 前 对 其 进 行 三 维 设计 和 动 力 学 分 析 , 通 过 得 到 的 各 种 方 案 的 优 劣 和 性 能 参 数 , 缩 短 方 案 设 计 技 术 周期 ，从 理 论 上 分 析 机 构 在 运 动 过 程 中 的 作 用 机 理 。首 先 , 通 过 三 维 软 件 对 移 动 机器人进行结构设计, 利用 UG 软件良好的三维造型和装配功能进行整体模型设计;然后, 将在 UG 中建立的模型导入 ADAMS 中进行运动学和动力学仿真分析, 得3Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究到机构的运动学和动力学参数, 并在此基础上进行优化设计,得到更好的设计参数,为设计人员进行优化设计提供参数依据。1.4 虚 拟 样 机 技 术 的 研 究 意 义尽管并联机器人在理论上存在很多潜在优点，但这些优点并未在实际应用中完全显示出来。一个主要原因是，一些理论问题和实用化的关键技术没有彻底解决。由于并联机器人的输入和输出运动存在很强的非线性关系，很难直观地判断和评价一个机构的运动是否可行，性能是否满足要求。这对设计者提出了极高的要 求 ，不 仅 要 具 备 精 深 的 机 构 学 知 识 ，还 要 熟 悉 机 器 人 和 机 床 的 控 制 。尽 管 这样，设计中仍然不可避免地会出现构想与实际不相符的地方。造成的后果是设计周 期 长 、工 作 量 大 、风 险 大 ， 很 难 适 应 商 品 化 的 要 求 。因 此 ，一 个 能 支 持 并 联机床所有设计活动的一体化软件集成环境很有必要。首先，它可以将多种已经成熟的设计方法和理论集成在一起，为使用者提供学习和训练的工具；其次，它能为设计者提供设计分析、性能评价、运 动仿真等多种设计工具，提高 设计效率，保证设计的准确性；另外，设计者还可以将自己的设计实例增加到平台上，不仅可以提供给他人参考，也可以将自己的设计经验和设计成果逐渐积累起来。虚拟样机技术就是这样的前提下发展起来的。利用仿真技术可以方便地建立机器人的虚拟样机模型，在设计之初，就可以实现对整个系统的运动分析、动力分析、 载荷及应力分析等，可大大提高机器人本体设计的质量和效率。而且，仿真软件的应用可以使设计更为优化，即在 计算机上修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案， 对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案。同时，通过计算机仿真可以代替已有的物理样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机现场实验的风险。利用实验数据对仿真模型进行修改，以更加真实的仿真模型代替物理样机进行多次实验，综合仿真数据与实验数据对所设计的物理样机性能做出准确的评价及提出改型建议 【3】。1.5 本 课 题 所 研 究 的 内 容 及 要 解 决 的 问 题通过系统的学习研究，对本课题的研究有了更深一步的理解，具体研究内容是： 对 并 联 机 器 人 进 行 三 维 建 模 与 结 构 分 析 。采 用 三 维 建 模 软 件 UG对 并 联 机 器4Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究人 进 行 各 个 零 件 的 建 模 与 装 配 ，并 对 这 个 Delta 系 列 高 速 并 联 机 器 人 进 行 了 结 构分析。利用 ADAMS 软件与 UG 软件的接口，把装配好的三维模型导入到 ADAMS 当中，进行定义刚体，添加约束等工作，形成 这个三自由度并 联机器人的虚拟样机的机械系统模型。通过给机器人终端以运动轨迹，对运动过程进行运动学分析，动力学分析。应 用 ADAMS 软 件 提 供 的 点 驱 动 、样 条 函 数 和 测 量 等 功 能 来 求 解 系 统 的 运 动 学 逆解 。在 运 动 学 仿 真 过 程 中 可 以 观 看 机 器 人 运 动 的 仿 真 动 画 ，并 把 动 画 做 成 电 影(avi 文 件 )。对 系 统 模 型 进 行 后 处 理 ，得 到 系 统 各 个 部 件 的 位 移 、速 度 、加 速 度的数据曲线，对得到的数据曲线进行观察分析，并 对设计方案提出可行性修改意见。5Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究第二章 三自由度并联机构的选型分析及模型简介机器人机构学是机器人学的重要组成部分，也是机械学的重要分支。它以机器人操作机(机器人的机构)为研究对象，从几何学和机构学的角度，分析它的构形特征、运动规律、力学性能等有关方面的 问题，为 机器人操作机的设计、控制和调整提供理论基础。自第一台机器人出现以来，机器人尤其是并联机器人机构的设计就一直是人们关注而且至今尚未圆满解决的具有挑战性的课题。由于机器人机构尺寸决定了其性能优劣，所以在机器人虚拟样机的三维建模过程中，需要准确的零件尺寸与装配尺寸，而且建模过程是一项繁重的工作。 设计人员可以直接在计算机上对机器 人 模 型 的 计 算 、处 理 的 中 间 结 果 做 出 判 断 、修 改 ，以 便 更 有 效 地 完 成 设 计 工 作 。计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造有利条件，并且三维模型能让相关设计人员和非技术人员非常直观的观察到设计出来的产品形态。因此，本课题采用UG为并联机器人建立三维模型。UG 系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人 员的设计思想与习惯，整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型【4】。2.1.并联机构方案选择机械部分设计的主要内容是三自由度并联机械手机构的设计换而言之就是并联机构的设计。并联机构的特殊性使得并联机构反解容易获得，这给构件的加工带来了方便。但是并联机构的正解却难以获得，在 这方面国内外专家进行了大量的研究。在机构优化的基础上得出了部分并联机构的封闭解。在反解得求解过程我们得到的启示是在并联机床机械结构设计时，不能单单只考虑机构的特性同时要考虑到并联机构设计时为反解得获得带来方便。Hunt 基 于 构 件 数 目 和 选 择 不 同 类 型 铰 链 基 础 上 ,提 出 了 23 种 比 较 实 用 的 并 联结构形式,并指出构型的差异主要源于驱动方式和铰链配置的各种可能组合。在此基础上,各国学者根据机器人所要完成的任务提出各种不同类型的机构,现有公开 的 并 联 机 构 有 80 多 种 。在 大 量 的 基 础 上 结 合 本 课 题 实 际 内 容 提 出 以 下 几 种 方案6Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究方案一：3-TPS(虎克铰-移动副-球铰)，机构并联安装的三根驱动杆将运动平台连接在固定平台上。刀具固定在运动平台上。每个驱动杆一端通过虎克铰将固 定 平 台 连 接 ，另 一 端 通 过 球 铰 与 运 动 平 台 连 接 。该 机 构 的 自 由 度 为 6，工 作 空间 较 大 ，工 作 空 间 关 于 X轴 对 称 ，但 不 关 于 Y、Z对 称 。工 作 空 间 中 没 有 奇 异 行 位和 不 定 行 位 ，具 有 良 好 的 可 操 控 性 。雅 可 比 条 件 指 标 C(j)在 随 X、Y、Z轴 变 化 时没有突变所以机构的灵巧性较好；由于该机构活动片柜台没有扭转任意两个驱动杆共面，即去动杆没有干涉，且没有奇异行位 ,同时转动轴线受切削力矩小、水平约束机构可以兼作测量链。方案二：3-TPT(虎克铰-移动副-球铰)，该机构的正解可以写出显示表达，通 过 以 上 的 对 于 三 自 由 度 并 联 机 构 的 运 动 学 分 析 ，可 以 得 出 该 3-TPT 机 构 正 反 运动学计算简单，可以写出显式表达式，它不存在奇异点和死点、无藕合、易于实现实时控制。同时得出当上下平台外接圆半径相等，即: 时，运 动方程有无穷多组解，此时该并联机构处于不定形结构，所以该种机器人设计时必须取 。在 工 业 中 ,三 杆 并 联 机 构 (Tripod)和 六 杆 并 联 机 构 (Hexapod)应 用 最 为 广 泛 ,Delta 机 构 和 Tricept 机构是典型的三杆并联机构, Stewart 平台是典型的六杆并联机构。Delta 机构有六自由度机构和三自由度机构。Delta 机构的特点是:运动部件质量轻,加 速 度 可 高 达 10g。本 文 考 虑 各 方 面 因 素 选 择 Delta 型机构。2.2 运动规划和控制对自由运动机器人来说，控制的目的是要控制机器人手端的位置和姿态，即所谓位置控制问题。这时希望机器人手端所达到的位置称为期望位置或期望轨迹。期望轨迹可以在机器人任务空间中给出，也可通过逆运动学关系转化为机器人关节空间中的期望轨迹。期望轨迹通常有两种形式:一种是一个固定位置(即固定点);另一种是一条随时间连续变化的轨迹。自由运动机器人位置控制的目的，是要使机器人手端从任意起始位置出发都能到达期望轨迹。本文按照实际要求，我们模拟并联机械手焊接， 让它走两条轨迹：直线轨迹，圆形轨迹。2.3 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 简 介7Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究并联机器人机构学问题属于空间多自由度多环机构学理论，是随着对并联机器人的研究而发展起来的。研究并联机器人机构学理论对研究和控制并联机器人有着特殊重要的意义。并 联 机 器 人 机 构 可 以 定 义 为 :上 下 平 台 用 两 个 或 两 个 以 上 分 支 相 连 ，机 构 具 有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但是从机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分别在不同的环路上的并联多环路机构都可以称之为并联机构。一般说来，根据原 动件的驱动方式可将并联机构的类型划分为三大类。(1) 旋转驱动型(Rotary Actuation t ype，简 称 RA 型 )；(2) 腿 长 可 变 型 或 称 Stewart类 型 (Variable Legs length.简 称 VL 型 )；(3) 固定导向驱动型(Fixed Line a actuation t ype，简 称 FL 型 )。本文研究的 Delta 系列三自由度高速并联机器人就属于腿长可变型（VL 型）。2.3.1 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 自 由 度 分 析 计 算根 据 Kutzbach Grubler 公 式 ：M = 6(n g 1) +gi=1fi (2-1)f式 中 ：M 为机构自由度数； n 为机构总构件数；g 为 关节数； 为所有关节自由i度 总 数 。该 机 构 上 下 平 台 共 有 构 件 8 个 。联 结 这 8 个 杆 件 共 有 9 个 运 动 副 ，其 中包 括 3 个 球 铰 链 ，每 个 球 铰 链 相 对 自 由 度 为 3；3 个 虎 克 铰 ，每 个 相 对 自 由 度 为 2；3 个移动副；每个相对自由度为 1，所有运动副的相对自由度数为 18。求得该机构自由度为：M = 8 9 1) (2-2)6 ( +18 = 6Delta 机 构 中 ，还 需 要 约 束 3 个 转 动 自 由 度 ，由 于 每 两 个 驱 动 滑 块 所 在 的 固定滑杆是平行的，滑块运动的时候运动规律是完全一致，这也就约束了三个转动运 动 副 。所 以 ，该 机 构 的 自 由 度 为 ：M = 3 。2.3.2 CAD 三 维 技 术 及 软 件 介 绍本 课 题 采 用 UG软 件 完 成 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 建 模 与 装 配 。UG软 件 是 美 国 UGS 公 司 (Unigraphics Solutions Ins.，现 己 被 EDS 并 购 )开发 的 ，当 今 世 界 上 最 先 进 和 紧 密 集 成 的 、面 向 制 造 行 业 的 CAD/CAE/CAM 高 端 软8Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究件 。作 为 一 个 集 成 的 全 面 产 品 工 程 解 决 方 案 ，UG软 件 家 族 使 得 用 户 能 够 数 字 化地 创 造 和 获 取 三 维 产 品 定 义 。UG软 件 被 当 今 许 多 领 先 的 制 造 商 用 来 从 事 概 念 设计、工业设计、详细地机械设计以及工程仿真和数字化地制造等各个领域。UG 的 主 要 功 能 和 特 点 如 下 :1.轮廓的参数化设计参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘过程中产生的。这些尺寸在产品设计的各个阶段都能修改。尺寸修改后，零件的形状将随之改 变 。设 计 人 员 可 以 在 草 绘 模 块 中 体 现 自 己 的 设 计 思 想 。草 绘 是 先 进 CAD 系 统 的基本功能，草绘与零件造型往往是密不可分的。2.零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。常用的零件可以存储在零件库中，供需要 时调用。零件造型能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。 对已有的零件造型 提 供 方 便 的 管 理 ，以 便 存 储 、归 档 或 与 其 他 系 统 交 换 数 据 。先 进 的 CAD 系 统 都提供参数化的基于特征的实体造型方法。3.曲面造型现在，日常生活用品越来越注重人性化的外观设计。在飞机、汽车、轮船的外观设计中则必须提供具有良好流体动力学特性的曲面，以改善其运动性能。曲面造型提供了在计算机中生成、 编辑自由曲线和曲面的方法，比采用石膏造型更快速、更精确、效果更好。曲面造型完成以后可以直接送到零件造型模块中进行零件设计，也可以送到分析系统中分析其流体动力学特性。曲面造型有时也可以在设计完成后和在产品出厂前产生供产品宣传使用的仿真图片(效果图)。4.装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。对于复杂的产品，装配造型可提供多 样的方法提高造型的效率。装配造型还提供了完善的系列化产品的设计方法，如通过更换部分零件来改变一种产品的类型。5.工程图生成9Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究6.数据交换功能7.二次开发8.标准件库应用 UG 的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零部件模型。根据已建立的三维零件模型，UG 的各种应用功能既可对模型进行装配操作、创建二维工程图，也可 对模型进行机构运动学、 动力学分析和有限元分析，进行设计评估和优化。同 时，还可根据模型设计工装夹具、进行加工处理，直接生成数控程序，用于 产品的加工。总之，使用 UG 可以为各 种 规 模 的 企 业 带 来 显 而 易 见 的 价 值 :更 快 地 递 交 产 品 到 市 场 ；使 复 杂 产 品 的 设 计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力 【5】。2.3.3 利 用 UG 建 立 Delta 系 列 三 自 由 度 高 速 并 联 机 器 人 三 维 模 型构造虚拟样机必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能达到仿真时对可信度的要求。三自由度并联机器人是一个较复杂的机械结构，按照是否存在相对运动将机器人划分为:静 平 台 、驱 动 滑 块 、连 杆 、动 平 台 及 铰 链 相 关 部 件 。驱 动 滑 块 由 一 个小的机械系统组成，主要有电机、 丝杠、轴承、固定滑道、固定杆等装置，另外还有一些附属装置，如计算机、托架、定位板等零件。首先建立静平台模型，在UG2.0 系 统 下 打 开 新 文 件 ，选 择 mm 单 位 ，起 一 文 件 名 ，点 OK 进 入 UG 界面，点击 进入零部件建模界面，点 进行草绘。对 于 刚 性 物 体 用 ADAMS 建 立 运 动 学 模 型 时 ，不 必 过 分 追 求 构 件 几 何 形 体 的 细 节部 分 是 否 同 实 际 完 全 一 致 ，可 以 简 化 模 型 。因 为 从 程 序 的 求 解 原 理 来 看 ，只 要 仿 真构 件 的 几 何 形 体 质 量 、质 心 位 置 ，惯 性 矩 和 惯 性 积 同 实 际 构 件 相 同 ，仿 真 结 果 便 是等 价 的 。也 就 是 说 ，只 需 保 证 各 个 运 动 构 件 之 间 的 相 对 尺 寸 正 确 就 可 以 了 。这 样 既可 获 得 较 满 意 的 运 动 学 仿 真 结 果 ，又 可 节 约 大 量 的 几 何 建 模 时 间 。本 系 统 主 要 部 件有 静 平 台 、驱 动 滑 块 、连 杆 、动 平 台 、机 械 手 的 实 体 模 型 如 图 2-1，图 2-2，图 2-3，图 2-4，图 2-5。10Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究图 2-1 静 平 台图 2-2 驱 动 滑 块11Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究图 2-3 连杆图 2-3 动平台12Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究图 2-4 机 械 手2.3.4 利 用 UG 装 配 模 型下一步就是对这些零件进行装配。在 UG软件中，任何一个.prt 文件都既可以作为零件文件，也可以作为装配文件，通常将 .prt 文件称为部件。当新建零件文件 时 ，要 选 择 下 拉 式 菜 单 Application 中 的 Modeling选 项 ;新建装配文件时，要选 择 Application 中 的 Assemblies选 项 。装 配 建 模 的 大 概 过 程 如 下 :A,选 择 下 拉 式 菜 单 Application 中 的 Assemblies选 项 后 ，在 图 形 区 域 的 下 方就会出现装配工具条B, 点 击 Add Existing Component图 标 ，向 新 打 开 的 装 配 文 件 中 添 加 第 一 个已创建的零件模；C，重复第二步，向装配文件中添加第二个零件模型；13Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究D，点 击 Reposition Component图 标 ，在 进 行 装 配 操 作 前 ，先 按 正 确 的 装 配位 置 给 第 二 个 零 件 重 新 定 位 并 隐 藏 不 需 要 显 示 的 曲 线 、草 图 、对 称 轴 和 坐 标 系 等 ；E，点 击 Mate Component图 标 ，选 择 正 确 的 装 配 类 型 进 行 装 配 ；F，重 复 B，C，D，E 步 骤 ，直 至 将 所 有 的 零 件 装 配 完 全 。本文并联机器人的球铰和虎克铰的实现是通过铰链和一些圆柱副的组合形成的。如图 2-5，2-6 分别是虎克铰和球铰的装配图。2-7 为最后的整体装配效果图。图 2-5 虎 克 铰14Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究图 2-6 球铰图 2-7 并联机器人整体装配图15Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究2.3 本章小结本文要实现的是高速并联机器人的三个坐标轴方向的平移，通过不同类型的机构的比较，选择了 Delta 三自由度高速并联机器人，之后，根据实际焊接的需要 ，确 定 机 械 手 路 径 规 划 ：直 线 轨 迹 ，圆 形 轨 迹 。在 此 基 础 上 通 过 UG 建立机器人 的 三 维 造 型 ，下 一 步 将 模 型 导 入 ADAMS 建立虚拟样机和仿真做好了准备。16Delta 系列三自由度高速并联机器人动态仿真研究第三章 并联机器人的运动学分析与仿真并联机器人的运动学分析及动力分析是一个非常复杂的计算过程，自编程序的 通 用 性 和 正 确 性 需 要 大 量 的 验 证 。ADAMS 软 件 是 一 个 大 型 的 仿 真 软 件 。以ADAMS软 件 为 基 础 ，针 对 并 联 机 器 人 建 立 了 分 析 用 模 型 ，给 出 一 种 基 于 ADAMS 的的运动学及动力学分析方法。这种方法不需大量的数学计算和计算机语言编程工作，非常快捷、方便、准确。从分析结果可以看出这种分析方法得到的解完全可以 用 到 实 际 中 。本 文 将 采 用 ADAMS软 件 来 分 析 delata 系 列 并 联 机 器 人 的 正 解 和 逆解 及 求 解 过 程 中 的 运 动 学 和 动 力 学 分 析 ，并 做 优 化 分 析 。下 面 ，首 先 认 识 下ADAMS软 件 。3.1 ADAMS软 件 简 介ADAMS 是 英 文 AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems 的 缩 写 ，提供了强大的建模仿真环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析。与其他 CAD/CAE 软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能.在当今动力学分析软件市场上，拥有 70%的市场份额，广泛 应用于机器人、航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备和工程机械等领域。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚 拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类 型 虚 拟 样 机 分 析 的 二 次 开 发 工 具 平 台 。ADAMS 软 件 包 括 核 心 模 块ADAMS/View(基 本 环 境 )、ADAMS/Solver(求 解 器 )以 及 其 他 扩 展 模 块 有ADAMS/Post Processor(仿 真 后 处 理 模 块 )、ADAMS/Controls(控 制 模