基于UG的装箱机器人设计及其运动仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上编号青岛大学毕 业 设 计 技 术 报 告课题名称：基于UG的装箱机器人 设计及运动仿真 学生姓名： 学 号： 110 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 指导教师： 2015 年 06月专心-专注-专业摘 要随着科学技术的不断进步和社会的发展，人们期望更多的智能化设备来解放人类劳动。作为生产中的重要一环，产品装箱的自动化开始受到关注，于是装箱机器人便应运而生。基于现代设计方法的思想,本文介绍了电动式装箱机器人的发展和应用,对装箱机器人的机械结构设计、三维参数化建模、虚拟装配进行了研究。使用UG工程软件的独特参数化建模技术，得到装箱机器人各所有零部件的实体的模型，

2、从而实现参数化建模。运用虚拟装配技术来完成该装箱机器人所有零部件的虚拟装配，得出装箱机器人的虚拟数字模型。通过设置参数进行仿真和结构优化,实现了装箱机器人整个运动过程的仿真，检验了所取方案及所建模型的合理性，验证了装箱机器人结构设计可行性。为以后的装箱机器人设计和改进提供了依据，具有一定的科研和社会效益。关键词：装箱机器人 UG 虚拟装配 运动仿真ABSTRACTWith the constant progress of science and technology and the development of the society,people expect more intelligen

3、t equipment instead of manual labor.As an important link in production,product packing automation has began to be concerned.Therefore,the loading robots appeared.According to the idea of modern design,this paper introduces the development and applications of electrical type loading robots,the s

4、tructure of the machine is designed,three dimensional parameter modeling,virtual assembly and simulation of kinematics and dynamics are also studied in this paper.3D solid models of exchanging worktable dispensers parts are established by software UG,And parameter modeling is also achieved.Virtual a

5、ssembly technology is used and the integral virtual assembly model of the dispenser is gained.Setting the function parameters to do dynamic simulation as well as structural optimization,and realizes the loading robots' motion simulation of the entire movement, examined the scheme and the rationa

6、lity of the model and verified the feasibility of the robot structure design,and provides basis for product design and improvement of the robots,have made a certain scientific research and social benefits.Keywords: loading robots; UG; virtual assembly; motion simulation目 录第1章 绪 论1.1课题研究的来源及概况随着

7、社会生产力和科学技术的日趋发展，社会生产的分工更加明确，这在现代化的大产业中表现的尤为明显。有一些人每天就只管一批衣服上的一颗纽扣，有的人整天就是盯着电脑屏幕，就像电影摩登时代中表达的那些镜头，人们感到自己在一步步走向异化，进而导致各色职业病逐渐产生，所以人们强烈希望用某种智能设备代替人类工作，于是科学家经过不懈努力做出了机器人，用以代替人们去完成那些讨厌、无趣、消耗生命的工作。装箱机器人契合了人们的这项要求，经过数代科学家的辛勤耕耘，如今的装箱机器人已具备较强的工作能力，在越来越多的场合发挥着重要作用。但是美中不足，年轻的装箱机器人还需要成长，许多地方亟待改进。基于此，本文在总结国内外机器人

8、研究的成果之后，提出适当改进，增加了设计者的独到见解。1.2虚拟仿真技术及其意义虚拟仿真又被叫做虚拟现实技术，通俗地讲，就是用一个虚拟的系统来模仿另一个真实系统。而严格的说，虚拟仿真是上世纪伴随着计算机技术的发展而产生的一项事物。随着计算机的发展，虚拟仿真也逐步形成了一个特有的体系，成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。虚拟仿真技术在产品的设计和开发当中具有极其广泛的应用，面对如今全球制造业的发展趋势，人工生产早已不再适应生产力的发展和人民生活质量的提高，高新技术已显示出及其巨大的威力，并且的应用正对工业进行着一场前所未有的革新。的产生和应用，将使工业设计更加符合当今社会发

9、展的需要，已成为现在制造业中不可或缺的一部分。1.3课题主要研究内容本文在研究装箱机器人设计的理论基础上，深入研究UG NX8.0的运动仿真模块的应用，完成了装箱机器人的结构方案设计设计及其运动仿真。内容如下：（1）分析了该装箱机器人的运动方案和实现方法，使用UG建模完成机器人的三维模型；（2）设置了装箱机器人所有运动副的位置，计算并选取合适的运动副参数；（3）利用UG参数化建模对装箱机器人所有零部件的参数化建模，并对UG参数化建模方法进行总结；（4）对装箱机器人进行运动学和动力学仿真，检测该机器人设计方案的优劣。1.4UG的发展现状UG（Unigraphics NX）是EDS公司研发的工程软

10、件，针对用户产品设计与研发的要求，提供了强大而又有独特优势的解决方案。它很容易实现多种复杂实体及造型的建构。UG发展过程如表1-1所示。表1-1 UG发展详表UG发展史 UGS由美国麦道公司研发，60年代起逐渐步入商业化 1976年McDonnell Douglas收购开发Unigraphics 1989年 Unigraphics公司正式与UNIX合作1990年波音公司选择Unigraphics作为其机械CAD/CAM/CAE的标准 1991年GE发动机公司并入EDS公司，并且改名为EDS Unigraphics 1993年Unigraphics引入复合建模，可将线框建模、半参数化及参数化建模

11、融为一体1995年3M公司选择EDS Unigraphics；Unigraphics首次发布Windows NT版本 1996年通用(GM)公司将UG当做CAD/CAM的标准1998年并购Intergraph的机械CAD/CAM业-Solid Edge和EMS软件 2001年收购了I-DEAS软件，将其改为EDS PLM Solutions2003年EDS改名，成为UGS2004年Unigraphics发布了新版本的UG NX3.02005年Unigraphics发布了新版本的UG NX4.02008年Siemens PLM Software发布NX6.0 2009年NX 7.0引入了“HD3

12、D”（三维精确描述）功能，新增了同步建模技术的增强功能 2010年Siemens PLM Software在上海世博会发布了功能增强的NX7最新版本（NX 7.5）2011年 Siemens PLM Software发布了UG8.0UGNX具有以下功能1：（1）产品设计NX 包囊括了全球最齐全的设计应用，拥有独特的产品设计和运动学和动力学仿真功能，体现了设计的原创性和创新思维，能够使用多种复杂需要； （2）NC加工UG加工所有模块，提供UG加工模块框架，基于UG NX的加工模块提供了相同的接口的图形窗口环境； （3）仿真、确认和优化NX 鼓励用户运用能力范围的仿真方法来优化产品设计过

13、程，避免研发过程中不必要的时间和资金的浪费。1.5本章小结本章讲述了装箱机器人的功能实现和历史沿革,讲述了国内外装箱机器人的研究成果和未开前景。对UG进行详细的介绍，同时对系统的整体结构、运行流程、设计过程中用到的关键技术和论文主要内容给予说明。第2章 装箱机器人整体方案设计2.1装箱机器人设计方案经过分析，最终确定将装箱机器人的运行模式确定为四种，分别是自学习、手动、自动和参考点模式。在机器人自动模式时，它会判断瓶子的位置是否合适、箱子的位置是否到位，控制的信号会自行放瓶子抓瓶子的位置之间往复运行。在抓取瓶子的过程中，假如瓶子位置合适，装箱机器人则运动到该处。机器人的全部行为可分为小车的行走

14、，机械手的转动，机械手的上下移动还有机械手的抓物四个部分组成。2.2方案的选择鉴于装箱机器人的工作特点是要求运功精确，在设计时考虑将步进电机作为动力源。由于脉冲数量和频率决定了步进电机的速率，且其速率与负载变化无关，转速范围较宽，在自动化系统中的应用较广泛。机械手上下方向的动作，其实现方式有丝杠、气动和液压。综合比较，气动和液压精度低，相应的价格也较便宜，但这不符合设计要求，最终采用丝杆来实现此运动。而爪片的张合动作，考虑到运动的性质，此处可以采用，而之前没有采用此种方式，若在此处单独加入，工作量会骤增，于是同样是用步进电机来实现2。 2.3系统的通讯设计在机器人的通讯过程中，主站已经从站发送

15、请求消息包含控制和设置在站信息消息，并解析发送地址和与自己的站地址,如果是自己的信息则在规定的时间内发送响应包中包含状态信息等。数据协议中关于报文响应的有三个字，能在人机界面上显现出来的后两个字，就是32位实际的位置。这些状态字的详细定义如下图。1514131211109876543210数据输出准备好数据输出使能激活的斜率激活的参数故障正限位反限位寻参完成抓瓶寻位到放瓶寻位到JOG瓶子传动带停止箱子传送带停止到位 图2.1 状态字的定义机器人的自学习模式，就是在机器人能够记住每次抓瓶的方位，下一次抓瓶时，系统能够记住上一次学习出的位置。在手动模式中，按下“抓瓶点确认”按钮，系统首先判断机器人

16、自身是否在自学习区域，若再次趋于则显示成功，若不在就向系统反馈不成功信号并继续寻找合适位置，直到下一次抓瓶确认。放瓶位置的学习则与抓瓶位置的学习相似。其流程如下图所示。自学习开始点动 抓瓶确认？显示信息 N Y 当前位置=抓瓶位置，显示成功信息点动显示信息 N放瓶确认？ 结束当前位置=抓瓶位置，显示成功信息 Y 图2.2 自学习模式流程图2.4本章小结 本章从整体上分析了装箱机器人的设计方案，采用了无线通信技术对机器人的各项动作进行控制，选择步进电机作为动力源。装置的所有动作可分为可分为机器人的行走、机械手的转动、机械手的上下移动和机械手的抓物四个部分。此外，在对机器人在设备的选择上，也添加了

17、设计者独到的思考和见解。 第3章 机器人零件结构和参数的的设计3.1机械手的设计3.1.1抓手结构的设计将抓盘直径设计为50毫米，抓手的最大开口角度设计为120度，转动的范围为30度。结构如图所示：图3.1 四杆结构简图L1表示抓盘与连杆盘之间的长度，L2则表示爪子上两个圆柱销相距的长度，L3表示爪子跟连杆之间的最佳长度，L4表示使用的连杆。抓爪转动30度时，表示此时抓取的物体是最小的。 图3.2 四杆结构的受力分析L3/L1，取L1=10mm, 则1=45°，L4=30mm，所以 L4 =30mm。当抓手的开口最大时，如图： 图3.3 抓手开口最大此时L3、L4连成一线，则 =30

18、°, 1=30°，设L1=30mm,则 L3+L4=2cos1×30=52 mm。 所以L4=42mm，故30L4 42，取L4=40mm。3.1.2爪片的设计爪片直接与物体接触，作用是抓住物体，在结构设计上要保证抓片的这一作用，因此在其下面设计一倾角3,4，其受力如下图所示。图3.4 抓片抓物时的受力简图 Mg=cos×F+sin× cos× =sin×F （3-1） F=Mg×cos由式3-1，易知会随着F的增大而减小，若=45°，则F=2×10×cos45°=14N，N

19、=cos45°F，F=112/0.7=158 N。Cr20的=450 Mpa。取安全系数n=1.2，代入数据得，=540/1.2=450 Mpa，A （112/450）×=0.25×。所以取连杆的横截面面积为5×6 mm,连杆的尺寸为40×5×6 mm。3.2车身的设计3.2.1上车身的设计从机器人车善的功能和美观角度出发，丝杠应位于中心，其具体位置和尺寸见3.7图。中间板的直径为90mm，为了尽量的紧凑而又不干涉到转动，取孔的直径为92mm。 因为上车身没有起固定的作用，取厚度为2mm.为了更好的盖住，能用螺栓、螺钉等来连接，可以把

20、车身四周折弯10-20mm。 图3.5 上车身的结构图3.2.2下车身的设计下车身是整个系统的底座，要承受机器人及其所抓物体的重量，需要有一定的强度，而强度需要车身的材料和厚度来保证，计算得出车身需支撑9kg的质量。 根据弹性小挠度理论5 max= q （3-2）式中：-应力系数； q-设计压力，MPa ； a-矩形板短边长度，mm； t-矩形板厚度，mm。综上得 ta （3-3）表3-1 应力系数表6 b/a1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5 0.2874 0.3756 0.4872 0.5688 0.6102 0.68查应力系数表， b/a=400/200=2，得=0.6102

21、。板采用铝合金材料，则=274MPa，取安全系数为1.5，得 =s/ns=274/1.5=183MPa （3-4）代入数据得，t1.83mm，所以取板的厚度为 t=3mm。因为中间板与上车身一样高，而中间板加上轴的长度不够长，也就是说，轴承没法固定在下车身上，也没法固定了，因此我们需要做一个凸台来固定轴承，其结构如图3.6。 图3.6 下车身内部结构图 其中：H-中间板的厚度，mm； L-为轴的长度，mm； D-凸台的高度，mm。12毫米是中间板和轴之间的距离，选取9毫米厚的轴承。 代入数据得 d=100+12+9-51-27=37mm （3-5） 凸台的形状与尺寸如图：图3.7 凸台结构图3

22、.2.3支板的设计上车身和下车身已设计完毕，需要一个机构来连接两者使机器人能完成其功能，因此设计出图3.8中的支板来完成这个使命。图3.8 支板形状尺寸图 采用这种结构，会导致支板在安装到车身之间时产生重叠区，出现新的技术和工艺问题，具体见下图7。图3.9支板交接处所以，要采取措施改进设计将重叠区消除，经过反复分析和论证，决定采用两个较短的支板，如图所示。 图3.10 短支板的形状 由已知条件，选用5毫米规格的螺栓，把底端宽度定位20毫米，且板厚是2毫米，于是得出短支板的结构（图3.11）。 图3.11短支板的尺寸所以长支板尺寸要将两个短边的尺寸去掉，代入数据得，400-2×2=39

23、6mm，尺寸如图3.12。 图3.12 长支板结构图3.3本章小结 本章对装箱机器人进行了机械结构设计,并给出了各个部分的具体设计尺寸,参照国内外机器人运行参数制定出本系统运行性能参数。确定了机器人的行走、机械手的转动、机械手的上下移动还有机械手的抓物四大部分的关键零部件的合理参数，为后续的参数化建模和虚拟装配打下了基础。第4.1基于UG的参数化建模4.1.1参数化设计概述参数化设计就是设计者进行设计时采用已有的几何要素的数值，使自己的设计工作更加规范，设计的产品更加合理适用，以期达到省事省力、事半功倍的效果。具体过程如下图所示。 方程求解几何形体几何约束求解实例实力匹配几何尺寸图4.1 参数

24、化建模示意图 从根本上说，参数化设计是在系统的作用下最大限度的保持参数不变，当然这是在可变参数的影响下进行的。参数化设计为设计工作提供了便利，设计者正是在这些可变和不变参数的交替作用中，不断改进，直至产品设计成功。4.1.2参数化设计的主要实现途径参数化的模型包括工程约束和几何约束两大方面，这其中的几何约束又包括两部分内容。经过多年的发展，无数科学家的不断开发与改进，参数化设计的实现途径已展现出多元化的趋势，其主要途径有：（1）系统参数与尺寸约束； （2）特征和表达式驱动图形； （3）利用电子表格驱动图形。4.1.3装箱机器人关键零部件的设计与建模机器人各项功能的实现需要所有零件的密切配合，从

25、而取得1+1>2的效果。而组成该机器人的所有两件在未装配前，许多问题很难发觉，这也就需要借助高科技手段来发现问题、改进设计。UG的出现与发展，极大地促进了这一问题的解决。将装箱机器人的零部件进行三维建模，需要使用UG的建模功能。而UG的渲染功能，可以帮助设计者随产品的材料和外观进行优化设计8,9。在生产实际中，常用零件的特征可总结为管理特征、技术特征、材料特征、形状特征和装配特征。中心孔组合特征同轴孔复制特征阵列孔辅特征周向阵列孔槽辅助特征形状特征螺纹锥孔孔圆孔长方体主特征圆锥体圆柱体图4.2 零件形状特征分类 如上图所示，组成装箱机器人的零件特征可分为主特征和辅特征。辅特征又分为组合特

26、征、复制特征和辅助特征了，其中涉及到了孔、螺纹和槽。主特征是零件外形方面的信息，再在组成此机器人的主要零件中，涉及主特征的有长方体、圆锥体和圆柱体。不同的零件可选择不同的建模方法，可根据具体情况酌情选择。4.2基于UG的虚拟装配技术 在产品的主体方案与具体零件的设计工作完成后，需要借助虚拟装配技术对产品进行虚拟装配的相关操作。虚拟装配的作用是在虚拟环境下对具体设计进行模型组装与分析，最大限度的检验设计效果。实践证明，使用UG的虚拟装配技术能够显著缩短设计周期，提高设计质量，优化工作流程。经过长期的探索与改进，UG软件的虚拟仿真功能已日趋完善，收到越来越多用户的青睐。在众多的三维建模软件中，UG

27、软件能够一直保持自身的长处，主要的装配特点总结如下10： (1)生成装配体的方法多样； (2)用户的多个组件可以同时打开和编辑； (3)易于创建零件特征，这些特征可在任何情况下被修改； (4)具有很强的关联性，不随编辑的进行而消失关联性；(5)灵活性大，组件随总体的修改而做出相应的变化。 4.3装箱机器人虚拟装配 如今，虚拟装配已经是产品的设计开发过程中必不可少的环节。对产品进行虚拟装配可以保证设计的合理性，及时发现问题、修正问题。本论文设计的装箱机器人主要包括小车的行走，机械手的转动，机械手的上下移动还有机械手的抓物四个功能模式。虚拟装配按照由部分到整体的顺序，由零件到部件，再由部件到整机模

28、型2,11,12。（1） 建立零件图： 图4.3 固定板 图4.4 连杆盘 图4.5 连杆 图4.6 螺杆螺母 图4.7 丝杆螺母 图4.8 上车身 图4.9 中间件 图4.10 爪子 （2）机器人四大主要运动的实现： 图4.11 机器手抓物动作 图4.12 机器手臂的升降 1）抓物动作的实现由电机提供动力，由电机到丝杆，再由丝杆到螺母，最后推动连杆，爪片抓住物体（图4.11）。 2）机械臂的升降动作同样由电机提供动力，电机的转动传到丝杆，加上螺母副的作用，机械手臂便能上下移动（图4.12）。 图4.13 机械手的转动3）通过电机带动小齿轮的旋转，转动到大齿轮，使转轴开始转动，通过键的连接使中

29、间件转动，而中间件上面则是固定了丝杆和轴承，还有固定板。于是丝杆上的转臂也跟着转动，实现了机械手的转动。图4.14 机器人的移动4）小车的移动动作有前进、后退和转弯。可以通过调整，是两边的车轮具有不同的转向，使小车实现原地转弯。前进和后退则只需控制好电机转速13。4.4本章小结本章通过装箱机器人的所有零件进行了参数化建模，对该装置的设计方案进行了检验和优化设计。充分利用了UG软件的参数化建模和虚拟装配技术，体现了新的设计风格和设计思路。参数化建模和虚拟装配的实现，标志着装箱机器人设计的主体工作已经完成。 第5章 装箱机器人的运动仿真5.1运动仿真系统的整体构架5.1.1系统工作流程图 在对于装

30、箱机器人的参数和结构设计以及虚拟装配工作完成之后，还需要对装置进行运动仿真测试工作，目的是发现设计中存在的问题，使装箱机器人更加完美。本次虚拟仿真主要包括机构建模、求解和仿真三个阶段，具体过程如图所示14。载入模型，带入装配体位置坐标相互定义构件机构建模阶段定义基础构件和运动构件相互定义运动副给定驱动便便变化规律添加变量间的约束列写位移方程定义驱动变量列写速度方程机构求解阶段列写加速度方程初始条件求解方程组定义兴趣点模拟质心空间运动轨迹机构仿真阶段选择仿真次数和模式图形仿真选择干涉检查组干涉检查图5.1 系统工作流程图每一个阶段的工作，都会对装箱机器人的整个仿真过程产生影响，机构建模阶段结束后

31、，可以定义出运动副和构件，机构求解阶段结束后，便可以根据初始条件和所列方程组求解和检验参数的准确性，进入最后一个阶段，才可以进行图形的仿真。5.1.2用户操作流程图 对于装箱机器人的运动仿真还要建立一套针对用户的仿真程序，从用户的角度出发，以简明扼要、通俗易懂的语言指导用户的适用和实践，具体流程如图（图5.2）。用户文件定义用户装配模型数据机构结构建模构件定义运动副定义机构结构模型自动生成运动变量机构运动学求解机构求解结果变量初始化机构仿真处理添加变量约束干涉检查调用求解算法完成仿真机构速度加速度曲线机构运动图形仿真图5.2 机器人运动仿真操作流程图 根据装配模型数据进行机构结构建模，之后对机

32、构结构模型进行干涉检查，完成装置的运动仿真。亦可先进行机构运动学求解，再对求解结果进行机构仿真处理，最后再得到机构的运动和速度加速度曲线，完成了仿真。5.2运动仿真的创建 接下来进行装箱机器人运动仿真的创建工作，首先打开装箱机器人的模型，将其取名为yuanxing，然后点击“开始”按钮，进入下一级页面，选择“运动仿真”，在“运动仿真导航器”中选择想要对其操作的对象。图5.3 新建运动仿真界面右键想要操作的部件的名字，然后点击“环境”并在新的界面中点击“动态”，若运动仿真的工具条全都是高亮状态，就完成新的仿真创建了，如图5.3。 图5.4 创建构件仿真界面界面中会出现图标，单击这个图标，就可以创

33、建连杆，点击“质量属性”并选择“自动”模式，如上图（图5.4）。构件以及运动驱动创建完成之后，还学要运动副来连接构件，是运动驱动能够发挥作用，创建运动副的流程图如图所示14,15：备准创建各个运动驱动标识读取表格 N 创建运动副数量小于 定义数量 N Y对其中一个构建创建固定副运动副的两个构件都不为空 N Y读取构件数据和运动驱动数据 根据数据创建滑动副结束图5.5 运动副创建流程图5.3系统运动学仿真结果分析准备工作完成后，就要逐步对装箱机器人整体进行仿真结果分析，结合分析的结果对装置进行有针对性的评价和改进，本次将对装箱机器人进行以下项目的运动仿真16： (1)检验其是否按照预定的规律运动

34、； (2)检验行程是否达到要求； (3)检验速度是否达到要求。 在仿真的过程中，装箱机器人的每个机构内部都会产生图5.6中的数据，且这些数据会被软件保存留作后用，这些数据会被连续记录。通过这些数据，系统会对机构的运行进行综合判断。图 5.6 机构仿真输出数据需要指出的是，该表格生成的数据是交互式的，这些经过测试得到的数据具有极大的应用价值，它们可以用来将选定的机构驱动到特定位置。换句话说，机构的运动方式可以通过改变这些数据来实现改变，这就使机器人的运动达到了参数化，其运动方式更加易于操作。图 5.7 拉力作用下位移曲线 图5.8 拉力作用下速度曲线 由装箱机器人的速度变化曲线能够得出，机器人小

35、车的移动过程是先加速再匀速最后减速，其运动的速度在 0.16秒的时候达到了一个最大值，在此之后便一直保持着一个最大的速度运动到了2.3秒左右，接着又开始了减速过程，并且在短短的0.09秒内迅速减到了零，这一变化趋势与前面的加速度变化曲线基本能够保持一致，表明这与理论计算结果吻合较好，设计是合理的。5.4本章小结本章内容主要涉及对机器人运动仿真的系统开发环境和运动仿真系统的整体构架的介绍，在UG平台的装配环境下进行了装箱机器人虚拟运动仿真一系列关键技术。仿真完成后，对结果数据和构件在测试下的变化曲线进行分析，具有一定的技术参考价值。 总结历时六周，从收集资料、整理资料到撰写论文，终于将装箱机器人

36、的设计工作做完。在整个设计过程中，介绍了应用广泛的UG软件，详细叙述整个装箱机器人的零部件设计过程、三维建模、虚拟装配和运动仿真，并且探讨了相关技术的原理，详细的分析了机器人系统的具体实现方案。纵观全文，可作如下总结：（）装箱机器人将会在未来的工业生产当中扮演日益重要的角色，因此会有越来越多的科研人员加入到此类机器人的开发大军中；（）本文分析了UG装配模型的实现机理，针对装配模型的特点，实现了构件和运动副的自动生成的关键方法；（）笔者根据装箱机器人的运动特点，详细设计了机器人的零部件并结合UG软件建立了机构模型和运动学模型并进行了运动仿真，并在此基础之上对系统的核心功能进行了研究和探索。总的来说，此次设计为装箱机器人的虚拟装配和运动仿真提供了基础功能的参考，能够为机器人等复杂的结构的装配体进行仿真和分析探索一条行之有