重型堆探机器人在Solidworks中设计三维仿真系统

　　本文探讨了重型堆探机器人在Solidworks中设计三维仿真系统相关内容。

　　随着机器人研究的深人和应用领域的拓展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的安全可靠、灵活方便的上具，发挥着重要的作用，是机器人研究领域的一项很重要的内容。仿真利用计算机模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，揭不机构合理的运动方案和控制算法，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。

　　由于计算机技术的发展，特别是计算机图形技术的飞速发展，出现了许多计算机三维动态仿真软件，如美国MDI公司的ADAMS，即机械系统动力学白动分析软件;SolidWorks公司的Designer/Dynamic Motion动力学仿真软件等。本文采用SolidWorks作为建模软件，选用其自带的Designer/Dvnamic Motion(以下简称Motion、作为动力学仿真软件对机器人运动过程进行动态仿真本文论述的专用重型桶装物品堆垛机器人是为了满足某冶炼厂生产实际需求，要将辊道输送线,的桶装砒酸(108公斤/桶)不损坏油漆及开启销定位搬至包装箱堆垛并打捆，以待装集装箱。

　　1机器人的三维装配体建模

　　在进行机器人的三维动态仿真之前，必须对机器人进行建模，也就是机器人装配设计。在装配中，首先必须进行部件的装配。本文论述的机器人部件包括拨盘部件、槽轮部件、立柱部件、手臂部件等为r动态仿真的需要，进行总装配之前，首先必须知道零件中哪些为不动件.哪些为可动件将不动零件装配在一起形成拨盘部件。在总装配时，首先确定拨盘为基部件.即为其它部件装配时的参考体〔其它部件为子部件，如槽轮部件、手臂部件等。然后，将子部件和其他零件利用装配约束关系在基部件上装配.

　　2机器人的动态仿真

　　在机器人装配完成后，我们就可以对机器人进行动态仿真分析在SolidWorks工具菜单中选择插件，弹出对话框，选择COSMOS/Motion单击确定，进人Motion界面，就可以进行动态仿真。

　　(1)零部件分类和添加约束

　　在仿真之前，必须在零部件中确定运动部件和固定部件，将固定部件拖动到Ground Parts目录下，余下的就是运动部件，它们放在Moving Parts 目录下。在机器人仿真中， Ground Parts有拨盘部件等，Moving Parts包括槽轮部件、立柱部件、手臂部件等。也可以在进入Motion时，选择自动零部件分类，计算机按照装配时的装配关系决定哪些是运动部件，哪些是固定部件.

　　在Motion中，添加约束的步骤是:首先，打开添加约束对话框;其次，选择零件，可以在管理树中也可以在显示窗门中选择;然后，确定约束的位置;最后.确定约束的方向。

　　在机器人系统巾，添加的约束有四十多个，其中铰链约束、圆柱副约束最多。机器人的约束类型取决于机器人装配时的约束关系，如同轴关系在约束中就添加为圆柱副约束。在机器人中，拨盘和拨盘轴、槽轮和工作台之间的约束均为圆柱副约束。

　　(2)载荷的添加

　　动力学仿真中载荷的添加是一个重要的环节。Motion中载荷主要分为二类，即外界作用力、相互作用力和重力。在添加载荷之前，必须了解载荷的以卜几个方面:①载荷的种类，该载荷是力还是力矩;②该载荷作用在哪个或哪些零件上;③载荷作用点;④载荷的大小和方向:

　　在机器人中，机器人是通过电机带动槽轮机构从而实现运动的。因此，载荷实际上是一个力矩，而且是一个随时间而变化的力矩。

　　(3)材料的选择

　　在Motion中，提供了一个材料数据库，可以从中选择材料赋给所需要的零件。当零件材料比较特殊时，Motion提供了材料的添加功能，可以根据所需材料的属性定义将一个新材料添加到材料库中，属性包括密度、比热、刚度、弹性等。

　　在机器人中，给每一个零件都根据实际定义了材料属性。拨盘轴、槽轮轴、滑轮轴是45号钢，工作台转盘是ZG35，拨盘、滑轮、滑轮架、槽轮是HT20-400。

　　(4)运动的获得

　　通过定义系统遵循一定的规律进行运动，一方面可以对系统的某些自由度进行约束;另一方面可以进行运动仿真。

　　在Motion中，定义一个系统的运动是靠定义一个约束的运动来获得。在约束中，如果不是固定约束，总有一个或几个自由度没有约束，而在这些自由度上就可以添加运动来约束自由度。

　　在机器人中，机器人的动力是通过电机获得的电机的运动带动拨盘抽的转动，而拨盘轴是用键跟拨盘固定在一起，因此，给予拨盘轴的转动就等于给予拨盘的运动。

　　(5)动态仿真

　　在动态仿真之前，必须刘机械系统完成添加约束、载荷，给零件赋予材料，添加运动等。

　　在动态仿真时，为了获得理想的效果，必须对仿真进行设定，动画仿真的实质是静态的图片利用视觉的暂留现象一帧一帧的连续播放。因此，必须设定仿真的时间.仿真的起始帧画、结束帧画，前一幅帧画到后一副帧画的间隔时间。

　　在机器人的动态仿真中，设置的仿真时间是10秒，设置的动画帧数是500幅，如图1所示。在仿真控制板中，可以对仿真进行操作，如对仿真时间的修改等。

　　3仿真结果处理

　　任何一个动画仿真都是为了获得仿真后的结果，对结果进行分析，根据结果对参数进行修改，如此反复，直到得到最优的结果为止。

　　在Motion中，对仿真结果显示和分析的方法主要有:

　　①将结果用动画的形式，即将动态仿真用AVI动画播放;

　　②将结果以坐标曲线的图形表示，在SolidWorks界面中动态仿真后，我们就可以查看曲线图，得到所需的结果;

　　③仿真结果以Excel表格数据或Text文档形式输出，从表格数据和文档中直接读出数据，进行数据分析

　　本文主要研究第一方面内容，即将结果用动画的形式表示出来，得到机器人仿真的视觉效果，即机器人是如何运动的，以何种方式运动，从而获得一个感性的认识。

　　当运动仿真完成后，点击Motion菜单中的Export Resalts子菜单中的To AVI Movie,就可以将仿真以动画的形式播放出来。

　　如图2所示，机器人的AVI动画在RealPlayer中的一个片段，在动画中，设置的播放时间是10秒。从动画中可以看到拨盘带动槽轮运动，机器人手臂左右摆动，符合本文设计要求。

　　4小结

　　对于机器人的设计来说，根据仿真分析，可以有以下用途:

　　①检查机器人各零部件能否装配成总体以及机器人运动时零部件之问有无碰撞、干涉现象发生;

　　②分析系统的运动特性，得出系统运动规律，检查是否符合要求;

　　③提高设计效率，简化设计开发过程，缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和制造成本;

　　④提高产品的系统性能和产品质量，获得最优化和最创新的设计产品。