基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟设计

学士学位毕业论文（设计）基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟学生姓名：马俊学号：20054024148指导教师：刘天祥所在学院：工程学院专业：机械设计制造及其自动化中国·大庆2009年6月摘要本文以六自由度焊接机械手部的三维运动仿真为背景。介绍了国内外焊接机器人的发展状况并着重分析了六自由度焊接机械手运动原理和三维制图软件SolidWorks的应用，在此软件基础上对手部进行了绘制，运动分析和动画模拟。对于SolidWorks制图软件主要介绍了其产生和发展的历史以及应用前景，具体介绍了零件三维制图的操作方法和运动过程，展示了SolidWorks强大的运动仿真功能。重点分析了六自由度机械手的三维建模和建模后运动轨迹规划的实现关键词：SolidWorks;cosmosmotion;三维运动模拟;动画模拟AbstractInthispaper,weldingrobotofsixdegreesoffreedomofhandmotionsimulationforthethree-dimensionalbackground.Weldingrobotathomeandabroadandfocusonthedevelopmentofanalysisoftheweldingrobotofsixdegreesoffreedomofhandmovementandthree-dimensionalmappingprincipleSolidWorkssoftwareapplicationsbasedonthissoftwareinthedepartmentofdrawingopponents,motionanalysisandanimationsimulation.MappingsoftwareforSolidWorksintroducestheemergenceanddevelopmentofitshistoryandapplicationspecificpartsintroducedthemethodofoperationofthree-dimensionalgraphicsandmotionsimulationoftheoperationofplug-insCOSMOSMotionprocess,demonstratedthepowerfulmovementSolidWorkssimulation.Analysisfocusedonthesixdegreesoffreedomrobotarmmodelingofthree-dimensionalmodelingandtrajectoryplanning,aftertherealizationofKeywords::SolidWorks;cosmosmotion;simulationof3Dmotion;AnimatedSimulation目录摘要 Ⅰ前言 1第1章焊接机器人概述 2焊接机器人的发展 2国外焊接机器人的发展 2国内焊接机器人研究的历史及现状 3焊接机器人应用现状 31.1.4焊接机器人的发展趋势 4焊接机械手的组成、分类 4组成 4分类 6基本型式 7直角坐标式机械手 7圆柱坐标式机械手 7关节式机械手 8第2章计算机辅助设计和SolidWorks软件的发展 9计算机辅助设计的发展 9软件的特点及前景 92.3COSMOSMotion的应用及特点 10第3章焊接机械手的设计思想 12机械手特性方程式 12手臂的设计计算 14驱动力的计算 14水平回转时驱动力矩的计算 14偏重力矩的计算 15焊接机械手各零部件的设计 16第4章三维实体建模 25模拟方案的确定 25仿真实体的绘制 26简单数学模型的建立 26模拟加载与仿真 28仿真模拟的实现 28进行运动校核 30结语 30总结 31参考文献 32致谢 33前言机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、焊接、电子、轻工和原子能等部门。机器人三维运动仿真技术在机器人的研究与应用中发挥着重要作用。它对于在实际工作中机器人行走路径的生成、工作空间防止碰撞等具有十分重要的现实意义。本文对机器人的产生发展及前景展望进行分析，主要利用Solidworks对机械手设计并进行了动态仿真，介绍了基于Solidworks设计三维零件的操作方法及运动分析插件cosmosmotion基本功能。焊接机器人的概述焊接机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科。焊接机器人的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分地代替人工操作，其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸，其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、嗓音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。焊接机器人的发展国外焊接机器人的发展焊接机器人是近十年来迅速发展起来的智能机器目前不少焊接机器人不仅具有“示教再现”功能,而且在实际焊接过程中能自动对准焊缝,焊接大量不同空间位置的焊缝。焊接机器人工作时,重复精度高,焊接质量好,而兼备装、卸工件和焊接功能,具有较高的机械化水平和生产效率,特别适宜在有毒、书强射线和水下等特殊场合作业在国外,焊接机器人除在焊接汽车车身、底盘、轿壳、车轮和十字头等零部件的生产线上获得广泛应用外,在高压容器、动力设备、大型压缩气体储罐、汽轮机叶片、水下设施和核反应堆等焊接结构上也日益显示出它的重要作用。近年来,由于焊接机器人造价迅速降低和功能不断完善,它已成为国际市场上供不应求的“热门货”。近十年来,日、美、苏、英、法等国都投入了大量的人力、物力从事焊接机器人的开发工作,其中日本焊接机器人的进展速度尤为惊人。日本从1978年开始研制点焊机器人,1980年研制成功第一个弧焊机器人，1981年日本生产了1500个焊接机器人,产值达到145亿日元,由日本工业机器人的第六位跃居为第二位目前有10家工厂具有年产1000多个焊接机器人的能力为日本发展和普及焊接机器人,于1982年成立了全国机器人焊接研究委员会。此外,许多日本大公司,如大阪变压器公司先后在大阪、东京、名古屋等地设立了焊接机器人培训学校。1984年丰田汽车公司己在其作业线上安排了1300个机器人,今年又将引进300个昼夜工作的机器人。预计在未来的五年中,日本焊接机器人的产值将迅速增长。目前世界上已有七十多种数万个焊接机器人在各种生产线上从事焊接操作。从数量和智能化的程度来看,日本的焊接机器人在世界上占明显优势,并已向美、英等国大量出口。国内焊接机器人研究的历史及现状我国自上世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。焊接机器人应用现状中国机械工程学会焊接学会和中国焊接协会进行了一次比较全面的焊接机器人在制造业中应用情况调查,结果显示,到1996年底焊接机器人已得到广泛应用。我国使用焊接机器人进行生产的企业已有几百家,全国安装的焊接机器人已超过千台套,主要集中在汽车、摩托车和工程机械个重要行业并且90%以上属于5或6轴关节式机器人。新松公司以关键技术攻关、自主产品开发、应用工程示范为技术路线,将各类汽车车身自动冲压线、白车身焊装线、汽车总装线、发动机装配线、工装夹具及输送系统的设计制造焊装线钢结构、管网工程的设计制造焊装线工艺设计、平面布置、机器人选型、机器人用自动焊钳设计与选型、非标机械装备、辅具、控制系统的设计制造与生产工艺调试等方面的先进装备技术成功应用于企业实际生产。开发出了适用性强、系统稳定可靠、操作简便、工艺结构性良好、经济高效的系列装备生产线,在机器人弧焊、点焊系统总体设计和应用工程的实施上,积累了丰富的生产线设计与机器人系统集成技术。屹今,新松公司完成的弧焊、点焊机器人工作站,各种装焊线等机器人自动化应用工程已超过600多台套，连续多年顺利通过ISO9001国际质量体系认证。解决了国内众多企业生产装备技术难题,提升了在国际舞台上的抗衡能力,为中国企业的腾飞乃至民族工业的发展起到了推波助澜的作用。焊接机器人的发展趋势 为保障公司的产品和技术与世界水平同步发展,新松公司充分利用自身的技术优势和行业地位,除了开发具有自主知识产权机器人自动化系列产品外。公司还与国际众多知名的机器人自动化企业建立了紧密的商业合作伙伴关系,紧紧围绕客户需求,公司把国外先进的机器人自动化技术、产品与自身强大的研发设计能力、先进的技术装备与完善的服务体系进行完美整合,充分发挥各自的技术和资源优势,为客户提供完整的技术解决方案和交钥匙工程。保证了公司的产品技术水平始终与世界先进水平同步,为广大客户提供最大增值服务,形成了以机器人和先进装备为主体的核心技术,从而具有较强的综合竞争优势和差异化竞争优势。随着我国汽车工业的发展和企业对自动化水平要求的不断提高,将为焊接机器人市场的快速增长提供一个良好的平台,也将为新松公司机器人应用产业的拓展带来前所未有的机遇。预计未来5年,国内企业对焊接机器人的需求量将以以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看,焊接机器人不断向智能化方向发展,完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制,从而达到更高的可靠性和安全性。焊接发展趋势为发展自动化柔性生产系统,主要集自动化生产和灵活性生产特点于一身,这也是近几年国内轿车生产大规模、迅速地使用了机器人的缘故。焊接机器人生产线更加要求高度自动化,广泛采用6自由度的机器人,且机器人具有焊钳储存库,可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更,自动从储存库抓换所需焊钳。传输装置则已发展为采用无人驾驶的更具柔性化的感应导向小车。对未来大量采用焊接机器人的生产企业,在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展,真正实现与国际接轨,也必将为民族工业的发展带来新的生机。1.2焊接机械手的组成、分类组成焊接机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般是指真空吸盘或磁性吸盘。手臂有无关节臂和有关节臂之分。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、交流伺服马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。驱动机构驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占90％以上；电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用4~6个大气压，个别的达到8~10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电机带动丝杠螺母机构;有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大，缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，工作速度高。成本低，缺点是不易于调整。控制系统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占90%以上。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。程序的存贮方式分为分离存贮和集中存贮两种。分离存贮是将各种控制因素的信息分别存贮于两种以上的存贮装置中，如顺序信息存贮于插销.饭、凸轮转鼓、穿孔带内，位置信息存贮于时间继电器、定速回转鼓等。集中存贮是将各种控制因素的信息全部存贮于一种存贮装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式适用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。对动作复杂的机械手(机器人)，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。控制系统以插销板用得最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一凸轮分配给一个运动轴，转鼓转动一周便完成一个工作循环。插销板适用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板就可，而同一插件又可以反复使用。穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换。穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存、可重复使用。磁芯和磁鼓仅适用子存贮容量较大的场合。范于选择那一种控制元件，则根据动作的复杂程度和精确程度来确定。分类1、按用途分类（1）专用机械手专用机械手是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。（2）通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统，如插销板、插件板、穿孔带、穿孔卡、凸轮转鼓、磁芯和磁鼓等。通用机械手又分简易型、示教再现型和智能机械手、操纵式机械手等几种。1简易型通用机械手是目前国内外应用最多的一种，固定程序采用凸轮转鼓可变程序则采用插销板或插件板进行控制。2示教再现型通用机械手，先由人操纵机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。故又称之为重复型机械手。3智能机械手具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛”，以声敏元件模拟人的“耳朵”，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的“大脑”。具有以上“视觉”、“听觉”、“触觉”以及能思考的智能机械手(机械人)，目前正处在研究试制阶段，个别已达到实用的阶段。4操纵式机械手在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变。操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探索，以及危险的工作地区。其缺点是结构复杂，成本高。2、按控制型式分类（1）点位控制型机械手点位控制型机械手的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。（2）连续轨迹控制型机械手这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线。它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。基本型式机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式—直兔坐标式、圆柱坐标式，球坐标式和关节式。现简述如下:直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X，Y，Z只个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。1.直角坐标式机械手的优缺点是:(1)产量大，节拍短，能满足高速的要求，(2)容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合，(3)适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更,(4)定位精度高，可达到士0.5毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，(5)易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点是这种机械手作业范围较小。圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X、Z、Ф三个运动组成。它的工作范围可分为:一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，二个直线运动加一个旋转运动。1、圆柱坐标式机械手有五个基本动作:(1)手臂水平回转;(2)手臂伸缩;(3)少手臂上下;(4)手臂回转动作;(5)手爪夹紧动作;2、圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动(Ф)。关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。表1—2为关节式机械手与人体上肢动作角度比较：表1—2关节式机械手与人体上肢动作角度比较肩旋转上臂曲摆下臂曲摆下臂旋转手腕曲摆手腕摇摆手旋转人体上肢～–～+–～+–～+—关节式机械手—关节式机械手的传动机构采用齿轮、齿条式和摆动式。传动机构采用哪一种型式，主要根据工件的轻重来决定。若按摆动式扭矩来设计，则油缸将加大，而装载油缸的机架也将随之加大。特别是靠近关节式前端关节部分的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重。因此，传动效率很低。如需要大的转动角，则宜采用摆动油缸。以上三种基本型式的机械手各有特点，但在基本尺寸相同的情况下，如当手臂长度和机体高度相等时，应比较哪一种机械手能达到的动作范围为最大，以便于在工作中加以有效的利用。计算机辅助设计和SolidWorks软件的发展计算机辅助设计的发展近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计--试验--设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。在大多数情况下，工程师往往为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在市场竞争的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应都已成为竞争者们所追求的运营方式，谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式却无法满足这些要求。计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，可以归入虚拟现实技术VR(VirtualReality)的范畴，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术。作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具。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虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手段。软件的特点及前景SolidWorks是基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司总结和继承了大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件，于1995年11月研制成功。SolidWorks是市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。随着SolidWorks版本的不断提高、性能的不断增强，SolidWorks已经能满足一般企业的一般需求了。Solidworsks具有以下特点:(l).SolidWorks是当今世界基于NT/Windows平台的三维机械CAD软件系统的主流产品，目前己在国内外中小型企业中得到广泛应用。(2).易学、易用，操作过程直观、简单，功能强大。(3).完全汉化，使用过程中无任何语言障碍。(4).可向下兼容二维AutoCAD，使得以前采用Aut0CAD进行的设计可以继续使用和转化。COSMOSMotion的应用及特点COSMOSMotion是模拟您的产品在CAD系统内的功能的软件。此过程称作功能虚拟原型机仿真。COSMOSMotion对机械运动进行模拟并输出您通常应实际收集的信息。COSMOSMotion旨在帮助用户减少对使用物理原型机仿真和测试来确保设计工作顺利进行的需求。通过减少对硬件原型机的依赖，公司将减少开发产品所需的时间和节约资金。此外，通过采用功能虚拟原型机仿真，公司将能够测试更多的产品配置。大多数公司发现，COSMOSMotion通常在一个项目中就可以收回投资。

COSMOSMotion和在SolidWorks装配体建模工具中看到的运动之间有很多区别，COSMOSMotion将物理情况（作用力、动量和重力）考虑在内，而装配体建模工具则不然。在流行的装配体建模工具内，可以通过修改参数或拖动模型的各部分，看到系统移动情况。使用装配体模块运动，可以扩展具有多个促动器（例如马达）和弹簧的装配体模型，以了解机械运动在现实世界的情况。干涉检查和AVI影片可以帮助用户找出问题并向他人表述这些问题。在装配体模型中看到的运动和在COSMOSMotion中看到的运动之间有一个显著差别。装配体建模工具无法模拟在COSMOSMotion中提供的齿轮、凸轮、插销、作用力等，或者无法生成在XY坐标图中可以查看的工程数据。SolidWorks的运动仿真及动画制作也可以通过其插件Animator软件进行的。通过Animator可以将产品运动及旋转制作成AVI格式的动画,也可将动画保存成.bmp或.tga格式的一系列的静止图像。但COSMOSMotion与Animator有很大区别。COSMOSMotion基于物理性质，而SolidWorksAnimator则不然。物理性质意味着在运动中捕获像重力和摩擦力之类的影响。COSMOSMotion允许您模拟设计的物理运动并通过基础工程数据的动画和坐标图形象地表现出运动的情况。您可以使用COSMOSMotionAVI捕获物理运动并与他人交流这些物理运动。SolidWorksAnimator是用于帮助您设计动画的工具。这些动画可以包含旋转装配体、装配/拆卸零件以及枢接装配体。与COSMOSMotion一样，这些动画可被存储为AVI文件以供协作。COSMOSMotion用户界面是SolidWorks界面的无缝扩展，它使用SolidWorks数据存储库并且没有SolidWorks数据的复制/导出。这使它易于学习和使用。COSMOSMotion是基于功能强大的ADAMS解决方案引擎创建的。“PoweredbyADAMS”意味着用户可以从世界上最大的制造公司采用的同一种模拟技术中受益。ADAMS已经受了很多次考验，表明比任何其它运动模拟工具更精确并且能够解决范围更广的问题。它是世界上最广泛使用的机械系统模拟工具。焊接机械手的设计思想焊接机械手的任务就是从原始位置到达工作地点并完成一系列作业需要的动作。工作原理是固定机座后通过机身上转台的旋转和大小手臂的运动带动旋转手腕的转动和摆动手腕的运动，在给手抓一个配合尺寸使之能够自由的伸缩以便夹取工件。机械手的动作分析十分复杂，需要应用较高深的数学理论，面且计算也是十分繁杂。随着电子计算机的应用，为机械手的动作分析、设计和计算提供了良好的技术基础。图3—1机械手按矢量封闭图表示设机械手从初始状态出发，到达夹持点需经过多次位移，形成一系列动作。为了分析研究上述的动作，可用机械手的本体、手腕到手指一系列动作的矢量、、、、、、、之和来表示，见图（3—1）即P=机械手特性方程式设机械手以初始状态到达夹持点顺次经过几次位移，其位移角分别取、……等，规定标记：从原始点零开始依次标上下脚注字1、2、3……有长度变化的矢量用L表示，无长度变化的矢量用C表示，夹持矢量用G表示。对于初始状态而分别向着i、j、k方向的矢量上，则分别在右上角添上i、j、k。旋转按照旋转变换张量来表示。如对六个自由度的通用机械手如图3-2具有、、、、、。六个变数，其中前面三个主要是为了给出位置，后面三个主要是用来给出姿势的。则机械手从初始状态到达夹持点时，其矢量（）图3-2用矢量图表示机械手即称之为机械手特性方程式，这一特性方程式完全表达了机械手的性质。经整理（）从上式可见右边每一项对应于这里为姿势适量。其次研究一下保持夹持矢量的工作姿势会变成什么样子。用a*表示工件的姿势，设其初始值为。则（3.4）将此式展开并取式（）与（）之差：a*=将各个方向的矢量代入给出各抽位移后，就变成a*。手臂的设计计算对手臂结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度。手臂结构设计重点是驱动力的计算和偏重力矩的计算。现分述如下:驱动力的计算根据手臂运动的不同，驱动力可分为两种情况来计算。水平伸缩运动时，主要是克服摩擦阻力和惯性力式中——摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力、活塞与密封装置处的摩擦阻力；——手臂在起动过程中的惯性力。其大小可按下式计算；（3.5）其中G——手臂移动部件的重量(公斤)，g——重力加速度9.81.(米/}——起动或制动前后的速度差(米/秒)——起动或制动所需的时间(秒)。水平回转时驱动力矩的计算——摩擦力矩(包括各支承处摩擦祖力矩);——手臂启动时的惯性力矩；（3.6）J—手臂回转部件对其回转中心的转动惯量(公斤·米·)—手臂回转的角速度差(弧度/秒)，—启动时所需的时间(秒)；—零件对回转中心的转动惯量(公斤·米·)，J。—零件作为其重心位置的质点对手臂回转中心的转动惯量(公斤·米·)—手臂回转半径〔重心到回转中心的距离)(米)；G—手臂运动件的重量(公斤)。计算时，可把形状复杂的零件分成几种形状细棒：圆柱体：圆盘：长方体：偏重力矩的计算偏重力矩就是手臂悬伸部分的全部零件重量(作用在各自的重心上)对手臂回转中心的静力矩。最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出，并夹持额定重量的零件时，如图3——5所示。各零件的重量可按其结构形状、材料比重进行粗略计算。重心位置，由于零件多数均选用对称结构，故重心应位于其几何截面的形心上。计算时可把手臂偏重部分分解为几个单元，先分别计算，然后汇总。=++++…=式中i表示工件、手指、手腕、手臂等零部件的顺序号，的重心位置距0点距离为；=（）其偏重力矩为（）如果求出的偏重力矩过大，可重新布置各部件在手臂上的位置.也可加平衡块来改善受力情况。但这样又会增大手臂重量及转动惯量。因此要多方考虑。如图4-l0a所示，手臂的作用下有顺时针方向倾斜趋势，而立柱导套可阻止手臂倾斜。导套对升降立柱的作用力如图示和.根据升降立柱的力平衡条件:=（）所以则（）上式即为升降导向立柱不自锁的条件。导套的具体结构可根据h值的大小做成长的套管，或用两个相距很近的短套管。焊接机械手各零部件的设计焊接机械手的零部件包括:机座、机座盖板、机身、转台、大臂、小臂、旋转手腕、摆动手腕、手抓、销钉、螺栓、螺母等构成。各零部件的设计如下：（1）机座的设计制造精度：此机构为一般工作机械，故选用7级精度。利用SW2007实体设计，如图（2）机座盖板的设计利用SW2007实体设计，如图（3）机身的设计利用SW2007实体设计，如图（4）转台的设计利用SW2007实体设计，如图（5）大臂的设计利用SW2007实体设计，如图（6）小臂的设计利用SW2007实体设计，如图（7）旋转手腕的设计利用SW2007实体设计，如图（8）摆动手腕的设计利用SW2007实体设计，如图（9）手抓的设计利用SW2007实体设计，如图组装后的样子，如图三维实体建模模拟方案的确定SolidWorks数字化模型SolidWorks数字化模型模型导入导入成功？添加复杂约束力仿真分析是否符合实际？模型优化是否是否图4—1六自由度机械手模拟加载仿真流程图SolidWorks是微机版技术指标化特征造型软件,旨在以1/4～1/5的工作站版相应软件的价格向广大机械设计人员提供用户界面更友好,运行环境更广大的实体造型实用功能。SolidWorks实施金伙伴(goldpartner)合作策略,在单一的运动分析Motion-Works中不必再与其他的软件进行连接可直接模拟规划出工件的运动轨迹。流程如图4—1,由图可知对仿真实体的模拟加载与仿真分析,旨在对样机的整体动态性能和结构进行优化,从而达到缩短物理样机的实验时间,降低试验成本,加快研究进程的目的。仿真实体的绘制六自由度机械手不是很复杂的机构,solidworks软件建立三维模型并不太困难,用SolidWorks强大的三维设计能力利用拉伸、阵列和切除等功能将模拟机器人的各零部件分别绘制出来,然后根据同轴、共面等几何约束关系将几个零部件装配起来可以得到六自由度机械手的装配图。表4—1机械手零部件明细表序号零部件名称数量序号零部件名称数量1机座18转轴12机身19销钉13转台110销钉14大臂111销钉15小臂112螺栓M1846手腕113螺母M1847手抓2模拟加载是在所作SolidWorks文件基础上进行的,此种情况下建立仿真需要注意:设置长度单位选择mm,质量单位选择kg,时间选择s。设置单位的正确对于得到清晰合理的设计结果有很重要的意义。简单数学模型的建立根据所给出的六自由度机械手的运动情况给出各个转动副的旋转角度(见表4—2)。表4—2各轴所在转动副旋转角度参数表构造旋转范围轴1（转台回转）-180~180°轴2（大臂）0~90°最大运动范围轴3（小臂）-90~+90°轴4（手腕）360°轴5（手抓）-90~+90°图4—3六自由度机器人简化模型图4—3为六自由度机械手简化模型,以基座底面圆的圆心为坐标原点设立三维坐标系。设大臂所在机件的线性长度为la;小臂和手腕所在机件的线性长度为lb;手抓到焊接点所在机件的线性长度分别为lc;基座底到第1个旋转副的高度为h1。角α为大臂x、z轴所在平面的夹角。角β为小臂与大臂所在直线所成夹角,顺时针为负逆时针为正。角γ为手抓与小臂所在直线所成夹角,顺时针为负逆时针为正。φ为转台旋转角度,x轴正向为0°,顺时针为负逆时针为正。可得机器人x轴的总水平伸长量l=sin+sin(α+β)+sin(α+β+γ)=104总的身长高度h=sin+sin(α+β)+sin(α+β+γ)+h1=200根据基座的旋转角度可得到爪手所持的焊接点的三维空间坐标(x,y,z):(lcosφ,h,lsinφ)根据坐标可分别逆推待定和计算每个转动副的旋转角度进行可行性设计。将总长的变化量和时间作商则可得平均速度Vx=Δl/t;Vy=Δh/t;Vz=Vxtanφ。若每个伺服电动机的旋转角速度一定则可得瞬时速度,设轴3个转动副的转速分别为Vα、Vβ、Vγ;转台的转速为Vφ则瞬时速度Vx=dl/dt,Vy=dh/dt。其中l=os(Vαt)+cos(Vβt)+cos(Vγt),h=sin(Vαt)+sin(Vβt)+sin(Vγt)+h1,然后瞬时加速度及相关的数据也可得出。模拟加载与仿真仿真模拟的实现（1）机构的装配过程该机构由13个零件装配而成，分别是定位转台、大臂、小臂、手腕、手抓等。三维零件图已经准备好，装配过程如下：启动SolidWorks软件，如下图选择“装配图”选项，单击“确定”按钮，建立装配体操作界面。选择左下方“浏览”按钮如图，打开零件存放的目录，选择第一个零件系统将默认为固定的零件，以后添加的零件依次为基准。先选择名称为转台的零件，单击“打开”。单击界面任何位置零件固定在界面中。在工具栏中选择“插入零部件”，如前操作打开文件夹，继续选择零件大臂。为了不至于零件过多装配过程复杂，采取逐个添加约束的方法，进行逐个配合并完成定位。继续添加零件和配合的操作直到完成装配体。装配过程中合理的选择配合关系以方便以后的运动仿真操作。如下图（2）机构运动参数的设置启动COSMOSMotion插件，为了实现运动形式的模拟，首先定义前进的运动形式，操作过程如下：在次节点“运动”上单击鼠标右键，选择“对零部件添加运动”选项，弹出定义运动的“插入”对话框添加相应参数。在“选择第一个部件”的选项框内选择“大臂”，在“选择第二个部件”的选项框内选择“转台”，在“选择位置”的选项框中选择“大臂”，在“选择Z轴”选项框内选择“机身”的边线，在“选择X轴”选项框内选择“小臂”的边线。打开“运动”选项卡，在“运动作用在”中选择“沿Z轴平移”选项，在“运动类项”中选择“速度”选项，初始位移设置为“0”，在“函数”中选择“恒定值”，速度设为15mm/sec；单击“应用”按钮，完成设置。（3）添加阻尼为了保证机构在运动过程中的稳定性，对小臂和手腕铰接的部位设计阻尼。添加过程如下：在节点“力”下选择阻尼，单击鼠标右键，选择“添加扭转阻尼”选项，弹出“插头阻尼”对话框，按图示设置参数；单击“应用”按钮，完成阻尼的设置。阻尼是为了稳定手腕的摆动过程，从而保证整个机构的稳定性。在公式“TorqueExpression”中选择(6.9)式中为阻尼系数，根据旋转角度决定施加阻尼的大小。参数设置完成，在COSMOSMotion菜单中选择“选项”，打开“COSMOSMotion选项”对话框，选择仿真选项卡，将持续时间设置为16秒，帧的数目设置为800，其余参数选择默认值，单击“确定”完成设置。单击“仿真”按钮，对机构进行运动仿真。进行运动校核在SolidWorks有cosmosmotion插件是专门用来进行运动模拟和校核,首先在几个零部件的可转动连接点加入转动马达,它有伺服电动机的作用。加入旋转进行模拟,其方向和旋转角速度都按照既定的数据进行规定,在几个连接机构的连接副上进行转动副的设置后进行运动模拟,同时旋转角度要防止零件的干涉,因此要严格按照表4—2的最大旋转角度进行约束,必要时可选择录像功能,可对动画从多个方向进行观察,可将动画保存,更加直观地得到六自由度机械手的运动效果图,就像真正的机器在面前一样,根据运动效果图和模拟得到的数据可以按照要求对机器的运动进行