基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟
基于SolidWorks六自由度焊接机械手三维运动模拟
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SolidWork三维图+动画仿真
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大臂.DWG
小臂.DWG
手抓.DWG
摆动手腕.DWG
旋转手腕.DWG
机座.DWG
机座盖板.DWG
机身.DWG
装配图.dwg
转台.DWG
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
Abstract
In this paper, welding robot of six degrees of freedom of hand motion simulation for the three-dimensional background. Welding robot at home and abroad and focus on the development of analysis of the welding robot of six degrees of freedom of hand movement and three-dimensional mapping principle SolidWorks software applications based on this software in the department of drawing opponents, motion analysis and animation simulation. Mapping software for SolidWorks introduces the emergence and development of its history and application specific parts introduced the method of operation of three-dimensional graphics and motion simulation of the operation of plug-ins COSMOSMotion process, demonstrated the powerful movement SolidWorks simulation. Analysis focused on the six degrees of freedom robot arm
modeling of three-dimensional modeling and trajectory planning, after the realization of
Key words: :SolidWorks ; cosmosmotion ; simulation of 3D motion ; Animated Simulation
目录
摘要 Ⅰ
前言 1
第1章 焊接机器人概述 2
1.1 焊接机器人的发展 2
1.1.1 国外焊接机器人的发展 2
1.1.2 国内焊接机器人研究的历史及现状 3
1.1.3 焊接机器人应用现状 3
1.1.4 焊接机器人的发展趋势 4
1.2 焊接机械手的组成、分类 4
1.2.1 组成 4
1.2.2 分类 6
1.3 基本型式 7
1.3.1 直角坐标式机械手 7
1.3.2 圆柱坐标式机械手 7
1.3.3 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
2.1 计算机辅助设计的发展 9
2.2 软件的特点及前景 9
2.3 COSMOSMotion的应用及特点 10
第3章 焊接机械手的设计思想 12
3.1 机械手特性方程式 12
3.2 手臂的设计计算 14
3.2.1 驱动力的计算 14
3.2.2 水平回转时驱动力矩的计算 14
3.2.3 偏重力矩的计算 15
3.2.4焊接机械手各零部件的设计 16
第4章 三维实体建模 25
4.1 模拟方案的确定 25
4.2 仿真实体的绘制 26
4.3 简单数学模型的建立 26
4.4 模拟加载与仿真 28
4.4.1 仿真模拟的实现 28
4.4.2 进行运动校核 30
4.4.3 结语 30
总结 31
参考文献 32
致 谢 33
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。
1.1.4 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
1.2.1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
1.手部
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。
2.手臂
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。
3.躯干
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。
1.2.2 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。
1.3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:
1.3.1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。
1.3.2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)。
1.3.3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。
1.特点
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：
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