虚拟6R切削机器人动力学研究.doc

1、摘 要随着虚拟样机技术的不断发展,人们越来越希望建立虚拟物理模型的同时,也建立好控制模型。利用ADAMS和MATLAB联合仿真，就是在设计带有控制系统的机械系统时，运用ADAMS建立系统模型的虚拟样机，并将其导入MATALB中进行控制系统的设计和虚拟样机的调试，然后反馈机械系统的过程。通过虚拟实验和测试,在产品研发的初级阶段就能够发现设计的潜在缺陷,并及时找到解决方法。虚拟样机技术为工业研究开发提供了一个很好的平台，节省在产品开发研究阶段的成本投入，模拟产品测试环境的各种参数，且使之在可控范围内，并且可以很方便地收集反馈信息，为产品的改进提供依据。本文采用Solidworks进行三维模型建造，

2、利用ADAMS建立机械模型及各种输入输出参数，利用MATLAB/Simulink进行模型运动控制。本文针对当前虚拟样机技术的相关问题,从ADAMS和MATLAB的联合仿真等方面进行探讨,综合两者的优点,建立了两个联合方案,并以控制切削机器人运动为实例,说明该方法的可行性。本文主要完成了以下工作：（1）针对切削机器人进行了运动学分析。（2）采用三维建模软件Solidworks创建了三维实体模型。（3）将三维实体模型导入ADAMS软件中创建虚拟样机模型。（4）规划切削机器人的运动轨迹，运用ADAMS和MATLAB中的Simulink联合仿真。与其他的研究相比，联合仿真在建立虚拟样机的同时，也完成了

3、控制系统模型的建立。通过虚拟实验和测试，在产品研发的初始阶段就能够发现设计潜在的缺陷，并及时找到解决方法。同时，结果表明所应用的联合仿真控制方案,对复杂的系统控制是直观有效的。关键词：切削机器人；ADAMS；MATLAB；PID控制；联合仿真AbstractWith the continuous development of virtual prototyping technology, people increasingly want to create a virtual physical model and also to establish a control model at the

4、 same time. Using ADAMS and MATLAB to make co-simulation is the process which uses ADAMS to create a virtual prototype of the system model in the designing of a mechanical system with a control system, and imports them into MATALB control system for designing and virtual prototyping debugging, then

5、feedbacks to the mechanical systems. We can be able to find out the designing potential defects and get a solution in time in the early stages of product research and development by virtual experiments and tests.Virtual prototyping technology provideas a good platform for industrial research and dev

6、elopment. It can save the consume of inputs in the research stage of product development and simulate various parameters for testing environment, therefore it can collect the feedback information easily and it is the foundationg for improvement of product. In this paper, the three-dimensional geomet

7、rical model of the robot should be built by Solidworks. The mechanistic model and all kinds of input and output parameters are built by ADAMS, and the bicycle robots control model will be built in MATLAB/Simulink.In this paper, the virtual prototyping technology related issues, from ADAMS and MATLAB

8、 simulation to explore integrated the advantages of both, the establishment of two joint programs, and to control the movement of the cutting robot for instance, the feasibility of the method. In this paper completed the following work: (1) Cutting robot kinematics analysis. (2) The use of three-dim

9、ensional modeling software Solidworks to create three-dimensional solid model. (3)Three-dimensional solid model into ADAMS software to create a virtual prototype model. (4) Planning for cutting robot trajectory, the use of ADAMS and MATLAB Simulink co-simulation. Compared with other studies, co-simu

10、lation at the same time to create a virtual prototype, completed the establishment of the control system model. Though the virtual experiment and test, the potential defect could be discovered in the elementary stage of the product development, and the potential defect could be made up in time. At t

11、he same time, the results showed that the application of the co-simulation control scheme to complex system controls are intuitive and effective.Key words: Cutting robot; ADAMS; MATLAB; PID control; Co-simulation目 录引言11 绪论21.1 切削机器人技术的现状21.2 虚拟样机技术21.2.1虚拟样机技术的概念21.2.2虚拟样机技术的研究范围21.2.3虚拟样机技术的应用31.3

12、课题背景及设计任务32 切削机器人的三维实体建模32.1 Solidworks软件介绍42.2 切削机器人的实体建模52.2.1基座的设计52.2.2连杆的设计62.2.3末端执行器的设计82.2.4模型的装配83 切削机器人数学建模及运动学分析93.1 切削机器人的空间描述和坐标变换93.1.1平移变换93.1.2旋转变换103.1.3复合变换113.2 切削机器人的D-H表示方法123.3切削机器人的坐标系与连杆参数133.4 切削机器人的动力学分析143.4.1运动学正解143.4.2运动学反解154 ADAMS环境中切削机器人虚拟样机的创建164.1 ADAMS软件介绍174.2 导入

13、切削机器人模型184.3 切削机器人模型处理194.3.1设置材料与重力方向194.3.2设置约束与添加驱动204.3.3变量的创建与修改204.3.4输出切削机器人模型215 切削机器人轨迹规划226 切削机器人控制系统的建立236.1 MATLAB/simulink介绍236.2 切削机器人的控制系统设计246.3切削机器人的PID调节277 切削机器人的运动轨迹及分析297.1 直线轨迹的仿真结果及角位移分析297.2 斜线轨迹的仿真结果及角位移分析307.3 圆轨迹的仿真结果及角位移分析317.4 椭圆轨迹的仿真结果及角位移分析328 结论33谢 辞35参考文献36附 录37 引言随着

14、经济全球化的影响，科技的不断革新，每个行业对于生产的要求不断朝着自动化、高精度、高可靠、多功能、低消耗以及环保等方向发展。在当前对于日渐突出的能源紧缺的问题和注重产出投入的生产竞争中，产品生产优化是当前工业生产的发展方向。在计算机技术快速发展的时代，借助计算机平台进行自动化生产和智能控制是非常有效的方法。在技术的推动下，机械生产的设计体现出了新的活力。尤其在智能机械的设计、生产以及工作更是我们所期待的。在市场竞争日益激烈的背景下，基于物理原型设计验证过程严重制约了产品质量、降低成本和市场份额提高。利用虚拟样机技术，能够有效地简化机械产品的设计和开发过程，缩短了产品开发周期，大大降低了产品开发成

15、本和费用，提高机械产品的质量，提高机械产品系统的性能，并获得最优化、创新的设计产品。同时在机器人的设计研究中，通过采用虚拟样机技术对各种机器人进行轨迹规划并仿真而获得一系列的参数，为运动控制的设计和电动机的选择提供参考。刘已经进行了基于ADAMS的五自由度机器人运动学仿真的研究1，余等人也进行了基于ADAMS的六自由度焊接机器人运动学分析及仿真的研究2。同时，在传统的机电一体化研究设计过程中，机械工程师和控制工程师虽然在同时设计和开发同一个系统，但是他们需要各自建立一个并不相同的模型，并对机械系统和控制系统采用不同的分析的软件，进行单独的设计和实验，最后对设计开发的机械系统和控制系统进行物理样机的联合调试，如果发现设计中有冲突的地方，又要回到个自的模型中进行物理样机的修改，并再次进行联合调试，直至调试成功，使得设计周期与成本都不能得到很好的控制。而使用 ADAMS与MATLAB 的联合仿真，各个设计者在设计一个产品时，可以共用一个虚拟样机，从而减少了制作物理样机的成本，应用虚拟样机可以随时反复地进行仿真模拟，直至取得合格的效果。本文研究基于AD