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基于 COSMOSMotion 的机械臂三维虚拟仿真
2015年10月31日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:刘志林 苏 丽
    单位:哈尔滨工程大学自动化学院

    摘要:以六自由度蒸汽发生器检修机械臂三维运动仿真为背景,利用 SolidWorks 进行机械臂三维建模,并且介绍了利用 COSMOSMotion 插件来实现机械臂运动虚拟仿真的方法,重点分析了机械臂的三维建模和建模后运动学正反解的实现。对于一般的机械运动模拟系统,该实例具有一般普遍性。

    1 引言

    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。用 SolidWorks 结合COSMOSMotion 进行机械设计虚拟仿真是一种重要的科研手段。

    Solidworks 是一套应用在 windows 系统下的三维实体模型构建软件,它的三维设计功能强大,界面友好,能让使用者以简单的操作方式进行高效的机械设计[1]。Solidworks 提供的基于特征选型的参数化造型功能,更是为开发者提供了良好的开发环境,用户机械设计建模过程与实际机械设计加工过程完全一样。目前,虚拟仿真已向三维实体化发展,在构建零件三维实体模型和零件装配好后,为了展示其功能或运动范围,必须对设计的机械装置进行虚拟仿真。而 SolidWorks 内嵌的 COSMOSMotion 是为广大用户提的实现数字化功能样机的优秀工具,它与当今主流的三维CAD 软件 SolidWorks 无缝集成,是全功能的运动仿真软件,可以建立各种复杂运动机构的精确运动模型,并对运动机构进行完整的运动学和动力学仿真,得到机构中各零部件的运动数据,分析机构中零件的位移、速度、加速度、作用力与反作用力等,并以图形、动画、表格等多种形式输出运算结果。总之,COSMOSMotion功能强大,求解可靠,仿真结果与实际情况十分吻合,完全能够满足用户对运动仿真的各种需求[2]。

    用 SolidWorks 结合 COSMOSMotion 进行机械设计虚拟仿真,不仅在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用,而且在开发系列产品时可以显著降低开发成本、缩短产品的开发周期,提高工作效率,大大简化了机构的设计开发过程,同时又提高了产品质量。

    本文以蒸汽发生器检修机械臂为对象进行虚拟仿真,寻求以SolidWorks 为工具的一种更简便、高效的机械设计虚拟仿真的方法。

    2 蒸汽发生器检修机械臂简介

    蒸汽发生器(Steam Generator,简称 SG)是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽,也是核动力装置运行过程中发生故障较多的设备之一。通常,在对蒸汽发生器进行必要检修的过程中,由于辐射的影响,一般选择蒸汽发生器检修机械臂实施检修活动[3]。

    蒸汽发生器检修机械臂结构,如图 1 所示。系统由六个臂组成,臂长分别为 L1,L2,L3,L4,L5,L6,设六个关节的转角分别为 θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6。机械臂的运动学主要研究两个问题:运动学正解问题—已知各关节转角的值,求解机械臂末端在空间的位置和姿态,这实际上是建立运动学方程的过程;运动学反解问题—指定末端的空间位置和姿态,求解出相应的各关节的转角值,这实际上是求解运动学方程的过程。


图 1 蒸汽发生器检修机械臂结构

    3 Solidworks 实体建模

    3.1 模拟方案的确定

    Solidworks 所具有的 3D 核心实体建模、COSMOSmotion 以及 PDMWorks 等功能,能够使所有产品模块基于同一单一窗体,采用同一的设计数据,与 SolidWorks3D 核心实体建模环境完全集成与关联。用户在对其中的任何一个部分进行修改,都会在所有模块中自动更新。其中,3D 建模作为 SolidWorks 最基本的模块,也是其他所有产品模块所依托的平台,为用户提供了完整的建模功能。

    基于 SolidWorks 的易用性,设计功能强大而快速,并与有限元分析软件 Cosmos/work 和运动仿真软件 COSMOSMotion紧密集成等众多优点,本方案选择 SolidWorks 作为蒸汽发生器检修装置机械臂系统的建模工具。同时,选用 SolidWorks 下COSMOS/Motion 作为运动分析工具,这样可以不必再与其他的软件进行连接即可直接模拟规划出机械臂的运动轨迹。

    流程如图 2所示,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。


图2 COSMOSmotion 仿真流程图


    3.2 仿真实体绘制

    蒸汽发生器检修机械臂不是很复杂的机构,CAD 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个零部件装配起来可以得到蒸汽发生器检修机械臂的装配图。如图 3 所示。文献[5]给出了机器人参考零部件,如表 1 所示。


图 3 蒸汽发生器检修机械臂装配体

表 1 蒸汽发生器检修机械臂部件图


    4 运动学模型建立

    根据所给出的蒸汽发生器检修机械臂的运动情况给出各个转动副的旋转角度限位如下[5]:θ1-θ6 的限位分别为 (-90~90)°,(-180~180)°,(0~50)°,(-180~180)°,(0~145)°,(-180~180)°。

    蒸汽发生器检修机械臂的正运动学方程为[4~5]:




    设 G 点齐次坐标为,则 A 点的空间坐标蒸汽发生器检修机械臂的逆运动学方程为[5]:



    其中:



    其中:



    5 模拟加载与仿真

    5.1 仿真模拟的实现

    仿真模拟对机械臂提供的控制方式可分为三种:

    (1)三维实体的总体控制。通过面板命令,使用鼠标实现缩放、旋转、平移、选取功能,可实现对实体的控制,通过鼠标自由拖拽,以便用户从不同角度观察运动过程。

    (2)点动控制方式。通过面板选择被控轴以及转向后,即可使用鼠标实现转动,也可输入具体参数实现精确运动控制,并根据系统运动模拟,绘制机械各部件运动的轨迹图形和其他信息。

    (3)整体联动控制。也是本文要采用的,对每个自由转动轴加入模拟性质的旋转马达,使其实现各部件的联动,达到实体模拟效果,并且根据其运动效果曲线图、根据自己的要求对每个点动控制进行精确运动控制,进行理想实体校核。蒸汽发生器检修机械臂特殊的串联式结构决定了它各个转动副的相关性。因此必须合理设计每个伺服电动机的转动角度和转动速度。建立一种既能反映实际系统的运动学特性又能进行分析计算的运动学模型。根据实际系统的复杂程度,将实际机构简化为质量和刚度均匀分布或按简单规律分布的弹性体。因此对于这类系统可以建立运动学模型加以研究。

    5.2 进行运动校核

    Solidworks 的 COSMOSMotion 插件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,因此要严格按照各轴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器人的运动效果图,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械臂的运动进行改进。

    Solidworks 的 COSMOSMotion 插件可以做多种运动分析,以手抓的运动为例得到它的 3 个坐标轴(系统默认基建模坐标轴,如果需要可以自定义坐标位置,同样采用系统默认速度)位置运动变化曲线和速度变化曲线。除位置和速度变化曲线,还可以得到动能、加速度、角速度和角加速度等变化曲线。其它零部件同样也可以得到类似曲线包括虚拟的旋转马达。这样就为进行运动校核和模拟提供了数据依据,可以对机械进行更好地改进和校核。

    5.3 仿真分析

    在 Solidworks 装配体模块下直接进入 COSMOSMotion 仿真环境。仿真之前,要对仿真运动参数进行设置,如力的单位、时间单位、重力加速度,以及与动画有关的帧时间、帧时间间隔等。在这里,设置力的单位为 N,时间单位为 s,仿真画面时间间隔为0.02s,帧数为 100(可根据仿真精度要求适当调节时间间隔和帧数)。然后在智能运动构建器中把基座设为固定件,其余零件之间的约束副可由 COSMOSMotion 自动识别,无须设置。在仿真结束之后可以针对得到的动态干涉结果进行分析,并可直接在装配环境下进行改进。将仿真结果输出为动画或者曲线进行分析,判断设计是否达到了要求,仿真曲线输出结果,如图 4 所示。


(a)工具端 X 轴位移曲线   (b)工具端 Y 轴位移曲线   (c)工具端 Z 轴位移曲线

图 4 蒸汽发生器检修机械臂工具端位移仿真曲线

    本例先给定机械臂各个关节角一组值,通过仿真模拟机械臂运动到相应位置,通过机械臂COSMOSMotion 仿真出的工具端位置曲线,得到该位置的 x、y、z的坐标,将该位置坐标作为运动学逆解得已知条件,代入逆运动学方程从而求解机械臂从该位置运动到初始位置各个关节角应该转动的角度。将所求的角度和设定的角度作比较,得到仿真的误差,如表 2 所示。

表 2 机械臂正反解仿真误差


    6 结论

    由上面的分析,我们可以得出结论:利用 SolidWorks 中的COSMOSMotion 实现机器人运动模拟是一种有效的机器人分析方法。本文从 SolidWotks 的方法重点分析了蒸汽发生器检修机械臂的三维实体模型的构建过程,并且给出了 COSMOSMotion 动态模拟机械臂运动过程的方法。最后,通过 COSMOSMotion 虚拟仿真验证了蒸汽发生器检修机械臂运动正解和反解算法的正确性,并给出了正反解的计算误差。

    参考文献

    1 Matt Lombard,Solidworks 2007 宝典[M].北京:人民邮电出版社,2008

    2 张晋西. SolidWorks 及 COSMOSMotion 机械仿真设计[M]. 北京:清华大学出版社,2006

    3 丁训慎.核电站消除蒸汽发生器传热管应力腐蚀的方法[J].设备管理与维护,2005(7):27~28

    4 蔡自兴,机器人学[M]. 北京:清华大学出版社,2005

    5 张智,朱齐丹.蒸汽发生器检修机械手运动学逆解[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(1):65~69

标签:机械COSMOSMotionSolidworks工业
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