董保香

摘要：Delta機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人中的一種優(yōu)秀代表?？梢猿晒Φ脑讵M小的工作空間進(jìn)行高速抓取物體，以此做為項(xiàng)目的樣機(jī)。本文利用NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的方法，在simulink中搭建了Delta機(jī)器人的仿真模型，并用該模型協(xié)同NX實(shí)現(xiàn)了Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

關(guān)鍵詞：協(xié)同仿真；Matlab/Simulink；NX

1引言

傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是各自獨(dú)立的，分別采用功能不同的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和試驗(yàn)，最后通過物理樣機(jī)，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，如果發(fā)現(xiàn)問題，需要各自分別修改，然后再進(jìn)行物理樣機(jī)的制造和調(diào)試，這需要較長(zhǎng)的開發(fā)周期[1]。

NX是當(dāng)今世界最先進(jìn)的CAD/CAM/CAE三維集成化軟件之一，為用戶提供了一整套集成的、全面的產(chǎn)品開發(fā)解決方案，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和制造，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，它提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)，是常用的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件之一。

利用NX與Simulink的協(xié)同仿真，可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件有機(jī)結(jié)合起來，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同分析，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)效果，這大大的提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)產(chǎn)品的成本，獲得了優(yōu)化的系統(tǒng)整體性能。

本文利用NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的方法，設(shè)計(jì)了Delta機(jī)器人的仿真模型，并用該模型實(shí)現(xiàn)了Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

2.Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Delta機(jī)器人是一種具有3個(gè)平動(dòng)自由度的高速并聯(lián)機(jī)器人，它是由三組完全相同擺動(dòng)桿機(jī)構(gòu)連接定平臺(tái)（上正三角形）和動(dòng)平臺(tái)（下正三角形）的空間機(jī)構(gòu)，每組擺動(dòng)桿機(jī)構(gòu)均由驅(qū)動(dòng)桿和從動(dòng)桿（四個(gè)球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅(qū)動(dòng)桿與定平臺(tái)之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，從動(dòng)桿與動(dòng)平臺(tái)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其位置分析也復(fù)雜。Delta機(jī)器人模型如圖1 所示

3 Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

根據(jù)Delta機(jī)器人的特點(diǎn)，抽取出關(guān)鍵幾何元素，用線條代替模型，節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，加快仿真速度，模型如圖所示。運(yùn)動(dòng)副、連桿、傳感器等如圖所示。只要在驅(qū)動(dòng)副中輸入位移、速度、加速度等，仿真模型就可運(yùn)動(dòng)。Delta機(jī)器人在simulink中的仿真模型如圖3所示。

4 Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)同仿真

Delta機(jī)器人是一種具有3個(gè)平動(dòng)自由度的高速并聯(lián)機(jī)器人，它是由三組完全相同擺動(dòng)桿機(jī)構(gòu)連接定平臺(tái)（上正三角形）和動(dòng)平臺(tái)（下正三角形）的空間機(jī)構(gòu)，每組擺動(dòng)桿機(jī)構(gòu)均由驅(qū)動(dòng)桿和從動(dòng)桿（四個(gè)球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅(qū)動(dòng)桿與定平臺(tái)之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，從動(dòng)桿與動(dòng)平臺(tái)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其位置分析也復(fù)雜。Delta機(jī)器人及工件輸送帶模型如圖4所示。

在NX中設(shè)計(jì)完成機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)入NX/Motion環(huán)境中，動(dòng)、定平臺(tái)中心與移動(dòng)工件中心分別設(shè)置三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（Marker），然后設(shè)置動(dòng)平臺(tái)、工件分別相對(duì)于定平臺(tái)在XYZ三個(gè)方向的相對(duì)距離傳感器，通過工廠輸出，把相對(duì)距離傳輸給Simulink中的控制程序。設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角的三個(gè)工廠輸入，并通函數(shù)管理器添加到轉(zhuǎn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)中。

根據(jù)動(dòng)平臺(tái)的位置，用解析法從運(yùn)動(dòng)學(xué)方程出發(fā)，經(jīng)過一系列消元運(yùn)算，反解電機(jī)轉(zhuǎn)角，把反解過程集成到Simulink框圖中，并完成控制模型；通過設(shè)置工廠輸入與工廠輸出，把控制系統(tǒng)的反饋經(jīng)工廠輸入利用函數(shù)管理器施加到電機(jī)轉(zhuǎn)角控制上，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，工件會(huì)沿著自己的軌跡向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)傳感器把工件和動(dòng)平臺(tái)的狀態(tài)通過工廠輸出傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算后把位置反解得到的電機(jī)轉(zhuǎn)角通過通常輸入給NX中旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)，每0.001秒鐘采樣一次。經(jīng)過仿真，如圖5所示，動(dòng)平臺(tái)大約在0.9秒的時(shí)候開始和工件運(yùn)動(dòng)同步。

5 結(jié)論

從Delta機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)同仿真結(jié)果可以看出，動(dòng)平臺(tái)會(huì)準(zhǔn)確的定位到移動(dòng)工件的位置，并保持同步，從而證明了NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的正確性。在Simulink或者NX中可做分析各種情況的圖表動(dòng)畫等，使系統(tǒng)分析更加共和。以此為平臺(tái)，可進(jìn)行更復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同仿真，例如協(xié)同仿真時(shí)考慮電機(jī)特性、柔性體等。

參考文獻(xiàn)：

[1]SHEN Jun， SONG Jian. ADAMS and Simulink Co-Simulation for ABS Control Algorithm Research [J]. Journal of System Simulation，2007，19（5）：1141-1143

[2]NX/Documentation. Motion Simulation