贵州大学机械工程学院硕士研究生期末考试题目
《虚拟样机技术》
（2014级）
学 院：
专 业：
班 级：
姓 名：
学 号： 指导教师：
2015年09月 12日
机械工程学院 机械工程 机研1402班 王浦舟 2014021847 贺福强
基于UG 的工业机械臂运动与仿真分析
王浦舟
（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳，550025）
摘要：简要介绍了虚拟样机的定义，根据工业要求设计了一个用于搬运物体的简单机械臂，从各机构的建模、装配到仿真，全程使用UG 10.0对其进行操作。分析了该机构的位移时间图像和速度时间图像，根据这两个图像的特征对机构进行改进，最后得到最合理的形状结构的运动参数。
关键字：虚拟样机 UG 10.0 位移时间图像速度时间图像
Movement and Simulation Analysis of Industrial
Mechanical Arm Based on UG
Wang Pu-zhou
(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract : This paper introduces the definition of virtual prototype briefly, according to the request of industrial design a simple mechanical arm used to moving a objects, from institutions modeling, assembly to the simulation, using UG 10.0 to manipulate it.Analyzed the displacement of the agency's image and speed time images, according to the features of the two images to improve the institution, finally get the most reasonable shape of the structure of the motion parameters.
Key words: virtual prototype; UG 10.0; displacement-time image; velocity-time image
0前言
虚拟样机技术是一种基于计算机技术的新概念，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAE ）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。研究范围主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和反作用力。
1整体机构设计
1.1 位置排布
机器人相比于普通的工人来说，有无可比拟的优点，它具有定位精度高、可从事繁重的搬运工作、可24小时不间断工作等。这些优点将使得采用机器人的生产线比人工作业更有效率且成本更低。因此，将机器人和机械臂等自动装置应用于生产也是工业发展的必然趋势。一般来说，机械臂带有6个自由度，去掉一个用于夹持物体的自由度，还有5个用于空间定位的自由度，这种类型的机械臂能用于搬运物体，在定位空间坐标位置的同时任意改变物体的朝向角度是不可实现的，比如说调整物体的法线和切线方向，而调整这两个方向在精密组装过程中是必要的。因此，为了同时能够空间定位以及角度定位，有必要增加机械臂的自由度，比如说7自由度机械臂，如果不能确定自由度，则可用仿真软件确定。
如图2-1是现场作业示意图，根据工业现场的要求，需要将一个边长为85mm 、质量为80kg 的正方体物块从一个工作位抓取到另外一个工作位，两工作位的距离是140cm ，中间有一个高13cm 的挡板。为了实现物块的运输需要，在正对挡板100cm 处安装一个机械臂底盘，机械臂抓手的初始位置设定在挡板正上方15cm 处。
图2-1 现场作业简图
1.2 运动轨迹
为了实现这一要求，我设计了一个3根连杆和一个底座以及一个抓手的机械臂，
机械臂
的简图如图2-2和图2-3所示。根据现场作业的要求，机械臂转动35°可对准物块，再通过其他杆件的转动来靠近物块，机械臂抓手的运动设计为滑动副，与物块之间设计为过盈配合。一号杆和二号杆与地面的初始夹角分别为60°和3.5°，运动的角度分别为40°和0.3°。
图2-2 设计简图俯视图
图2-3 设计简图侧视图
2零件设计与建模
根据简图的设计，充分考虑机构的可行性和刚度要求，设计合适的尺寸来夹持物块，实现上述的要求。
2.1 地板及物体的设计与建模
为了充分模拟现场情况，建立一块1200mm*1800mm的地板，地板上面固定有有一块100mm*130mm的挡板以及四个以距挡板中心1000mm 为中心的地位孔——用于放置机械手底盘。物块的边长根据作业要求设为85mm ，建好以后的地板模型和物块模型如图3-1和3-2所示。
3-1 地板模型 3-2 物块模型
2.2底盘支架及底盘的设计与建模
为了满足底盘的位置要求，建立一个带有四个定位孔的200mm*200mm*30mm的底盘架，用于支持底盘及提供旋转动力，他可以和地板上都四个孔配合以达到定位的要求。建立一个Φ50mm*50mm的底盘与底盘架配合提供横向的旋转，其上有一个长90mm ，与水平面夹角为37.0082°的支架，用于支撑1号杆。底盘架和底盘的建模如图3-3和图3-4所示。
3-3 底盘架模型 3-4 底盘模型
2.3连杆的设计及建模
建立一个460mm 长的一号连杆、一根700mm 长的二号连杆，及一个70mm 的三号连杆，用于提供纵向运动，使得机械手靠近并对准目标体。一号杆和二号杆的质量较轻，刚度较大，足以支持物块的重量，三号杆的质量较大，保持与地面平行。
图3-5 一号杆和二号杆模型
图3-6 三号杆模型
2.4抓取装置的设计及建模
建立一个一段固定、一段课移动的机械手，滑块的最终位置离固定端85mm ，用于抓取物体，如图3-7和图3-8所示。
图3-7 一端固定的机械手模型 图3-8滑块模型
3整机装配与分析
3.1 整机装配
接下来是对整机的装配，根据要求，装配的最后形态是确定的，也就是机械手的高度要在挡板上方15cm 的位置。在支配过程中，转动副使用同轴对其和两端中心对其来约束自由度，滑动副用三个两两垂直的面来约束自由度，抓手与地面保持平行，需要增加一个平行约束。全部约束完成后的效果如图3-1所示。
3-1装配效果图
3.2 装配分析
在菜单栏中点击分析—装配间隙—间隙集—新建（如图3-2所示），可以创建一个新的间隙集。对指定的对象执行包含操作，然后把装配的部件全部选上。打开间隙浏览器可以查看各部件之间的配合情况，如图3-3所示。
3-2 新建间隙集 图3-3 间隙浏览器
4 运动仿真及分析
4.1前处理
装配完成后进入高级仿真环境，新建一个动力学仿真，如图4-1所示。接受系统自动提供的机构及运动副（如图4-2所示），仔细检查每个机构和运动副，如果与预期的假设相矛盾应该修改过来（如图4-3所示）。
图4-1 新建动力学仿真 图4-2 系统默认的机构和运动副
图4-3 修改前后的连杆及运动副
根据前面转动角度的计算，我将各组件在各时刻的运动规律用EXCEL 列出（如图4-4），然后在函数管理器中导入AFU 函数。AFU 函数是一种离散函数，以时间作为变量，设置每一时刻各部件的动作。在本例中，我设置了33秒的运动时间。设置好函数后将这些函数加在各对应的运动副上，如图4-5。然后就可以新建解算方案并对其求解了，如图4-6所示。
图4-4 初定的运动规律 图4-5 建立的所有驱动函数
4.2 仿真分析
新建解算方案，设置时间为32秒，与AFU 函数的时间相对应，解算步数为3200
。点击
求解可以查看机构的动力学仿真。动画截图如图4-6所示，在这个时间点仿真运动停止，物块在拿起来的时候有震动现象，机械手在抓取物块的时候也有干涉现象；而且系统运算到
8.73秒的时候无法继续解算，存在验证的干涉问题。
图4-6 第一次仿真问题点
可以在X-Y 作图中新建图形对机构进行分析，如图4-7示从下往上分别是物块、滑块、机械手和机械手支架的位移-时间图像。可以看出这些部件的位移-时间图像在6.77s 开始出现震荡，存在不稳定的现象，所以设计的机构需要改进。
图4-7 位移-时间图像
4.3后处理
为了进一步晚上机械臂的使用性能，使其运动更加稳定，有良好的使用性能并且能满足工业生产的要求。在位移-时间图像的基础上对其进行分析，最后确定改进各连杆之间的连接关系。二号杆的宽度增加5mm ，抓手与地面增加平行副约束，物块与地面增加两个与地面平行且相互垂直的平行副。改变抓手与物体之间接触的摩擦力，由原来的10改为100，地面和物体之间没有摩擦。改进后的运动如图4-8所示，可以实现物块的搬运功能。
图4-8 改进后的运动截图
对改进后的机构进行分析，分别得到物块、滑块、抓手和抓手支架的位移-时间图像（如图4-9所示），速度-时间图像（如图4-10所示），黄色点画线代表小臂支架，绿色双点画线代表小臂，蓝色虚线代表滑块，红色实线代表物块。
图4-9 位移-时间图像
图4-10 速度-时间图像
分析结果表明：机构的位移情况基本满足作业要求，物块存在滑移的现象，但是不是特别明显，不影响作业要求；各机构的速度情况，在抓取物体和放下物体时存在瞬时加速度，这是由于抓手和物体之间的摩擦力剧增导致的。
5总结
机器人相比于普通的工人来说，有无可比拟的优点，它具有定位精度高、可从事繁重的搬运工作、可24小时不间断工作等。这些优点将使得采用机器人的生产线比人工作业更有效率且成本更低。机械手在投入使用之前，必须生产合适的样机并进行必要的实验以确保其安全性能和稳定性。虚拟样机技术给机械手的样机实验带来了很大的方便，样机在投入使用之前可以在虚拟环境下进行装配和运动仿真，可以及时发现问题并且解决。在实验过程如果出现问题可以及时的改进，提高了机构的安全性能。
参考文献
[1]王学光，杨萍，等. 计算机仿真现状及其在制造业中的应用[J].计算机应用.2000.13(3):37-39
[2]王正中，屠仁寿. 现代计算机仿真技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,1991.
[3]胡峰，孙国基. 航天仿真技术的现状及展望[J].系统仿真学报.1999.10(2):7-9
[4]祖旭，黄洪钟，等. 虚拟样机技术及其发展[J].农用机械学报.2004.35(2):168-171
[5]郑相周，唐国元，等. 机械系统虚拟样机技术[M].北京:高等教育出版社,2010
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贵州大学机械工程学院硕士研究生期末考试题目
《虚拟样机技术》
（2014级）
学 院：
专 业：
班 级：
姓 名：
学 号： 指导教师：
2015年09月 12日
机械工程学院 机械工程 机研1402班 王浦舟 2014021847 贺福强
基于UG 的工业机械臂运动与仿真分析
王浦舟
（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳，550025）
摘要：简要介绍了虚拟样机的定义，根据工业要求设计了一个用于搬运物体的简单机械臂，从各机构的建模、装配到仿真，全程使用UG 10.0对其进行操作。分析了该机构的位移时间图像和速度时间图像，根据这两个图像的特征对机构进行改进，最后得到最合理的形状结构的运动参数。
关键字：虚拟样机 UG 10.0 位移时间图像速度时间图像
Movement and Simulation Analysis of Industrial
Mechanical Arm Based on UG
Wang Pu-zhou
(College of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
Abstract : This paper introduces the definition of virtual prototype briefly, according to the request of industrial design a simple mechanical arm used to moving a objects, from institutions modeling, assembly to the simulation, using UG 10.0 to manipulate it.Analyzed the displacement of the agency's image and speed time images, according to the features of the two images to improve the institution, finally get the most reasonable shape of the structure of the motion parameters.
Key words: virtual prototype; UG 10.0; displacement-time image; velocity-time image
0前言
虚拟样机技术是一种基于计算机技术的新概念，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAE ）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。研究范围主要是机械系统的运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和反作用力。
1整体机构设计
1.1 位置排布
机器人相比于普通的工人来说，有无可比拟的优点，它具有定位精度高、可从事繁重的搬运工作、可24小时不间断工作等。这些优点将使得采用机器人的生产线比人工作业更有效率且成本更低。因此，将机器人和机械臂等自动装置应用于生产也是工业发展的必然趋势。一般来说，机械臂带有6个自由度，去掉一个用于夹持物体的自由度，还有5个用于空间定位的自由度，这种类型的机械臂能用于搬运物体，在定位空间坐标位置的同时任意改变物体的朝向角度是不可实现的，比如说调整物体的法线和切线方向，而调整这两个方向在精密组装过程中是必要的。因此，为了同时能够空间定位以及角度定位，有必要增加机械臂的自由度，比如说7自由度机械臂，如果不能确定自由度，则可用仿真软件确定。
如图2-1是现场作业示意图，根据工业现场的要求，需要将一个边长为85mm 、质量为80kg 的正方体物块从一个工作位抓取到另外一个工作位，两工作位的距离是140cm ，中间有一个高13cm 的挡板。为了实现物块的运输需要，在正对挡板100cm 处安装一个机械臂底盘，机械臂抓手的初始位置设定在挡板正上方15cm 处。
图2-1 现场作业简图
1.2 运动轨迹
为了实现这一要求，我设计了一个3根连杆和一个底座以及一个抓手的机械臂，
机械臂
的简图如图2-2和图2-3所示。根据现场作业的要求，机械臂转动35°可对准物块，再通过其他杆件的转动来靠近物块，机械臂抓手的运动设计为滑动副，与物块之间设计为过盈配合。一号杆和二号杆与地面的初始夹角分别为60°和3.5°，运动的角度分别为40°和0.3°。
图2-2 设计简图俯视图
图2-3 设计简图侧视图
2零件设计与建模
根据简图的设计，充分考虑机构的可行性和刚度要求，设计合适的尺寸来夹持物块，实现上述的要求。
2.1 地板及物体的设计与建模
为了充分模拟现场情况，建立一块1200mm*1800mm的地板，地板上面固定有有一块100mm*130mm的挡板以及四个以距挡板中心1000mm 为中心的地位孔——用于放置机械手底盘。物块的边长根据作业要求设为85mm ，建好以后的地板模型和物块模型如图3-1和3-2所示。
3-1 地板模型 3-2 物块模型
2.2底盘支架及底盘的设计与建模
为了满足底盘的位置要求，建立一个带有四个定位孔的200mm*200mm*30mm的底盘架，用于支持底盘及提供旋转动力，他可以和地板上都四个孔配合以达到定位的要求。建立一个Φ50mm*50mm的底盘与底盘架配合提供横向的旋转，其上有一个长90mm ，与水平面夹角为37.0082°的支架，用于支撑1号杆。底盘架和底盘的建模如图3-3和图3-4所示。
3-3 底盘架模型 3-4 底盘模型
2.3连杆的设计及建模
建立一个460mm 长的一号连杆、一根700mm 长的二号连杆，及一个70mm 的三号连杆，用于提供纵向运动，使得机械手靠近并对准目标体。一号杆和二号杆的质量较轻，刚度较大，足以支持物块的重量，三号杆的质量较大，保持与地面平行。
图3-5 一号杆和二号杆模型
图3-6 三号杆模型
2.4抓取装置的设计及建模
建立一个一段固定、一段课移动的机械手，滑块的最终位置离固定端85mm ，用于抓取物体，如图3-7和图3-8所示。
图3-7 一端固定的机械手模型 图3-8滑块模型
3整机装配与分析
3.1 整机装配
接下来是对整机的装配，根据要求，装配的最后形态是确定的，也就是机械手的高度要在挡板上方15cm 的位置。在支配过程中，转动副使用同轴对其和两端中心对其来约束自由度，滑动副用三个两两垂直的面来约束自由度，抓手与地面保持平行，需要增加一个平行约束。全部约束完成后的效果如图3-1所示。
3-1装配效果图
3.2 装配分析
在菜单栏中点击分析—装配间隙—间隙集—新建（如图3-2所示），可以创建一个新的间隙集。对指定的对象执行包含操作，然后把装配的部件全部选上。打开间隙浏览器可以查看各部件之间的配合情况，如图3-3所示。
3-2 新建间隙集 图3-3 间隙浏览器
4 运动仿真及分析
4.1前处理
装配完成后进入高级仿真环境，新建一个动力学仿真，如图4-1所示。接受系统自动提供的机构及运动副（如图4-2所示），仔细检查每个机构和运动副，如果与预期的假设相矛盾应该修改过来（如图4-3所示）。
图4-1 新建动力学仿真 图4-2 系统默认的机构和运动副
图4-3 修改前后的连杆及运动副
根据前面转动角度的计算，我将各组件在各时刻的运动规律用EXCEL 列出（如图4-4），然后在函数管理器中导入AFU 函数。AFU 函数是一种离散函数，以时间作为变量，设置每一时刻各部件的动作。在本例中，我设置了33秒的运动时间。设置好函数后将这些函数加在各对应的运动副上，如图4-5。然后就可以新建解算方案并对其求解了，如图4-6所示。
图4-4 初定的运动规律 图4-5 建立的所有驱动函数
4.2 仿真分析
新建解算方案，设置时间为32秒，与AFU 函数的时间相对应，解算步数为3200
。点击
求解可以查看机构的动力学仿真。动画截图如图4-6所示，在这个时间点仿真运动停止，物块在拿起来的时候有震动现象，机械手在抓取物块的时候也有干涉现象；而且系统运算到
8.73秒的时候无法继续解算，存在验证的干涉问题。
图4-6 第一次仿真问题点
可以在X-Y 作图中新建图形对机构进行分析，如图4-7示从下往上分别是物块、滑块、机械手和机械手支架的位移-时间图像。可以看出这些部件的位移-时间图像在6.77s 开始出现震荡，存在不稳定的现象，所以设计的机构需要改进。
图4-7 位移-时间图像
4.3后处理
为了进一步晚上机械臂的使用性能，使其运动更加稳定，有良好的使用性能并且能满足工业生产的要求。在位移-时间图像的基础上对其进行分析，最后确定改进各连杆之间的连接关系。二号杆的宽度增加5mm ，抓手与地面增加平行副约束，物块与地面增加两个与地面平行且相互垂直的平行副。改变抓手与物体之间接触的摩擦力，由原来的10改为100，地面和物体之间没有摩擦。改进后的运动如图4-8所示，可以实现物块的搬运功能。
图4-8 改进后的运动截图
对改进后的机构进行分析，分别得到物块、滑块、抓手和抓手支架的位移-时间图像（如图4-9所示），速度-时间图像（如图4-10所示），黄色点画线代表小臂支架，绿色双点画线代表小臂，蓝色虚线代表滑块，红色实线代表物块。
图4-9 位移-时间图像
图4-10 速度-时间图像
分析结果表明：机构的位移情况基本满足作业要求，物块存在滑移的现象，但是不是特别明显，不影响作业要求；各机构的速度情况，在抓取物体和放下物体时存在瞬时加速度，这是由于抓手和物体之间的摩擦力剧增导致的。
5总结
机器人相比于普通的工人来说，有无可比拟的优点，它具有定位精度高、可从事繁重的搬运工作、可24小时不间断工作等。这些优点将使得采用机器人的生产线比人工作业更有效率且成本更低。机械手在投入使用之前，必须生产合适的样机并进行必要的实验以确保其安全性能和稳定性。虚拟样机技术给机械手的样机实验带来了很大的方便，样机在投入使用之前可以在虚拟环境下进行装配和运动仿真，可以及时发现问题并且解决。在实验过程如果出现问题可以及时的改进，提高了机构的安全性能。
参考文献
[1]王学光，杨萍，等. 计算机仿真现状及其在制造业中的应用[J].计算机应用.2000.13(3):37-39
[2]王正中，屠仁寿. 现代计算机仿真技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,1991.
[3]胡峰，孙国基. 航天仿真技术的现状及展望[J].系统仿真学报.1999.10(2):7-9
[4]祖旭，黄洪钟，等. 虚拟样机技术及其发展[J].农用机械学报.2004.35(2):168-171
[5]郑相周，唐国元，等. 机械系统虚拟样机技术[M].北京:高等教育出版社,2010
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