花　勇，趙　剛

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安　223003）

基于CATIA的機(jī)械手虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真研究

花勇，趙剛※

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安223003）

在分析機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)屬性的基礎(chǔ)上，利用CATIA軟件對(duì)機(jī)械手零件進(jìn)行參數(shù)化建模并在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行虛擬裝配、干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真分析，使其滿足自動(dòng)生產(chǎn)線的功能要求，可大大提高自動(dòng)生產(chǎn)線機(jī)械手的設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)費(fèi)用。

CATIA，機(jī)械手，虛擬裝配，運(yùn)動(dòng)仿真

0　前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度水平的提高，自動(dòng)化生產(chǎn)線在機(jī)械加工、輕工機(jī)械等機(jī)械制造領(lǐng)域中有著日益廣泛的應(yīng)用。作為自動(dòng)生產(chǎn)線中的核心部件的機(jī)械手，它起著輸送和裝卸工件到指定位置的作用。因此，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)于整個(gè)自動(dòng)線的設(shè)計(jì)水平的提高有著至關(guān)重要的意義。本文借助CATIA的虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立機(jī)械手的虛擬樣機(jī)并對(duì)其內(nèi)部的靜、動(dòng)態(tài)干涉檢查、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)進(jìn)行分析，并將其取代物理樣機(jī)來驗(yàn)證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、工藝等方面的性能，大大縮短了自動(dòng)生產(chǎn)線開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)費(fèi)用。

1　機(jī)械手裝置構(gòu)成及運(yùn)動(dòng)控制要求

本文研究的機(jī)械手為直角坐標(biāo)系機(jī)械手。機(jī)械手裝置主要由機(jī)械手臂、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)四大部分組成，其支撐結(jié)構(gòu)主要為鋁型材機(jī)架。機(jī)械手在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的控制要求為：根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，按照一定的操作順序完成搬運(yùn)物體、操作工具等各種作業(yè)。機(jī)械手裝置被整體安裝在伺服傳動(dòng)組件的滑動(dòng)溜板上，并在傳動(dòng)組件帶動(dòng)下整體作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手去供料單元抓取工件后，通過同步帶運(yùn)送機(jī)械手到分揀單元去分揀的操作［1］。

2　機(jī)械手模型的數(shù)字模型的建立

利用CATIA功能強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊、形狀模塊和知識(shí)工程模塊建立機(jī)械手的三維零件模型，為機(jī)械手的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真做好準(zhǔn)備。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要有機(jī)械手爪、伸縮氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、支撐基座、同步帶輪、螺釘、螺母等零件組裝而成。其建模方法可通過以下三種方法來實(shí)現(xiàn)。

1）以機(jī)械手爪為代表的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的零件采用CATIA的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊建立的機(jī)械手爪三維零件圖如圖1所示。

2）螺釘、螺母等緊固標(biāo)準(zhǔn)件，可通過參數(shù)化建模方法生成符合國標(biāo)的內(nèi)六角螺釘和螺母的CATIA標(biāo)準(zhǔn)零件庫。由于機(jī)械手裝配時(shí)需要多種尺寸的內(nèi)六角螺釘、螺母，為了便于裝配，可利用CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊按照螺釘?shù)膰鴺?biāo)尺寸建立一個(gè)內(nèi)六角標(biāo)準(zhǔn)零件模板，再利用CATIA的Formula、Design Table和Catalog命令，通過參數(shù)化建模方法生成符合國標(biāo)的內(nèi)六角螺釘、螺母的CATIA標(biāo)準(zhǔn)零件庫［2］。

以內(nèi)六角螺釘為例，按照內(nèi)六角螺釘GB/T 70.1—2008標(biāo)準(zhǔn)，使用f（x）工具建立d、p、dk、k、r、e、s等13個(gè)尺寸變量，建立內(nèi)六角螺釘?shù)膮?shù)化模型。將螺釘?shù)膮?shù)按順序?qū)懭隕xcel表格內(nèi)，然后再導(dǎo)入CATIA的Design Table的設(shè)計(jì)表中。為了便于生成的螺釘可以像標(biāo)準(zhǔn)庫文件一樣調(diào)用，在CATIA里按照GB/T 70.1—2008新建一個(gè)螺釘Catalog庫文件［3］。

3） 同步帶和同步帶輪的設(shè)計(jì)按照 GB/T 11616—1989標(biāo)準(zhǔn)的XL型同步帶參數(shù)，利用CATIA的知識(shí)工程模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

同步帶齒廓設(shè)計(jì)的方法和同步帶輪相同。首先利用草圖命令畫出一個(gè)齒廓二維草圖后拉伸成三維圖形。由于齒廓分布是按照延長孔分布的，利用矩形或者圓形陣列命令不能將齒均勻的布滿整個(gè)皮帶。這里我們利用CATIA的知識(shí)工程模塊，以同步帶一個(gè)齒廓作為超級(jí)副本，然后計(jì)算出大輪覆同步帶夾角、同步帶齒數(shù)和齒廓在同步帶上的分布點(diǎn)。最后在同步帶的分布點(diǎn)上插入齒廓的超級(jí)副本如圖2所示。

圖1　機(jī)械手爪

圖2　XL型同步帶

3　機(jī)械手虛擬裝配

在進(jìn)行機(jī)械手裝配時(shí)應(yīng)遵循先生成組件再進(jìn)行總裝的原則。在裝配環(huán)境中對(duì)機(jī)械手的底板施加固定約束，然后采用自底向上的設(shè)計(jì)方法依次將機(jī)械手臂和機(jī)械手爪、底板、同步帶輪等組件施加約束，最后進(jìn)行總體零件裝配的更新，得到機(jī)械手的裝配圖如圖3所示。為了更加真實(shí)地掌握機(jī)械手的形狀特性和設(shè)計(jì)精度，這里利用CATIA的DMU Fitting Simulator（DMU裝配）模塊對(duì)機(jī)械手進(jìn)行虛擬裝配。用戶通過對(duì)機(jī)械手的裝配和拆卸過程定義或仿真，將機(jī)械手的裝配步驟分別記錄下來并保存成軌跡的形式，以交互方式控制產(chǎn)品的真實(shí)的三維模擬裝配過程［4］，機(jī)械手虛擬裝配過程如圖4所示。

圖3　機(jī)械手裝配圖

圖4　機(jī)械手模型虛擬裝配圖

4　機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真

數(shù)字樣機(jī)（DMU）是CATIA中運(yùn)動(dòng)分析模塊、它可替代物理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)較為簡單的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真分析。通過建立機(jī)械手的數(shù)字樣機(jī)模型，驗(yàn)證仿真并記錄機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)副之間的運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行干涉檢查以及運(yùn)動(dòng)部件的包絡(luò)生成。為設(shè)計(jì)者提供分析與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的性能和參數(shù)。

4.1機(jī)械手DMU運(yùn)動(dòng)仿真流程

在完成機(jī)械手模型的靜態(tài)裝配后，即可建立機(jī)械手的數(shù)字樣機(jī)模型。數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真流程如圖5所示。

圖5　數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真流程圖

按照流程圖將機(jī)械手的數(shù)字樣機(jī)賦予運(yùn)動(dòng)屬性（建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)），建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真模型。

4.2運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的建立

4.2.1運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建

本文根據(jù)實(shí)際需要，在完成機(jī)械手的數(shù)字樣機(jī)靜態(tài)裝配后根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用各種運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建方法，對(duì)機(jī)械手零件添加各種運(yùn)動(dòng)副。例如機(jī)械手手爪和定位銷之間、旋轉(zhuǎn)氣缸軸和氣缸座之間沿軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)可用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副連接，另外通過直接創(chuàng)建法也可以很方便地創(chuàng)建該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，例如四導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)氣缸中的導(dǎo)柱和氣缸之間沿某一條公共直線滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，可采用棱形副來創(chuàng)建。而機(jī)械手中有一些部件之間沒有相對(duì)自由度，為了簡化創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副的復(fù)雜程度，可以用剛性接合使其具備一個(gè)零件的整體屬性，簡化仿真過程。最后選擇底板作為固定零件，同時(shí)觀察運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建過程中“自由度（DOF）”的變化情況，當(dāng)自由度變?yōu)?時(shí)即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

4.2.2仿真機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)與重放

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真是典型的多驅(qū)動(dòng)控制，該機(jī)構(gòu)具有5個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)，分別完成機(jī)械手升降、左右移動(dòng)、機(jī)械手伸縮、旋轉(zhuǎn)，手爪的夾緊松開等動(dòng)作。

1）程序編制。切換至“知識(shí)工程”→“知識(shí)顧問”工具欄上的工具工作臺(tái)。在“活躍參數(shù)”工具欄中單擊“規(guī)則”圖標(biāo)，顯示“規(guī)則編輯器”對(duì)話框。在“規(guī)則編輯器”對(duì)話框按照機(jī)械手的動(dòng)作指令順序完成全部動(dòng)作，部分程序的如下：

if（`機(jī)械裝置.1KINTime`＞0s and`機(jī)械裝置. 1KINTime`＜=5 s）`機(jī)械裝置.1命令命令.4（z軸升降）長度`=-50mm/5 s*`機(jī)械裝置.1KINTime`

if（`機(jī)械裝置.1KINTime`＞5 s and`機(jī)械裝置. 1KINTime`＜=15 s）`機(jī)械裝置.1命令命令.3（z軸旋轉(zhuǎn)） 角度 `=-90 deg/10 s*（`機(jī)械裝置.1KINTime`-5 s）

if（`機(jī)械裝置.1KINTime`＞15 s and`機(jī)械裝置. 1KINTime`＜=20 s）`機(jī)械裝置.1命令命令.2（手臂氣缸x軸）長度`=-80mm/5s*（`機(jī)械裝置.1KINTime`-15 s）

2）運(yùn)動(dòng)軌跡及掃略包絡(luò)體分析。按照上面程序制定的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，選擇機(jī)械手指指尖作為運(yùn)動(dòng)部件、底座作為固定物參考，利用CATIA軟件的 DMU Kine-matics模塊，繪制出機(jī)械手爪的合成運(yùn)動(dòng)軌跡及合成運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體（如圖6所示）。通過觀察機(jī)械手在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中所掃掠過的空間范圍，可以得出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)區(qū)域以及機(jī)械手在仿真運(yùn)動(dòng)中的干涉問題，對(duì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的零部件進(jìn)行修改，提高機(jī)械手的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖6　機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡及包絡(luò)

5　結(jié)論

通過CATIA軟件建立機(jī)械手的數(shù)字化模型，對(duì)機(jī)械手中的標(biāo)準(zhǔn)件零件建立參數(shù)化的模型庫，大大提高了機(jī)械手的建模的效率，便于后續(xù)建立機(jī)械手系列的模型庫、以及功能的升級(jí)和擴(kuò)展；在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行虛擬裝配，合理描述各個(gè)零部件的裝配順序和路徑，確保所有零件的可裝配性及可維護(hù)性；最后利用CATIA的數(shù)字樣機(jī)（DMU）技術(shù)建立了機(jī)械手的虛擬樣機(jī)，繪制出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和包絡(luò)，并在其過程中檢查是否發(fā)生干涉和碰撞等現(xiàn)象，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和后續(xù)機(jī)械手功

能的開發(fā)和升級(jí)提供了依據(jù)。

［1］呂景泉.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］劉宏新，宋微微，史玉紅.CATIA數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］胡于進(jìn)，盧力航，孫升.基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫三維參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件庫的研究和開發(fā)［J］.機(jī)械與電子，2006（2）.

［4］姚競(jìng)爭(zhēng)，韓端鋒，李健.基于CATIA系統(tǒng)的虛擬裝配仿真研究［J］.船舶工程，2011（1）.

The Study on Virtual Assembly and Motion Simulation of Manipulator Based on CATIA

Hua Yong，Zhao Gang※
（Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huaian 223003，China）

Through the analysis of structure characteristics and motion property of the manipulator，this paper use CATIA software to parametric modeling for manipulator and on this basis to virtual assembly，interference checking and dynamic simulation analysis，which enable it to meet the functional requirements of the automatic production line，greatly improved manipulator of the automatic production line design efficiency，shorten the development time and reduce development costs.

CATIA，manipulator，virtual assembly，motion simulation

花勇（1979—），男，碩士研究生，江蘇省淮安市人，講師，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)研究。Email：447630310@qq.com.

趙剛（1983—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)。Email：499277294@qq.com