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基于SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真


2008 年 9 月 第 36 卷 第 9 期

机床与液压
MACH I E TOOL & HYDRAUL ICS N

基于 SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真
杨达毅 , 陈丽敏
1 2

摘要 : 运用虚拟样机技术在 SolidW orks软件平台上构建液压六自由

度运动模拟器模型 , 按照机构的结构几何尺寸 , 创 建零件并进行虚拟样机装配 。直接在运动仿真模块 COS MOS Motion中通过设定原动件运动参数进行运动仿真 , 并分析其运 动空间 、运动状态 、检查零件之间的干涉等 。结果表明 , 利用 SolidW orks软件可以对并联机构的虚拟样机三维实体建模和 运动特性分析 , 验证机构设计的合理性 , 为并联机构的实际样机的试制奠定了基础 。 关键词 : 六自由度并联机器人 ; 虚拟样机技术 ; SolidWorks/COS MOS Motion; 实体建模 ; 运动仿真 中图分类号 : TH137    文献标识码 : A    文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 9 - 127 - 3

0  前言 虚拟样机技术是建造物理样机前对设计对象在计 算机上建立的虚拟模型机 , 利用其完成设计对象功能 的可行性及其工作性能的分析 , 更好地理解系统的运 动特性 、动力特性 , 比较设计方案 , 优化设计 , 提高 产品质量和机械设计效率等 。仿真模型的建立和模拟 现实条件是虚拟样机的重要基础 。笔者设计的六自由 度液压平台因其自由度较多 , 正过程的运动仿真比较 困难 , 进行运动逆过程的仿真 , 即给定末部执行器的 运动轨迹或运动参数 , 来研究各驱动液压缸的运动参 数和特性 , 包括平台的建模 、仿真运动过程 、极限位 置 、最大运动量 、干涉等 。 1  液压平台的基本结构设计 液压六自由度运 动平台本体结构包括 上 、下 平 台 , 变 长 杆 系 统 , 链 接 上 、下 平 台和变长杆的铰接元 件, 力传感元件, 位 移传感元件等 , 如图 1 所示 。 图 1  六自由度液压 平台装配模型 下平台为固定平 台 , 上平台是可动 平

收稿日期 : 2007 - 12 - 10 作者简介 : 杨达毅 , 硕士 , 长春工程学院机电学院副教授 , 主要专业方向 : 机械设计及理论 , 主要从事机械原理 、机械设 计 、机械创新等的教学与研究工作 。电话 : 0431 - 85711302, E - mail: ZZX - CC@1631 com。

ware of SolidWorks, the motion space, movement state were analyzed, the intervene of the component parts was checked, the reason2 able of the mechanis design was verified. m It is p roved that the method can enhance the work efficiency, shorten the tim e lim it for the p roject, imp rove the work quality by using computer virtual technology to verify virtually the work assignment . Keywords: 62dof parallel robot; V irtual p rototype technique; Solid Works/COS MOSMotion; 32 modeling; Movement si ulation D m

( 11长春工程学院机电学院 , 吉林长春 130012; 21长春职业技术学院机械分院 , 吉林长春 130022 )

Abstract: The technology of virtual p rototype was used to model and sim ulate the 6 2dof hydraulic servo p latfor based on the soft2 m

M otion S im ula tion of 6 2dof Hydraulic Servo Pla tform Ba sed on SolidW orks
YANG Dayi , CHEN L im in ( 11Changchun Institute of Technology, Changchun J inlin 130012, China; 21Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun J inlin 130022, China )
1 2

台 , 采用 6 根变长杆机构驱动 。 6 根变长支杆采用铰 接在上 、下平台之间的液压缸进行运动驱动 。从模仿 人肌肉的角度出发 , 为体现机构 、检测一体化的思 想 , 将力传感器分别集成在液压平台的 2 个平台间的 6 个液压缸的缸杆上 , 用 6 个一维拉 、压传感器检测 1 个六维力 。 位移检测元件位移传感器选用 FX 2 型直流差动 11 变压器式位移传感器 。它把振荡器 、相敏解调器与差 动变压器封装在一起 , 只需提供稳定的直流电源 , 就 能获得与位移量成线性关系的直流电压输出 。 铰接元件 , 采用万向节铰接设计 。这样 , 在支路 上 , 上 、下万向节各有 2 个转动的自由度 , 液压缸伸 缩有 1 个 移 动 自 由 度 , 缺少的 1 个转动自由度 由液压缸和液压活塞杆 的相对转动实现 。 按照上面的设计原 则 , 采用的结构尺寸: 上 、下铰接元件的分布 圆半径分别为上平台半 径 ra = 300mm , 下 平 台 图 2   平台设计和分析流程图 半径 rb = 600mm, 液压

Sep 12008 Vol136 No19

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机床与液压

第 36 卷

缸行程为 60mm, 上 、下平台的初始位置高度为 h = 元件的分布圆之间的关系满足 : l = 415 ra 。另外 , 为 了保证铰接元件运动副运动空间的充分利用 , 采用支 座设计使铰接元件在液压缸的中间工作位置时处在原 始状态 (即铰接元件的轴线重合状态 ) 。
2 2

2  虚拟样机的建立与仿真 S 是美国 SolidWorks 公司生产的完全基于 NT / W W indows平台的集三维机械设计 ( CAD ) 、机构运动 仿真分析和结构有限元分析 ( CAE ) 、计算机辅助制 造 ( CAM ) 、大型企业管理 ( PDM ) 等各种功能为一 体的软件 。利用 S 对六自由度液压平台进行建模和 W 运动分析 , 必须以三维实体为基础 , 合理选择运动副 和定义连杆的运动驱动 , 从而实现六自由度液压平台 的正确运动仿真 。同其它方法相比 , 该方法可以很容 易解决看起来很复杂的机构系统仿真问题 。依托 S W 强大的运动分析功能 , 能精确地对研究对象进行空间 运动位置及运动参数的计算 , 并可以得出漂亮的虚拟 现实的动画演示 , 能够很好地解决复杂机构的运动规 律问题 。通过建立虚拟仿真环境进行仿真试验研究 , 可以降低实验成本 , 提高实验效率 。并且能够对运动 状态进行仿真 , 检查机构设计的合理性等 , 对实际样 机的设计具有重要的参考和指导价值 。 211   零件建模 机构设计是和造型设计合为一体的 , 所以必须在 零件模式下绘出零件的立体模型 。 SolidWorks是非常 有效的三维设计软件 , 利用软件进行实体建模十分方 便 。根据部件的形状和尺寸 , 在 SolidWorks软件的零 件模块中利用拉伸 、旋转 、扫描等特征创建方式建立 各个零件的模型 。在建模过程中 , 一定要充分利用各 零部件之间的位置关系和连接关系 , 选择合适的草绘 平面 、参照平面及特征的生成方式 , 即通过合理地设 定各零件之间的父子关系 , 以尽量减少部件上的定位 尺寸 , 提高设计效率 。这里不做具体分析 , 主要零部 件的建模结构如图 3 所示 。
图 3  部分零件的建模

115 ra , 上 、下铰接点之间的距离和上平台端铰接

利用 S 软件的零件建模模块 ( Parts) 生成六自 W 由度液压平台各零件的三维模型 , 其中平台的基座 、 上平台与液压缸联接用万向节的联接座 , 设计比较复 杂和困难 , 因其接触配合面为一空间面 , 与坐标平面 无任何位置关系 , 又要保证下动板处于中间位置时 , 液压缸和两侧的万向节的 4 个叉形接头轴线重合 , 并 要保证与 基 座相 接的 万 向节 回 转中 心分 布 在 直 径 600mm 的圆上 , 与下动板相接的万向节回转中心分 布在直径 300mm 的圆上 , 万向节两两成对 , 共 3 对 , 每对回转中心间距 80mm , 圆周分布 (参考图 1 和图 6 ) 。所以要经过精确空间位置计算 , 利用构建辅助 线 、辅助面 、拉伸等方法完成建模 。 212   装配设计 六自由度液压平台的装配设计较为复杂 , 包含万 向节的装配 、液压缸的装配 、力传感器的装配 、位移 传感器的装配等 , 因零件较多 , 为方便装配 , 采用自 底而上的装配方法 。 在具体操作中 , 应该根据机构的运动特点选择合 适的连接形式 , 并对运动元件进行适当的约束 。正确 地选择并使用约束类型和连接形式 , 对能否成功地实 现机构的虚拟装配与运动仿真至关重要 。 本设计为了便于运动分析 , 按照运动特点进行部 件装配 , 即按照部件的运动关系进行分组 , 如液压缸

第 9期

杨达毅 等 : 基于 SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真

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体和位移传感器装配为一体 , 而力传感器和液压缸的 活塞杆 、位移传感器的拉杆装配为一体 , 万向节和锁 紧螺母装配为一体等 。 213   运动分析 运动仿真是在成功建立了其装配模型的基础上 , 通过定义静止部件 、运动部件 , 并为在各起始运动件 上定义驱动电机 、选择连接轴和运动方向 、设定运动 初始条件或参数等一系列操作来实现 。 打开设计树右侧的齿轮标文件夹即为运动分析模 块 ( Cosmos Motion ) , 它内置于 S , 使用 ADAMS / W SOLVER 求解器 , 能对机构进行静力学和运动学分 析 , 包括运动极限位置分析 、干涉分析 、轨迹跟踪 、 测量 、图表 、动画生成 , 以及为 ADAMS 及其它大型 分析软件输出三维设计文件等 。装配体直接应用于分 析模块 , 分析模块会根据零件间的装配关系而赋予零 件间以恰当的运动副 , 表征运动关系 。如液压缸连接 的螺纹 , 根据装配关系会转化成转动副 , 实际机构中 是不 运 动 的 , 即 转 化 的运动副多数不符合 要求 , 因 而 仿 真 前 不 必改 变 装 配 关 系 , 直 接在分析模块中将转 图 6  液压缸运动副和 化的 运 动 副 去 掉 , 再 运动驱动的定义 根据需要重新定义 。 ( 1 ) 运动副的定义 装配体设计中系统自动将最先导入的构件作为固 定构件 (先导入的基座为机架 ) , 其后导入的构件均 为可动构件 , 也可以手动进行修改 , 运动分析模块遵 循这样的原则 。这样根据需要将各零件间赋予不同的 运动副 , 如缸体螺纹连接处及螺纹固定处赋予固定副 ( Fixed ) , 万向节叉形接头与基座 、下动板支座 、缸 体 、力传感器间的连接为转动副 ( Revolute ) , 活塞 杆与缸体 、位移传感器测杆与主体间为圆柱副 ( Cy2 lindrical) 等定义整个平台 。 ( 2 ) 运动驱动的定义 仿真模块提供了位移运动和旋转运动两种运动方 式 , 每种方式提供无驱动 、位移 (角度 ) 驱动 、速 度 (角速度 ) 驱动 、加速度 (角加速度 ) 驱动等运 动类型 , 根据不同的运动类型 , 可定义为连续 、步进 函数 、谐波函数 、齿条和表达式等方式 。而六自由度 液压平台的运动包括滚动 、仰俯 、转动和 3 个平移运 动 , 可根据运动形式的不同给出不同的驱动方式 。 ( 3 ) 运动分析 # 为保持上动板与基座平行的前提下 , 分别定义 1 # # # 和 2 液压缸或 2 和 3 液压缸的运动为移动 ± 25mm (因 初始位置为中间位置 , 液压缸行程为 50mm ) , 共分四 种情况仿真 , 得出其最大位移量 , 并绘制曲线。如图

7 — 9 所示 , 分别是以中间位置为基础的最大翻转角 度、最大平移距离和最大转动角度仿真结果曲线。

3  结束语 机电液一体化仿真方法在仿真研究工作中必将成 为备受关注的研究方向 。通过以上实例 , 可以看出 SolidWorks软件具有方便易用的特点 。运用软件进行 实体建模和运动学仿真 , 能够使设计人员直观看到机 构的运动过程 , 及时发现和改正设计中的干涉等问 题 , 交互地进行结构参数的调整和改进 。实践表明 SolidWorks软件的虚拟设计和动态仿真技术在并联机 构虚拟样机设计中具有良好的应用前景 。 应用软件可以把并联机构建模仿真 、运动学计 算 、动力学计算 、参数化设计等几个方面的工作有机 地结合起来 , 充分体现了虚拟样机技术的先进思想 , 从而大大提高了工作效率 , 降低了开发成本 , 为并联 机构的一次性研制成功提供了可靠保证 , 为应用虚拟 样机技术进行并联机构的设计提供了一条新的思路 。 (下转第 150 页 )

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机床与液压

第 36 卷

数控系统中操作面板是系统的输入 , 以类型 5 输 入操作符表示 , 外围设备也以类型 5 输入操作符表 示 ; 伺服单元 、检测装置和输出设备 (显示器 ) 以 类型 1 两状态操作符表示 ; 数控装置只有在操作面板 和外围设备都正常时才能正常工作 , 故以逻辑与门操 作符表示 。考核中数控系统的 CRT 单元 、系统程序 模块和 RAM 单元均出现故障 , 按照图 3 和图 4 的划 分 , 这 3 个单元都可以统一为数控装置 , 按照公式 ( 4 ) 、 ( 5 ) 得数控装置的故障概率为 : 3 p = ( m / T ) × = 01705 9 T 数控系统是一个简单的两状态系统 , 给出各单元 的成功概率就可以分析系统的成功概率 。操作符的类 型 、代表的单元名称及故障概率按编号列入表 2。
表 2  GO 图操作符类型及符号明细表 类型
5 5 1 1 1

而工作概率很低 。其主要原因是数控装置如 CRT 单 元 、系统程序模块和 RAM 单元等出现的故障较多 , 这也说明目前国产数控系统可靠性的薄弱环节是数控 装置的可靠性过低 , 因此 , 生产厂家应对此进行可靠 性改进 , 进而实现数控系统可靠性增长 。

参考文献
【1 】Chu B B. Overview M anual GO M ethodology EPR I NP2 . 3123 Vol 1. W ashington: Electric Power Research Institu2 te, 1983. 【2 】王秉刚 . 汽车可靠性工程方法 [M ]. 北京 : 机械工 工业出版社 , 1991. 11: 47 - 49. 【3 】王永章 , 等 . 机床的数字控制技术 [M ]. 哈尔滨工 业大学出版社 , 1995: 42 - 53. 【4 】沈祖培 , 高佳. G 法原理和改进的定量分析方法 [ J ]. O 清华大学学报 : 自然科学版 , 1999 ( 6) : 15 - 19. 【5 】沈祖培 , 黄祥瑞 . GO 法原理及应用 [M ]. 北京 : 清 华大学出版社 , 2004: 82 - 105. 【6 】刘希金 . 机床数控系统故障监测及维修 [M ]. 北京 : 兵器工业出版社 , 1995: 32 - 35.

编号
1 2 3 4 5 6

单元名称 输入设备 外围设备 与门 数控装置 伺服单元 检测装置

故障概率
0 01117 6 01705 9 0 0

10

示编号为 i的信号流的成功概率 , 按照操作符所代表 单元的运算规则 , 可以直接得到数控系统各信号流成 功概率的计算表达式为 : 输入操作符 : P s1 = P1 , P s2 = P2 ; 与门 3 的输入 : P1 , P2 ; 与门 3 的输出 : P3 = P1 P2 ; 信号流 4: P4 = P3 P s4 ; 信号流 5: P5 = P4 P s5 ; 信号流 6: P6 = P5 P s6 。 信号流 6 的成功概率 P6 中共包含有信号 1 和 2 的成功概率 P1 和 P2 , 可表示为 :
P6 = P s4 P s5 P s6 P s1 P s2

立 , 可得系统故障概率和工作概率分别为 : q = qs1 + qs2 + qs4 + qs5 + qs6 = ( 0 + 01117 6 + 01705 9 + 0 + 0 ) = 01823 5 P = P s1 P s2 P s4 P s5 P s6 = ( 1 - λs1 ) ( 1 - λs2 ) ( 1 - λs4 ) ? ( 1 - λs5 ) ( 1 - λs6 ) = 01259 5 3  结论 论文中首次引入以成功为导向的 GO 法系统可靠 性分析技术 , 由数控系统的原理图按照 GO 法原理和 规定符号得出其 GO 图 , 然后对所采集的某型号车床 数控系统故障数据进行分析 , 出现故障的概率很高 ,

212  CNC 系统 GO 定量计算 设 P si表示编号为 i 的操作符的成功概率 , P i 表 因此 , 该系列数控车床 CNC 系统成功的路集为
P s1 P s2 P s4 P s5 P s6 。由于 2 个输入信号 P1 和 P2 完全独

(上接第 103 页 ) 纹几何尺寸的非接触测量 , 该测量系统不仅测量速度 快 、精度高 , 而且是一种无损伤测量 , 它不仅能够检 测产品是否合格 , 而且还能够检测出具体的偏差值 , 进而实现对电极接头生产过程中出现的质量问题进行 监控 、分析和统计 。试验证明了本系统提出的测量原 理是正确的 、可行的 , 所开发的软件能够满足实际生 产的需要 。

参考文献

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(上接第 129 页 )

参考文献

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