基于UG的装箱机器人设计及其运动仿真.doc

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编号

青岛大学

毕业设计技术报告

课题名称：

基于UG的装箱机器人

设计及运动仿真

学生姓名：

学号：

110

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

指导教师：

2015年06月

摘要

随着科学技术的不断进步和社会的发展，人们期望更多的智能化设备来解放人类劳动。

作为生产中的重要一环，产品装箱的自动化开始受到关注，于是装箱机器人便应运而生。

基于现代设计方法的思想,本文介绍了电动式装箱机器人的发展和应用,对装箱机器人的机械结构设计、三维参数化建模、虚拟装配进行了研究。

使用UG工程软件的独特参数化建模技术，得到装箱机器人各所有零部件的实体的模型，从而实现参数化建模。

运用虚拟装配技术来完成该装箱机器人所有零部件的虚拟装配，得出装箱机器人的虚拟数字模型。

通过设置参数进行仿真和结构优化,实现了装箱机器人整个运动过程的仿真，检验了所取方案及所建模型的合理性，验证了装箱机器人结构设计可行性。

为以后的装箱机器人设计和改进提供了依据，具有一定的科研和社会效益。

关键词：

装箱机器人UG虚拟装配运动仿真

ABSTRACT

Withtheconstantprogressofscienceandtechnologyandthedevelopmentofthesociety,peopleexpectmoreintelligentequipmentinsteadofmanuallabor.Asanimportantlinkinproduction,productpackingautomationhasbegantobeconcerned.Therefore,theloading robotsappeared.

Accordingtotheideaofmoderndesign,thispaperintroducesthedevelopmentandapplicationsofelectricaltypeloadingrobots,thestructureofthemachineisdesigned,threedimensionalparametermodeling,virtualassemblyandsimulationofkinematicsanddynamicsarealsostudiedinthispaper.3Dsolidmodelsofexchangingworktabledispenser’spartsareestablishedbysoftwareUG,Andparametermodelingisalsoachieved.Virtualassemblytechnologyisusedandtheintegralvirtualassemblymodelofthedispenserisgained.

Settingthefunctionparameterstododynamicsimulationaswellasstructuraloptimization,andrealizestheloadingrobots'motionsimulationoftheentiremovement,examinedtheschemeandtherationalityofthemodelandverifiedthefeasibilityoftherobotstructuredesign,andprovidesbasisforproductdesignandimprovementoftherobots,havemadeacertainscientificresearchandsocialbenefits.

Keywords:

loading robots;UG;virtualassembly;motionsimulation

II

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1课题研究的来源及概况 1

1.2虚拟仿真技术及其意义 1

1.3课题主要研究内容 1

1.4UG的发展现状 2

1.5本章小结 3

第2章装箱机器人整体方案设计 4

2.1装箱机器人设计方案 4

2.2方案的选择 4

2.3系统的通讯设计 4

2.4本章小结 5

第3章机器人零件结构和参数的的设计 6

3.1机械手的设计 6

3.1.1抓手结构的设计 6

3.1.2爪片的设计 7

3.2车身的设计 7

3.2.1上车身的设计 7

3.2.2下车身的设计 8

3.2.3支板的设计 9

3.3本章小结 11

第4章装箱机器人的建模与虚拟装配 12

4.1基于UG的参数化建模 12

4.1.1参数化设计概述 12

4.1.2参数化设计的主要实现途径 12

4.1.3装箱机器人关键零部件的设计与建模 12

4.2基于UG的虚拟装配技术 13

4.3装箱器人虚拟装配 14

4.4本章小结 17

第5章装箱机器人的运动仿真 18

5.1运动仿真系统的整体构架 18

5.1.1系统工作流程图 18

5.1.2用户操作流程图 19

5.2运动仿真的创建 19

5.3系统运动学仿真结果分析 21

5.4本章小结 24

总结 25

参考文献 26

致谢 27

IV

第1章绪论

1.1课题研究的来源及概况

随着社会生产力和科学技术的日趋发展，社会生产的分工更加明确，这在现代化的大产业中表现的尤为明显。

有一些人每天就只管一批衣服上的一颗纽扣，有的人整天就是盯着电脑屏幕，就像电影《摩登时代》中表达的那些镜头，人们感到自己在一步步走向异化，进而导致各色职业病逐渐产生，所以人们强烈希望用某种智能设备代替人类工作，于是科学家经过不懈努力做出了机器人，用以代替人们去完成那些讨厌、无趣、消耗生命的工作。

装箱机器人契合了人们的这项要求，经过数代科学家的辛勤耕耘，如今的装箱机器人已具备较强的工作能力，在越来越多的场合发挥着重要作用。

但是美中不足，年轻的装箱机器人还需要成长，许多地方亟待改进。

基于此，本文在总结国内外机器人研究的成果之后，提出适当改进，增加了设计者的独到见解。

1.2虚拟仿真技术及其意义

虚拟仿真又被叫做虚拟现实技术，通俗地讲，就是用一个虚拟的系统来模仿另一个真实系统。

而严格的说，虚拟仿真是上世纪伴随着计算机技术的发展而产生的一项事物。

随着计算机的发展，虚拟仿真也逐步形成了一个特有的体系，成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。

虚拟仿真技术在产品的设计和开发当中具有极其广泛的应用，面对如今全球制造业的发展趋势，人工生产早已不再适应生产力的发展和人民生活质量的提高，高新技术已显示出及其巨大的威力，并且虚拟现实技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革新。

虚拟现实技术的产生和应用，将使工业设计更加符合当今社会发展的需要，已成为现在制造业中不可或缺的一部分。

1.3课题主要研究内容

本文在研究装箱机器人设计的理论基础上，深入研究UGNX8.0的运动仿真模块的应用，完成了装箱机器人的结构方案设计设计及其运动仿真。

内容如下：

（1）分析了该装箱机器人的运动方案和实现方法，使用UG建模完成机器人的三维模型；

（2）设置了装箱机器人所有运动副的位置，计算并选取合适的运动副参数；

（3）利用UG参数化建模对装箱机器人所有零部件的参数化建模，并对UG参数化建模方法进行总结；

（4）对装箱机器人进行运动学和动力学仿真，检测该机器人设计方案的优劣。

1.4UG的发展现状

UG（UnigraphicsNX）是EDS公司研发的工程软件，针对用户产品设计与研发的要求，提供了强大而又有独特优势的解决方案。

它很容易实现多种复杂实体及造型的建构。

UG发展过程如表1-1所示。

表1-1UG发展详表

UG发展史

UGS

由美国麦道公司研发，60年代起逐渐步入商业化

1976年

McDonnellDouglas收购开发Unigraphics

1989年

Unigraphics公司正式与UNIX合作

1990年

波音公司选择Unigraphics作为其机械CAD/CAM/CAE的标准

1991年

GE发动机公司并入EDS公司，并且改名为EDSUnigraphics

1993年

Unigraphics引入复合建模，可将线框建模、半参数化及参数化建模融为一体

1995年

3M公司选择EDSUnigraphics；Unigraphics首次发布WindowsNT版本

1996年

通用（GM）公司将UG当做CAD/CAM的标准

1998年

并购Intergraph的机械CAD/CAM业--SolidEdge和EMS软件

2001年

收购了I-DEAS软件，将其改为EDSPLMSolutions

2003年

EDS改名，成为UGS

2004年

Unigraphics发布了新版本的UGNX3.0

2005年

Unigraphics发布了新版本的UGNX4.0

2008年

SiemensPLMSoftware发布NX6.0

2009年

NX7.0引入了“HD3D”（三维精确描述）功能，新增了同步建模技术的增强功能

2010年

SiemensPLMSoftware在上海世博会发布了功能增强的NX7最新版本（NX7.5）

2011年

 SiemensPLMSoftware发布了UG8.0

UGNX具有以下功能[1]：

（1）产品设计

NX包囊括了全球最齐全的设计应用，拥有独特的产品设计和运动学和动力学仿真功能，体现了设计的原创性和创新思维，能够使用多种复杂需要；

（2）NC加工

UG加工所有模块，提供UG加工模块框架，基于UGNX的加工模块提供了相同的接口的图形窗口环境；

（3）仿真、确认和优化

NX鼓励用户运用能力范围的仿真方法来优化产品设计过程，避免研发过程中不必要的时间和资金的浪费。

1.5本章小结

本章讲述了装箱机器人的功能实现和历史沿革,讲述了国内外装箱机器人的研究成果和未开前景。

对UG进行详细的介绍，同时对系统的整体结构、运行流程、设计过程中用到的关键技术和论文主要内容给予说明。

第2章装箱机器人整体方案设计

2.1装箱机器人设计方案

经过分析，最终确定将装箱机器人的运行模式确定为四种，分别是自学习、手动、自动和参考点模式。

在机器人自动模式时，它会判断瓶子的位置是否合适、箱子的位置是否到位，控制的信号会自行放瓶子抓瓶子的位置之间往复运行。

在抓取瓶子的过程中，假如瓶子位置合适，装箱机器人则运动到该处。

机器人的全部行为可分为小车的行走，机械手的转动，机械手的上下移动还有机械手的抓物四个部分组成。

2.2方案的选择

鉴于装箱机器人的工作特点是要求运功精确，在设计时考虑将步