基于Solidworks与Matlab的码垛机器人动力学仿真

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳自动化研究所 作者:褚金钱

  动力学是高速码垛机器人设计过程中必须考虑的问题,但要建立机器人精确的动力学模型比较困难。通过Solidworks 建立机器人实体模型,并将其导入Matlab 中,在仿真环境中调整相应参数,得到机器人的动力学仿真模型,再利用Simulink 添加控制模块、驱动模块(Joint Actuator)和检测模块(Joint Sensor)建立完整的仿真模型,通过两者的结合进行机器人动力学仿真分析。结果表明,运用Solidworks 与Matlab 联合仿真,可以缩短设计周期、形象直观的模拟机器人的三维运动情况,有效的获取其动力学特性参数。

  引言

  码垛机器人是一种专业化、集成化的工业设备,具有结构简单、性能可靠、操作方便、适用性强、编组方式灵活等特点,能满足食品、化工、医药包装等行业对各种形状成品进行装箱和码垛的要求,在物流自动化技术领域得到广泛应用。机器人通常作为包装线的后续设备,将包装袋按照预定的编组方式、逐个逐层码放在托盘或箱体内,提高生产能力和转运能力。

  对虚拟机械系统进行动力学分析时,传统的分析软件(如ADAMS) 能输出位移、速度、加速度和反作用力曲线,还可以用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷,仿真精度和可靠性都很高,但是其在几何建模、控制系统设计上明显不足。

  文章利用Solidworks 软件强大的建模功能建立三维实体模型,转化成XML 格式文件导入MATLAB 中并结合MATLAB 对动态系统进行建模、仿真和分析的Simulink 软件包,根据工作要求合理设计控制系统、灵活编写各种控制程序,预先对动态系统进行仿真分析,从而在形成实际机器人系统之前能适时修正,以减少系统反复修改的时间实现高效开发的目的。

  本文以沈阳新松机器人自动化股份有限公司开发设计的四自由度关节型码垛机器人为研究对象,运用Solidworks 软件建立码垛机器人的三维实体模型,利用Solidworks 和Matlab 的软件接口将简化后的机器人模型导入Matlab 中,并进行动力学联合仿真,即可获得机器人按预定加速度、速度沿预定轨迹运动时各关节的动力学特性参数,据此来分析机器人的静、动态特性,为后续的运动控制、动态性能提高以及优化设计提供有力理论依据,缩短产品开发周期。

1、搭建Solidworks 与Matlab 联合仿真平台

  进行机械系统设计时,利用Solidworks 软件强大的建模功能建立三维实体模型,转换成XML 格式并导入Matlab 中进行整理,利用Matlab 对动态系统进行建模、仿真和分析的Simulink 软件包预先对动态系统仿真,从而在形成实际机构之前进行适时的修正,以减少系统反复修改的时间实现高效开发的目的。

  为实现Solidworks 与Matlab 的联合仿真,需要在Solidworks 软件中安装Simmechanics link 插件,以建立Matlab 仿真接口。搭建仿真平台的操作步骤如下:

  (1) 根据计算机的性能参数和Matlab 版本,从MathWorks 公司的官方网站上下载合适install addon.m 以及smlink. r2010b. win32 压缩文件;

  (2) 根据smlink. r2010b. win32 压缩包的安装路径,设置与之对应的install addon ( 'D: \ software \Smlink \smlink. r2010b. win32. zip'),同时在Matlab 的workspace 中运行该命令,即可完成在Matlab 里安装Simmechanics link;

  (3) 使Matlab 成为自动服务器。在Matlab 的workspace 运行:regmatlabserver。为了检查自动服务器的运行状态,可使用命令enable service( 'AutomationServer',true);

  (4) 安装Solidworks 插件: 在Matlab 的workspace里运行命令:smlink_linksw;

  (5) 在Solidwork 里建立三维模型,注意勾选“选项-插件-SimMechanics Link”(如图1 所示)。待建模完成并保存* . SLDASM 后,另存为. xml 格式文件。

  (6) 向Matlab 中导入Solidworks 三维模型:mech_import ('Robot. xml'),运行该命令即完成Matlab 建模过程,通过添加Simulink 模块实现对机构的控制、仿真分析等。

添加插件图

图1 添加插件图

4、结论

  用Solidworks 与ADAMS 仿真时,由于两者均采用Parasolid 核心实体造型技术,用Parasolid 格式导入ADAMS 的相对效果最好,零件保留其属性颜色,与实物效果较接近,基本上可以满足虚拟样机的需要,但会使特征颜色以及面颜色丢失且表面质量稍有下降。Solidworks /COSMOS Motion 用于建立运动机构模型,跟踪零件的运动轨迹,分析构件中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等,并用动画、图形、表格等多种形式输出结果,其分析结果可指导零件的结构设计或调整零件的材料,但受加载控制信号限制而不能灵活控制其运动轨迹。在机械产品的开发设计过程中,合理运用Solidworks 与Matlab 的联合仿真可快速建立虚拟样机模型,根据工况需要灵活地规划其运动轨迹以进行动力学分析,缩短设计周期、形象直观的模拟机器人的三维运动。

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