董保香

摘要：Delta機器人是并聯(lián)機器人中的一種優(yōu)秀代表?？梢猿晒Φ脑讵M小的工作空間進行高速抓取物體，以此做為項目的樣機。本文利用NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的方法，在simulink中搭建了Delta機器人的仿真模型，并用該模型協(xié)同NX實現(xiàn)了Delta機器人的運動學(xué)仿真。

關(guān)鍵詞：協(xié)同仿真；Matlab/Simulink；NX

1引言

傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設(shè)計中，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計是各自獨立的，分別采用功能不同的軟件進行設(shè)計、調(diào)試和試驗，最后通過物理樣機，進行機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，如果發(fā)現(xiàn)問題，需要各自分別修改，然后再進行物理樣機的制造和調(diào)試，這需要較長的開發(fā)周期[1]。

NX是當(dāng)今世界最先進的CAD/CAM/CAE三維集成化軟件之一，為用戶提供了一整套集成的、全面的產(chǎn)品開發(fā)解決方案，用于產(chǎn)品設(shè)計、分析和制造，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、通用機械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計，是常用的控制系統(tǒng)設(shè)計軟件之一。

利用NX與Simulink的協(xié)同仿真，可以將機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件有機結(jié)合起來，然后對系統(tǒng)進行協(xié)同分析，直到獲得滿意的設(shè)計效果，這大大的提高了設(shè)計效率，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)產(chǎn)品的成本，獲得了優(yōu)化的系統(tǒng)整體性能。

本文利用NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的方法，設(shè)計了Delta機器人的仿真模型，并用該模型實現(xiàn)了Delta機器人的運動學(xué)仿真。

2.Delta機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

Delta機器人是一種具有3個平動自由度的高速并聯(lián)機器人，它是由三組完全相同擺動桿機構(gòu)連接定平臺（上正三角形）和動平臺（下正三角形）的空間機構(gòu)，每組擺動桿機構(gòu)均由驅(qū)動桿和從動桿（四個球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅(qū)動桿與定平臺之間通過轉(zhuǎn)動副連接，從動桿與動平臺通過轉(zhuǎn)動副連接。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其位置分析也復(fù)雜。Delta機器人模型如圖1 所示

3 Delta機器人運動學(xué)仿真

根據(jù)Delta機器人的特點，抽取出關(guān)鍵幾何元素，用線條代替模型，節(jié)約計算機資源，加快仿真速度，模型如圖所示。運動副、連桿、傳感器等如圖所示。只要在驅(qū)動副中輸入位移、速度、加速度等，仿真模型就可運動。Delta機器人在simulink中的仿真模型如圖3所示。

4 Delta機器人運動學(xué)協(xié)同仿真

Delta機器人是一種具有3個平動自由度的高速并聯(lián)機器人，它是由三組完全相同擺動桿機構(gòu)連接定平臺（上正三角形）和動平臺（下正三角形）的空間機構(gòu)，每組擺動桿機構(gòu)均由驅(qū)動桿和從動桿（四個球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅(qū)動桿與定平臺之間通過轉(zhuǎn)動副連接，從動桿與動平臺通過轉(zhuǎn)動副連接。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其位置分析也復(fù)雜。Delta機器人及工件輸送帶模型如圖4所示。

在NX中設(shè)計完成機械結(jié)構(gòu)，進入NX/Motion環(huán)境中，動、定平臺中心與移動工件中心分別設(shè)置三個標(biāo)記點（Marker），然后設(shè)置動平臺、工件分別相對于定平臺在XYZ三個方向的相對距離傳感器，通過工廠輸出，把相對距離傳輸給Simulink中的控制程序。設(shè)置驅(qū)動電機轉(zhuǎn)角的三個工廠輸入，并通函數(shù)管理器添加到轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動中。

根據(jù)動平臺的位置，用解析法從運動學(xué)方程出發(fā)，經(jīng)過一系列消元運算，反解電機轉(zhuǎn)角，把反解過程集成到Simulink框圖中，并完成控制模型；通過設(shè)置工廠輸入與工廠輸出，把控制系統(tǒng)的反饋經(jīng)工廠輸入利用函數(shù)管理器施加到電機轉(zhuǎn)角控制上，這樣就構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)在運行時，工件會沿著自己的軌跡向前運動，此時傳感器把工件和動平臺的狀態(tài)通過工廠輸出傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計算后把位置反解得到的電機轉(zhuǎn)角通過通常輸入給NX中旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動，每0.001秒鐘采樣一次。經(jīng)過仿真，如圖5所示，動平臺大約在0.9秒的時候開始和工件運動同步。

5 結(jié)論

從Delta機器人運動學(xué)協(xié)同仿真結(jié)果可以看出，動平臺會準(zhǔn)確的定位到移動工件的位置，并保持同步，從而證明了NX與Matlab/Simulink協(xié)同仿真的正確性。在Simulink或者NX中可做分析各種情況的圖表動畫等，使系統(tǒng)分析更加共和。以此為平臺，可進行更復(fù)雜的機電產(chǎn)品協(xié)同仿真，例如協(xié)同仿真時考慮電機特性、柔性體等。

參考文獻：

[1]SHEN Jun， SONG Jian. ADAMS and Simulink Co-Simulation for ABS Control Algorithm Research [J]. Journal of System Simulation，2007，19（5）：1141-1143

[2]NX/Documentation. Motion Simulation