基于Solidworks與Matlab的碼垛機器人動(dòng)力學(xué)仿真
動(dòng)力學(xué)是高速碼垛機器人設計過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題，但要建立機器人精確的動(dòng)力學(xué)模型比較困難。通過(guò)Solidworks 建立機器人實(shí)體模型，并將其導入Matlab 中，在仿真環(huán)境中調整相應參數，得到機器人的動(dòng)力學(xué)仿真模型，再利用Simulink 添加控制模塊、驅動(dòng)模塊(Joint Actuator)和檢測模塊(Joint Sensor)建立完整的仿真模型，通過(guò)兩者的結合進(jìn)行機器人動(dòng)力學(xué)仿真分析。結果表明，運用Solidworks 與Matlab 聯(lián)合仿真，可以縮短設計周期、形象直觀(guān)的模擬機器人的三維運動(dòng)情況，有效的獲取其動(dòng)力學(xué)特性參數。
引言
碼垛機器人是一種專(zhuān)業(yè)化、集成化的工業(yè)設備，具有結構簡(jiǎn)單、性能可靠、操作方便、適用性強、編組方式靈活等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足食品、化工、醫藥包裝等行業(yè)對各種形狀成品進(jìn)行裝箱和碼垛的要求，在物流自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應用。機器人通常作為包裝線(xiàn)的后續設備，將包裝袋按照預定的編組方式、逐個(gè)逐層碼放在托盤(pán)或箱體內，提高生產(chǎn)能力和轉運能力。
對虛擬機械系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，傳統的分析軟件(如ADAMS) 能輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線(xiàn)，還可以用于預測機械系統的性能、運動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷，仿真精度和可靠性都很高，但是其在幾何建模、控制系統設計上明顯不足。
文章利用Solidworks 軟件強大的建模功能建立三維實(shí)體模型，轉化成XML 格式文件導入MATLAB 中并結合MATLAB 對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行建模、仿真和分析的Simulink 軟件包，根據工作要求合理設計控制系統、靈活編寫(xiě)各種控制程序，預先對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行仿真分析，從而在形成實(shí)際機器人系統之前能適時(shí)修正，以減少系統反復修改的時(shí)間實(shí)現高效開(kāi)發(fā)的目的。
本文以沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化股份有限公司開(kāi)發(fā)設計的四自由度關(guān)節型碼垛機器人為研究對象，運用Solidworks 軟件建立碼垛機器人的三維實(shí)體模型，利用Solidworks 和Matlab 的軟件接口將簡(jiǎn)化后的機器人模型導入Matlab 中，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真，即可獲得機器人按預定加速度、速度沿預定軌跡運動(dòng)時(shí)各關(guān)節的動(dòng)力學(xué)特性參數，據此來(lái)分析機器人的靜、動(dòng)態(tài)特性，為后續的運動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)性能提高以及優(yōu)化設計提供有力理論依據，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
1、搭建Solidworks 與Matlab 聯(lián)合仿真平臺
進(jìn)行機械系統設計時(shí)，利用Solidworks 軟件強大的建模功能建立三維實(shí)體模型，轉換成XML 格式并導入Matlab 中進(jìn)行整理，利用Matlab 對動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行建模、仿真和分析的Simulink 軟件包預先對動(dòng)態(tài)系統仿真，從而在形成實(shí)際機構之前進(jìn)行適時(shí)的修正，以減少系統反復修改的時(shí)間實(shí)現高效開(kāi)發(fā)的目的。
為實(shí)現Solidworks 與Matlab 的聯(lián)合仿真，需要在Solidworks 軟件中安裝Simmechanics link 插件，以建立Matlab 仿真接口。搭建仿真平臺的操作步驟如下:
(1) 根據計算機的性能參數和Matlab 版本，從MathWorks 公司的官方網(wǎng)站上下載合適install addon.m 以及smlink. r2010b. win32 壓縮文件;
(2) 根據smlink. r2010b. win32 壓縮包的安裝路徑，設置與之對應的install addon ( 'D: \ software \Smlink \smlink. r2010b. win32. zip')，同時(shí)在Matlab 的workspace 中運行該命令，即可完成在Matlab 里安裝Simmechanics link;
(3) 使Matlab 成為自動(dòng)服務(wù)器。在Matlab 的workspace 運行:regmatlabserver。為了檢查自動(dòng)服務(wù)器的運行狀態(tài)，可使用命令enable service( 'AutomationServer'，true);
(4) 安裝Solidworks 插件: 在Matlab 的workspace里運行命令:smlink_linksw;
(5) 在Solidwork 里建立三維模型，注意勾選“選項-插件-SimMechanics Link”(如圖1 所示)。待建模完成并保存* . SLDASM 后，另存為. xml 格式文件。
(6) 向Matlab 中導入Solidworks 三維模型:mech_import ('Robot. xml')，運行該命令即完成Matlab 建模過(guò)程，通過(guò)添加Simulink 模塊實(shí)現對機構的控制、仿真分析等。
圖1 添加插件圖
4、結論
用Solidworks 與ADAMS 仿真時(shí)，由于兩者均采用Parasolid 核心實(shí)體造型技術(shù)，用Parasolid 格式導入ADAMS 的相對效果最好，零件保留其屬性顏色，與實(shí)物效果較接近，基本上可以滿(mǎn)足虛擬樣機的需要，但會(huì )使特征顏色以及面顏色丟失且表面質(zhì)量稍有下降。Solidworks /COSMOS Motion 用于建立運動(dòng)機構模型，跟蹤零件的運動(dòng)軌跡，分析構件中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用動(dòng)畫(huà)、圖形、表格等多種形式輸出結果，其分析結果可指導零件的結構設計或調整零件的材料，但受加載控制信號限制而不能靈活控制其運動(dòng)軌跡。在機械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設計過(guò)程中，合理運用Solidworks 與Matlab 的聯(lián)合仿真可快速建立虛擬樣機模型，根據工況需要靈活地規劃其運動(dòng)軌跡以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，縮短設計周期、形象直觀(guān)的模擬機器人的三維運動(dòng)。
