利用CAD / CAM/ CAE系统开发操纵机器人
H.S.李*，S.E.张
华为技术学院，电力机械工程，云林，台湾，中国
摘要
在这项研究中，需要开发用于机器人操作臂的CAD/CAE/CAM集成系统。通过变换矩阵，利用D-H坐标系变换方法对机器人的位姿进行分析，我们使用MATAB软件对其进行计算。一般来说，利用PRO/E对机械臂的参数进行实体化建模，用Pro / Mechanical软体模拟动态仿真和工作空间，MasterCAM用来实现切削模拟仿真，而最终的模型用CNC数控铣床制造出来。这样，一个用于机器人操作臂的CAD/CAE/CAM集成系统便开发出来了。我们用一个范例来验证这种设计，分析以及制造的结果的正确性。该集成系统不仅促进机器人的生产自动化功能，而且还简化了机械臂的CAD / CAE / CAM的分析过程。这种集成系统是用于开发一个实用的计算机辅助机构设计课程的教学辅助工具。
©2003由Elsevier B.V.出版
关键词：CAD / CAE/ CAM;机械臂;Denavit，Hartenberg坐标系变换
引言
许多研究已涉及到的CAD / CAE/ CAM集成系统的原理。吕[1]讨论了平面五杆受电弓的运动学分析并设计制造了基于此弓的机械手。通过研究五杆受电弓的运动性能，设计出一款简单的控制器来对机械手进行控制。
李某和陈某[2]描述了一个自动升降轮椅固定装置内的全尺寸货车的开发。
开发的过程中，包括机制的概念设计，运动仿真，工程分析，原型开发和测试。周[3]使用参数化CAD系统的实体模型表达设计理念。首先开发的是模具，其次是基于CAM系统的模型。通过与产业界的合作，对试模调整，粉末形成，烧结，烧结后处理在专业的粉末冶金工厂进行了实验。徐[4]在UG2通用CAD / CAM系统的基础上通过将注塑模具的CAD/CAM软件与注塑模具CAE软件集成建立了一个注塑用CAD / CAE/ CAM系统。现在，许多研究已经涉及到了机器人与网络控制的原理。黎[5]使用交互式菜单驱动机械手的运动学和逆运动学，学习如何使变换矩阵操纵友好的方法来开发计算机辅助教学软件。黄等[6] 通过互联网得的远程计算控制功能提出了一种五轴联动机器人交流伺服与TCP/ IP协议。在机器人的运动期间，通过配备在实
验室服务器上的CCD相机可以在主页上显示出来机器人的运动轨迹。远程计算机可以通过浏览器远程监控机器人的运动。为了满足并行工程的要求，我们使用的D-H的坐标变换方法进行机器人的位置分析；导入设计，分析和制造模拟实际的力学模型;制造机器人样机；以及提供一个用于机器人设计与分析的综合性网站。本文不仅可以促进机械臂自动化功能，简化机器人的设计，分析和制造工艺，而且还可以作为教育用途的补充工具，用于大专计算机辅助机制的设计课程。
2系统分析
示例系统的程序如下；
1）计算机辅助设计
用D-H坐标建立法来分析机器人的位姿，用MATLAB软件对其进行计算。2）计算机辅助绘图
利用Pro / ENGINEER的参数化设计的概念和统一的数据库，绘制3D零件图及组装机器人的实体模型。
3）计算机辅助分析
为了评估通过虚拟机器人样机的机器人设计，装配实体模型转移到Pro / Mechanica软体（与Pro / ENGINEER系统集成）。
材料性能，约束和驱动程序被应用到模型上去模拟工作空间。
4）计算机辅助制造
为了实现利用Mastercam的模拟切割，二维工程绘图档案应转移成舸文件，选择轮廓形成链，定义切削参数，生成以及验证刀具路径，最后，转换数控代码，将DNC与CNC数控铣床连接起来，制造机器人样机
图1显示了上述系统结构。
在本节中，主要研究空间机械臂的运动学分析，如图2.使用本节中的理论研究，可以得到机器人的夹持装置的位置。利用D-H坐标转置定义[7]，（01）T表示将坐标系S1(X1, Y1,Z1)中的点变换到坐标系S0(X0, Y0,Z0)中去。基准坐标系中夹
持位置的描述可以用一连串的依次相乘的矩阵来描述
05T = 01T 12T23T34T 45T 。在基准坐标系S0下夹持位置就可以通过变换矩阵05T来变换到坐标系s5当中去。变换矩阵如下:
01T = Rot(Z, θ1) Trans(0, 0, d1) Rot(X,−90◦)
cθ1 –sθ 1 0 0
= sθ1 cθ0 0
0 0
1 0
0 0
0 1
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 d1
0 0 0 1
=
12T = Rot(Z, θ2) Trans(a2, 0, 0)
1 0 0 0
0 0 1 0
0 −1 0 0
cθ1 0 −sθ1
sθ1 0 cθ1
= =
23T = Rot (Z, θ3) Trans (a 3, 0, 0) Rot (Y, 90◦) = X
=
34T = Rot (Z, θ4) Trans (0, 0, a 4) Rot (Y,−90◦)
c θ2 −s θ2 0
s θ2 c θ2
0 0
1 0 0 a
2 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
c θ2 −s θ2 0 a 2c θ2
s θ2 c θ2 0 a 2s θ2
0 0
c θ3 −s θ3 0
s θ3 c θ3
0 0
1 0 0 a 3 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 1 0 0 −1 0 0 0 0 0 0 1
0 −s θ3 c θ3 a 3c θ3 0 c θ3 s θ3 a 3s θ3 −1 0 0 0 0 0 0 1
