计算机辅助设计与制造专题

一种基于UG参数化设计的机器人传动机构

王栋

（上海大学 机电工程与自动化学院，上海）

摘要：参数化设计是机械设计的一个重要组成部分，参数化设计过程是从功能分析到创建参数化模型的整个过程。通过参数化设计，设计人员不需画图，只需修改参数，就可得到各种不同规格图纸，避免同一类零件的重复建模。三维的参数化设计可以直接生成满足数控加工要求的三维模型，也可以转化为二维工程图。参数化设计可以使设计工程师从繁琐的，大量重复的建模造型中解放出来,把更多的时间和精力投入到三维模型基础上的装配，数控加工，干涉检查，有限元分析，运动仿真等方面的研究工作。本文对一种以伺服电机为驱动装置，滚珠丝杠和直线导轨为传动机构机器人的相关资料进行了仔细的分析研究， 在UG平台下，对其进行了二次开发，形成了参数化设计的总体方案。 关键词：UG二次开发；参数化设计； 机器人

A Robot Transmission Mechanism Based On UG Parametric Design

WANG Dong

(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Shanghai university, Shanghai,,China)

Abstract: Parmaeterized design is an important Part of meehnaics design.The parameterized design is a whole proeess from the analyses of function to the creation of parmaeterized models.Using parameterized design,the designer no need to draw models.Only changeParmaeters,can create different forms of drawings.Avoid of thesame kind of parts design.Three dimensions parmaeterized design can create CNCneed models and change to two dimensions engineering drawings. UsingParameterized design,the designers can be liberated from complicated repeatedmodeling,so they can invest more time and effors to the project in virtual assembling,CNC proeess, and the analysis of force and movement simulation. This thesis does some research work After the analysis of transmission parts of servo motor,Ballscrew and linear rail parts, sum up and summarize the designing calculation step by step.On the platform of UG established a Parametrization scheme.

Key words : UG secondary development; Parametric design; The robot

1 引言

机器人系统机械结构的建模是机器人三维仿真技术中最基础的部分,也是最关键的部分,它决定着后面分析和仿真过程的精确性和准确性\在进行开发时,需要较高的编程技术和较大的资源投入。采用己有的三维CAD造型系统SoildEdge,Sodilwokrs,Ug,Pro/E作为机器人的建模型平台,虽然从一定程度上能够简化仿真系统设计的难度。然而,工业机器人中的传动机构有很多相似之处,如果能够在原有的三维建模软件基础,开发出满足自己需要的常用机构零件的CAD系统,那将大大的提高设计的效率。为此坚持高起点,重视二次开发已成为机械建模领域中的一个发展方向。国外成功的CAD技术开发企业为了加快CAD技术开发步伐,都选择了高起点的CAD技术开发战略,即利用己有的技术成果,在此基础上二次开发自己的CAD技术,而不是将人力物力浪费在低水平的重复开发上\这样既可以提高效率,又能保证自己的产品具有较高的技术含量和水平。同时,由于采用了产品设计过程中所产生的三维真实设计图作仿真,故该方法还具有从产品设计到加工生产全过程的完全内部集成特性,适应了当前制造业的CIMS高度集成趋势。

本课题源于对某航天设备厂摄相机器人和实验室进行运动，力控制实验台设计的需要。主要对一种机器人中常用的机械传动机构和零件进行了分析和研究,考虑在工业机器人中的建模和仿真过程中,经常用到的机械传动结构无非是丝杠，导轨等，驱动机构为伺服电机。因此,为了提高设计中的效率,本文在基于UG平台的基础上,对机器人常用的传动机构和零件的参数化建模进行了有意义的尝试。

参数化设计更符合和贴近现代CAD概念设计以及并行设计思想,也符合现代个性化需求的趋势。现有设计方法难以满足个性化需求,因为其周期长,极大限制了产品的开发。而实现参数化设计,工程设计人员设计开始阶段可快速草拟产品的零件图,通过对产品形状及大小的约束,最后精确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现,设计参数不但可以驱动设计结果,而且影响产品的整个开发周期,设计参数可来自于其它系统。参数化设计是变量化设计的前提,借助变量化设计思想可实现动态设计，机构设计的运动仿真模拟等。除此之外,参数化设计还能使设计人员在设计的同时实现参数化建库,极大的方便后续设计工作。因此,参数化设计以及建库工具的研究对进一步提高设计和绘图效率以及柔性化设计具有十分重要的意义。

2 UG参数化设计技术

2.1参数化设计的概念

参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸,或修改已定义好的零件参数,自动完成对图形中相关部分的改动,从而实现对图形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改和设计。用户在设计轮廓时无需准确地定位和定形,只需勾画出大致轮廓,然后通过修改标注的尺寸值来达到最终的形状,或者只需将零件的关键部分定义为某个参数,通过对参数的修改实现对产品的设计和优化。参数化设计极大地改善了图形的修改手段,提高了设计的柔性,在概念设计，动态设计，实体造型，装配，公差分析与综合，机构仿真，优化设计等领域发挥着越来越大的作用,体现出很高的应用价值。

2.2参数化设计的内容

UG提供了可以提取特征参数的数据表格,通过数据表格可以生成零件库。它的参数化设计基本内容包括:

(l)根据图纸和自由变化参数表确定建模方法; (2)创建参数化模型;

(3)设置参数之间的关系,也可在创建模型时设置; (4)提取自由变化参数;

(5)创建零件库,输入零件系列数据,创建零件模型; (6)调入生成的模型,检查模型创建是否有误。

程序参数化方法允许有经验的用户或二次开发软件工程师来定义产品的参数化模型。UG提供了二次开发的环境,如果利用UGO/PNEAPI或UGO/PNEGRPI创立用户程序,使用UG建模集成在一起,实现设计，建模的自动化,则建模速度将大大提高,改动设计也十分方便,非常适合系列化和标准化常用零件的建模设计。在UG二次开发建模的基础上,以VC十+.60编写开发界面程序,通过用户输入基本的要求,把设计计算步骤通过程序来实现,通过调用动态链接库,在UG启动时使参数自动加载到UG中,完成零件模型的建立。执行代码少,连接速度快,界面简捷直观,操作方便,具有良好的人机交互性，可扩充性。UG二次开发参数化设计的具体实现过程在第五章中有详细的阐述。

这种方法通过分析模型的特点,确定样板各尺寸之间的数字关系,给定输入参数,然后确定其它参数的值,并用高级语言编程实现参数化设计,即利用参数化绘图程序生成图形。本文正是用这种方法来实现参数化建模。它的特点是编程量大,程序难以调试,设计复杂程度高,但建立起来程序后利于修改和驱动,其可视化的环境也利于建立。

2.3传动机构参数化设计思路

UG和大多数的CAD软件一样作为通用支撑软件系统,它虽然在CAD/CAM上具有强大的功能,但是它没有提供专用产品所需要的完整计算机辅助设计/制造功能。由于机械产品的千变万化,需要针对具体对象在选用的CAD软件平台上进行二次开发,来设计出界面友好，功能强大和使用方便的专用产品的CAD/CAM系统。如果用户想要提高设计效率缩短设计周期就必须在此基础上进行二次开发。参数化设计的系统的流程图如图2.1所示.本系统通过UG/OPEN的工具,通过用户输入的信息驱动参数尺寸,生成传动机构的设计尺寸。

图 2.1系统设计的流程图 Fig.2.1 System design flow chart

4设置系统环境与配置文件

4.1设置系统环境 (1)设置UG开发环境

打开$UG-BAS几DIR/ugii/目录下的ugii_ne.vdat文件(该文件包含Unigrpahics系统的全部环境变量及系统路径定义),找到下向两条语句: #UG_VENDOResesDIR=${UGALLIANC几DIR}\\vendor #U几SITE_DIR=${UGALLIANC几DIR}\\site

将它们前面的注释符号“#”删除,以便它们起作用。这两条语句其实指明了供用户放置二次开发文件的目录。在Unigrpahies初始安装时,它们不起作用,当删除“#”号后,UG/OPEN才能从这些目录下得到二次开发的功能扩展。 (2)设置环境变量

在桌面上右击【我的电脑】,在弹出的快捷菜单中选择【属性】命令,系统将弹出【系统特性】对话框,选择【高级】选择卡，设置系统的环境变量,可以使UG软件能够接受通过二次开发所编写的一些菜单和程序,从而实现界面设计和参数化建模.本文是在WindowsXP操作系统平台下进行UG软件的二次开发的,对于Windows的其他操作系统,设置的对话框的菜

单略有不同,有效的设置不会影响功能的实现。

单击其中的【环境变量】按钮,系统将弹出【环境变量】对话框,设置用户变量:uGll_USE_DIR,使它的值为: C:\\\%ugpai;设置系统变量:path,使它的值为C:\\\\ProgramFiles\\ EDS\\UnigrpahicsNX2.0\\UGll。

4.2配置文件

在C盘根目录下创建ugapi文件夹,在文件夹ugapi根目录下创建application, startup两个子文件夹,

application文件夹用来存放对话框文件.dlg文件。

startup文件夹用来存放UG/OPEN MenuScript文件.men文件和动态连接库文件.dll文件.

另外需要建立一个用来存放结构尺寸的数据文件夹file,它是VC和UG之间数据传递的中转,可根据动态库的编写放在所需的位置。

5传动机构设计

5.1导轨与滑块的选用计算

选择导轨有两种方式：一种看静态安全系数值,另一种是看预期寿命。本节中以第一种方式的选择计算为例子，导轨的型号选择基于下面的公式:

假设用户给定的负载为W=1000kgf,本文中直线导轨为4个滑块,也就是说一根导轨上有2个滑块,那么此时,每个滑块的负载为:

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