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 00 01 00 00 11 0 0 00 1 0 00 0 1 d10 0 0 1=12T = Rot(Z, θ2) Trans(a2, 0, 0)1 0 0 00 0 1 00 −1 0 0cθ1 0 −sθ1sθ1 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 0s θ2 c θ20 01 0 0 a2 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1c θ2 −s θ2 0 a 2c θ2s θ2 c θ2 0 a 2s θ20 0c θ3 −s θ3 0s θ3 c θ30 01 0 0 a 3 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 10 0 1 0 0 1 0 0 −1 0 0 0 0 0 0 10 −s θ3 c θ3 a 3c θ3 0 c θ3 s θ3 a 3s θ3 −1 0 0 0 0 0 0 1=x = 45T = Rot(Z, θ5) Trans(a5, 0, 0)=x=cθ4 −sθ4 0sθ4 cθ40 01 0 0 00 1 0 00 0 1 a40 0 0 10 0 −1 00 1 0 01 0 0 00 0 0 10 −sθ4 −cθ4 00 cθ4 −sθ4 01 0 0 a40 0 0 1cθ5 −sθ5 0sθ5 cθ50 01 0 0 a50 1 0 00 0 1 00 0 0 1cθ5 −sθ5 0a5cθ5sθ5 cθ5 0a5sθ505T = 01T 12T 23T 34T 45T根据变换矩阵，我们用Matlab来计算机器人的位置并进行分析。
当θ1 = 0◦(fixed),θ2 = 25◦, θ3 = 25◦, θ4 = 45◦, θ5 = 5◦时，夹持装置的位置如图3所示3.2 样机的制造实体建模技术不仅可以极大地减少开发周期，而且可以有效的提高工业产品的制造精度与质量。
为了建立如图2所示的空间机器人的虚拟样机，我们一般使用PRO/E对各个部件进行草绘，并机械手的各个部件参数化模型进行装配。
图4 展示出了机械手实体模型的爆炸装配图。
图3。
夹持装置的位置图4。
爆炸装配图实体模型图5。
机器人运动学约束模型。
图6 工作空间图7。
手臂摆动刀具路径模拟。
图8。
摇臂切削仿真。
3.22 运动学分析为了在实际制造之前能够准确的预测机器人的运动学分析结果，我们通常使用PRO/MECANICA软件对机器人的装配模型进行定义来完成机械手的运动学约束模型。
定义的内容包括：坐标系的定义（如图2所示），材料的性能（定义为中密度聚乙烯）图9 驱动机器人图10 实例驱动器（定义振幅，周期，相位和偏移），约束（定义为旋转副），完整的机器人运动学约束模型，动态模拟与工作空间，图5 展示出了机器人的运动约束模型，图6 展示出了机器人的工作空间。
3.23 制造过程为了完成机械臂的规划过程，我们需要把2D的DXF文件转换成3D文件。
为了用MASTERCAM完成切削仿真，、我们需定义切削参数（如等高深度，刀具直径，主轴转速，进给速度，深度切割，直径偏移），刀具路径NC代码的生成和转化。
图7显示了振荡刀具路径模拟。
在完成数控代码的转换后，利用数控机床完成机器人样机的制造。
图8显示了摇臂切削仿真。
如图9 所示，完成了装有齿轮，步进电机，89C51微处理器的机器人完成了。
4.实例展示计算机网络的重要性和优势正在逐渐被认识到。
设计，分析和制造公司已经着手于利用更多的与网络关联的技术来支持他们的商业操作。
为了整合浏览器上的机器人设计与分析的结果，我们使用FrontPage来超链接的动态模拟图像，位置分析，工作空间。
这个实例在网络上可以获取。
网址为.tw/∼jennifer/robot1/.图10 展示出了实例模型的框架结构。
机器人的设计参数如下：d1 = 360 mm, a2 = 200 mm, a3 = 300 mm, a4 = 200 mm,a5 = 150 mm. 运动角度范围：θ1 = 0◦(固定), θ2 = 0–210◦, θ3 = 0–210◦, θ4 = 0–360◦, θ5 = 0–45◦.5.总结将FrontPage，MATLAB，Pro / E和Pro / Mechanica软体相结合，即可开发出一个用于机械手的CAD/CAE/CAM集成系统，该系统不仅促进机器人的生产自动化功能，但也简化了机械臂的CAD / CAE / CAM的过程。
这种集成系统还可用于开发实用的计算机辅助机制设计课程的教学辅助工具。
6.参考文献1）[1] D.M.陆，受电弓的运动学设计及其应用制造机械臂，J. TECHNOL。
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2）M.Y.李，S.H.陈，设计和开发的一个自动化轮椅升降装置，研究TECHNOL。
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3）M.柔，自动化设计和制造的金属研究和陶瓷粉的加工产品，研究TECHNOL。
15（3）（2000）463-468（中国）。
4）徐华，王华，R.Q.张旗张，系统集成注塑模具CAD/ CAE/ CAM的研究，上海交通大学。
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5）Y.S.丽，计算机辅助教学软件的发展机械手的运动学和反向运动学，1991年3月22日至23日，第六次会议关于技术和职业教育，台北，第20234-20239页。
6）S.A.公司黄，M.R.程，文学硕士KER，C.C.罗兆焦耳，吴，互联网五轴交流伺服机器人，遥控的自动化技术的第五次国际会议上，1998年7月20-22日，台北，第[B2-2]1-6。
7）J. Denavit，R.S.hartenberg，基于矩阵的低副机构的旋转运动学ASME研究APP机械22（1955）215。