摘要：本文利用solidworks建立机械手三维模型，给出solidworks仿真的基本原理。同时利用solidworks插件cosmosmotion重点对机械手抓取过程中进行运动仿真分析，为机械手的强度分析提供一定的数据，达到优化机械手的目的。

　　关键词：solidworks;机械手;三维建模;运动仿真

引言：作为目前一款功能强大的三维建模软件，solidworks同时能够进行有限元分析以及机构运动仿真。利用solidworks进行机械仿真，可以明显缩短研发设计的周期。抓爪的构成在机械学里称为连杆机构，在机械人领域称为机械手或机械抓手。抓爪或机械抓手是仿照人手的工作原理来进行设计的。本文研究的是用于深海多金属硫化物开采机械手，采用solidworks模拟机械手工作时各构件的受力情况对机械手的进一步改进具有很重要的工程意义。本文主要分析用solidworks对机械手进行三维建模并进行运动仿真分析的过程。 1机械手的三维建模机械手是由上承梁、下承梁、背杆、主撑、伸长臂、三联板、铲臂爪臂、二级拉杆、液压缸、控制框等零部件组成。机械手的三维建模包括所有零部件的三维建模以及虚拟样机的装配。对机械手进行建模采用自底向上的方式进行，即先依据相关零部件的结构和尺寸建立起三维模型，再利用solidworks的装配体建模，按照各零部件之间的装配以及约束关系逐个进行组装，最后建立虚拟样机。对零部件的精确建模以及相关的配合关系的了解，是成功建立虚拟样机的关键。 1.1机械手零部件的三维建模Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图;其次利用拉伸、特征扫描、旋转、切除、放样等命令完成零件的基本特征的造型;然后利用倒角、圆角等命令完成局部的造型，最后完成整个零件的建模。

　　建立该机械手模型的过程中，遇到了不少困难，下面结合实际提出几点三维建模的技巧和应该注意的问题。有些零部件特征相当的复杂，例如铲臂爪臂的建模。因为它的主体特征是一个比较复杂的曲面，所以需要熟练曲面建模的命令。[1]曲面建模通过带控制线的扫描曲面、放样曲面、边界曲面以及拖动可控制的相关操作可产生非常复杂的曲面，并可以直观地对已存在曲面进行修剪、延伸、缝合和圆角等操作。其次在建立上承梁、下承梁、背杆等零件基本运用拉伸切除等命令。再次画截面草图时，一些已生成的特征，可以通过实体转换命令获得需要利用的图线，这样的话草图的建立也可以快速准确形成。当草图中含有较多的对称特征时，先绘制一个特征，通过镜像工具、阵列命令生成对称的特征，从而达到高效绘制草图的效果。再次，选择合适的特征生成方法也相当重要。一般情况下，相对拉伸，旋转和扫描更能高效生成模型;排列、镜像比逐个生成更快捷。例如生成一个圆柱模型，可以通过拉伸、旋转生成，但是利用旋转建立模型会更快，文件的体积也相对要小。因此选择合理的特征方法对于复杂零件来说就显的尤为重要了。最后，零件的保存应该注意，把建好的零件保存在一个文件夹，便于快速查找修改。熟练地掌握建模的技巧，对于模型的精确高效建立、整个虚拟样机的装配、运动学分析具有重要意义。最终建立的各零部件如图一所示。

　　(图一) 1.2机械手的装配Solidworks提供了强大的装配功能，其优点为：(1)在装配体环境下，可以方便的设计及修改零部件;(2)可以动态观察整个装配体中的所有运动，可以对运动的零部件进行动态的干涉检查及间隙检测;(3)可以通过镜像、阵列零部件，设计创建出新的零部件及装配体。在机械手的装配过程中，首先插入的零部件会自动定义为固定静止的部件，然后依次插入各零部件，通过一系列的配合约束关系，装配成整机。装配前，应该认真分析各零件、部件在部件、整机中的位置、作用、以及相关的装配关系、运动关系，以保证装配运动的灵活性、不干涉性。下面通过机械手的装配过程，说明在solidworks中的装配体生成方法：(1)打开新建装配体命令，即进入生成装配体的界面;(2)在装配体界面中，点击“插入零部件”命令，依次如图一所示，排列各零部件，顺序按照从上到下排列。注意插入的零部件应该集中在一个区域，不要过于分散，以便于下一步的装配步骤。(3)装配时，将所有的零部件通过“重合”、“平行”、“垂直”、“距离”、“同轴心”等配合约束装配起来。装配好具有对称特征的一边零部件后，运用圆周阵列特征命令，以上承梁也就是基座中心轴线为中心生成剩下的对称部分。装配时，要运用“移动零部件”、“旋转零部件”将零件拖动到便于配合的合适位置。装配时应该注意做干涉检查，消除装配干涉。最后装配成的虚拟样机如图二所示。

(图二) 2机械手运动仿真 2.1动力学的基本原理机构在空间的运动包括平移、旋转或两种运动的合成。运动学基本理论运用旋转平移矩阵来描述其运动情况，这个矩阵是一个4×4矩阵[2](1);

其中是一个3×3矩阵，它描述了机构的旋转运动，是一个3×1矩阵，用来描述机构的平移运动。 2.1.1坐标系旋转变换机构绕空间任意轴u旋转，假设旋转角度为，那么旋转矩阵[2]可表示为(2);

上式中，、、分别为空间任意轴u的三个方向余弦，且;

　　在solidworks中构件绕一坐标轴旋转容易实现，而绕任意轴旋转，需要根据旋转变换矩阵，通过一系列变化，使构件旋转所绕的坐标轴与空间任意轴重合。其具体方法为：以构件绕平面坐标系x轴旋转变换为空间任意轴v轴为例，如图三所示，其中坐标系x—y—z为固定坐标系，x/—y/—z/为动坐标系。v轴式已知的，那么我们找一个与v轴相垂直的向量n，使它绕z轴旋转，与v轴重合;那么x轴同样绕向量n旋转相同角度，从而得到x/;再将v轴与x/叉乘，得到y/轴。那么我们就得到了动坐标系x/—y/—z/，从而实现了绕v轴的旋转运动。构件绕其它坐标轴旋转的情况可以通过同样的转换得到。

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