style="width:10.67361in;height:9.20694in" /> 本文是学习GB-T 35127-2017 机器人设计平台集成数据交换规范. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
本标准规定了机器人设计平台的数据集成框架、CAD
系统与静力学分析系统、动力学仿真分析系
统集成的流程和数据模型。
本标准适用于机器人设计开发平台的数据集成框架和数据模型的研发过程。
下列术语和定义适用于本文件。
2.1
模型 model
为了回答所研究的问题和表达真实事物的特定方面而采用任何形式(包括数学、物理、符号、图形或
文字描述等)的、实际事物的抽象表达。
[GB/T 18757—2008,定义3.16]
2.2
几何模型 geometric model
用来描述产品的形状、尺寸大小、位置与结构关系等几何信息的模型。
2.3
框 架 framework
表明概念化实体各组成部分彼此间相互关系的结构图。
[GB/T 18757—2008,定义3.9]
下列缩略语适用于本文件。
CAD: 计算机辅助设计(Computer Aided Design)
CAE: 计算机辅助分析(Computer Aided Engineering)
如图1所示，CAE
仿真分析主要包括静力学分析仿真和动力学分析仿真，静力学分析主要包括几
何模型导入、属性定义、结合部等效建模、约束载荷施加、网格划分、仿真分析、仿真结果输出等核心功能
模块，动力学分析主要包括模型文件导入、动力学参数加载、坐标系信息加载、动力学求解器加载、动力
学模型生成、动力学仿真分析、仿真结果输出等核心功能模块。
CAD 系统与 CAE
系统集成主要包括了模型数据交换和集成接口调用，模型数据交换通过中间文
件的方式提取CAD 系统中的数据流信息，然后传送给 CAE
系统，并驱动其更新，模型数据信息包括三
维几何模型、几何参数、分析特征参数等数据。集成接口调用主要是将静力学和动力学分析相关求解器
通过接口的方式集成到机器人设计平台中，平台支持商业化的求解器，也应支持第三方开发的求解器。
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图 1 机器人设计平台集成框架
5 基于中间文件的 CAD 系统与静力学分析系统集成
5.1 基于中间文件的CAD 系统与静力学分析系统集成流程
基于中间文件的CAD
系统与静力学分析系统的集成流程如图2所示，主要流程如下：
a) 在 CAD 系统中完成机器人三维模型的参数化设计，创建 CAD 模型；
b) 对 CAD 模型进行细节简化，生成 CAD
简化模型，并将其转换为能够导入静力学分析系统的
中性文件格式；
c) 分析特征参数，生成分析特征模型；
d) 从简化模型中提取 CAD 模型当前状态的几何参数，写入数据文件；
e) 从分析模型中提取分析特征，并自动将其映射为脚本文件；
f)
将几何模型导入静力学分析系统中，并创建关键几何模型，加载几何参数文件和分析特征文
件，完成有限元建模。
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style="width:12.30694in;height:5.84028in" />
图 2 基于中间文件的 CAD
系统与静力学分析系统集成流程
CAD 系统和 CAE
系统的几何模型文件分别描述一个产品模型的不同属性和范围，在描述零部件
的几何信息的差别在于其侧重点不同。在 CAD
系统中，几何模型文件主要是对产品的开发过程和管
理方面的规范性描述，着重于对实体的几何外形的描述， CAE
系统中的几何信息是经过处理的，其重
要特征是在设计与分析的产品定义范畴间共享信息，还包括了在外形表达的基础上对复合材料的外形
进行表达。如图3所示，基于几何模型文件作为中性文件，完成CAD 到 CAE
系统的集成，需要通过几
何模型的映射和转换进行实现，主要流程包括对模型文件的几何信息提取、几何信息处理、几何信息转
换等关键环节。
style="width:11.26664in;height:5.08002in" />CAD 系统
CAC 系统
网格划分
AF203
AP214
数据转换
数据映射
AP209
style="width:0.38672in" />
图 3 几何模型文件转换流程
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如图4所示，分析特征参数信息主要包括位姿特征、材料特征、边界特征、初始条件特征、载荷特征、
结合部特征、网格约束特征、求解器设置特征等八个部分。材料特征主要包括材料类型(各向同性或各
向异性)、弹性模量、密度、泊松比、热传导率等。结合部特征主要包含静结合部特征和动结合部特征两
大部分，静结合部包括螺栓连接等，
一般可以采用弹簧阻尼单元来模拟。动结合部主要包括导轨滑块结
合部、丝杠螺母结合部、轴承结合部、齿轮结合部等各种动态结合部。载荷特征主要用于定义模型的运
动环境和受力环境，主要包括位移、速度、加速度、力、力矩、温度等载荷等。
style="width:10.73328in;height:10.62666in" />分析特征集合
位姿特征集合
材料特征集合
地界特征集合
初始条件特征集合
载荷特征集合
结合部特征集合
网格特征集合
求解器设置特征
位姿特征
特征名称
绕 x 轴旋转角ler
绕/轴旋转角门
绕ン轴旋转角/?=
X 轴方向距离k
Y 轴方向距离小
Z 轴方向距离d-
style="width:0.36674in" />
材料特征
特征名称
弹性模量
密度
泊松比
style="width:0.40655in" />
边界特征
特征名称
边界类型
边界参数
·
初始条件特征
特征名称
初始条件类型
初始条件参数
结合部特征
特征名称
结合部类型
×向刚度
γ向刚度
x 向刚度
x 向阻尼
Y 向阻尼
乙向阻尼
载荷特征
特征名称
载荷类型
X 向载荷
Y 向载荷
Z 向载荷
style="width:0.34in" />
网格约束特征
特征名称
网格单元类型
网格单元尺寸
·
求解器设置特征
特征名称
内存分配
步长设置
特征值
图 4 参数模型
6 CAD 系统与动力学仿真分析系统集成
6.1 CAD 系统与动力学仿真分析系统集成流程
CAD
系统与动力学仿真分析系统的集成主要包括两方面内容：模型的集成和求解器的集成。
通过将 CAD 参数映射到动力学模型文本中实现 CAD
系统与动力学仿真系统模型集成，首先需要
建立机器人CAD
装配体模型及其对应的动力学模型。对于所有含铰链连接的零部件，均在CAD 零
件
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文件中添加参考坐标系，并保证这些参考坐标系与动力学仿真分析系统模型中的相应标架名称和轴向
保持一致。在机器人 CAD 模型修改之后，可以直接将CAD
中定义的参考坐标系位姿数据映射到预先
建立的动力学模型中，并且更新相应的动力学参数，最终生成新的动力学模型。
CAD 系统与动力学模
型参数映射流程如图5所示。
style="width:9.89375in;height:9.9in" />
动力学模型
图 5 CAD 系统与动力学模型参数映射流程
获取坐标系信息过程主要是获取部件两端的两个坐标系，即标架 frame a 和
frame b 的信息。
提取部件动力学参数过程，提取的参数主要包括：部件重心的坐标信息、部件的质量、部件的惯性张
量信息，其中惯性张量的坐标系采用以部件重心为原点且平行于标架 frame a
的坐标系。
数据运算过程主要计算每个部件的两个标架的相对位置关系，即标架 frame
b相对于标架 frame a 的
位移矢量，重心相对于标架frame a 的位移矢量等。
对于逆动力学仿真驱动参数，时间-关节角度值(位移)通过运动学仿真结果中获得。
如图6所示，动力学模型主要包括多体模型、平移模型和旋转模型等主要模型。多体模型主要包含
部件、运动副、传感器等子库，其中部件模型提供各种形状的部件模型，而运动副子库提供转动副、移动
副、球铰、虎克铰等运动副。
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style="width:11.01333in;height:10.30678in" />平移组件模型
固定法兰
滑动惯量
杆
弹簧
阻尼器
弹簧阻尼器
平移弹簧-阻尼
器组合
摩擦力
制动
变速器
滚动轮
滑动块
- ·- ·
平移模型
平移组件集合
驱动源集合
连接器模型
传感器集合
style="width:0.38657in" />
平移驱动源模型
位置
速度
加速度
力矩
动力学模型
多体模型集合
旋转模型集合
平移模型集合
多体模型
世界坐标系
部件集合
关节集合
旋转臂集合
旋转模型
旋转组件集合
驱动源集合
连接器模型
传感器集合
+ · · ·
旋转驱动源模型
位置
速度
加速度
力矩
*
旋转组件模型
旋转惯量
刚性旋转体
旋转弹簧
旋转阻尼
旋转弹簧阻尼
旋转制动
离合器
齿轮
变速器
滚动轮
信号适配器
· +
世界坐标系模型
重力场类型
重力加速度
重力方向
重力场常量
坐标轴
style="width:0.42008in" />
部件模型
固定杆模型
固定旋转模型
具有质量、惯性弹性的
刚体模型
筒状刚性体
盒状刚性体
滚动轮模型
style="width:0.39333in" />
关节模型
移动关节
转动关节
柱状关节
万向关节
平面关节
球形关节
自由运动关节
球面球关节
万向球关节
- ·.
具有质量、惯性弹性的刚体模型
杆间矢量
杆间质心矢量
质量
.. .
图 6 动力学仿真集成数据模型
6.3 CAD 系统与动力学仿真系统求解器集成
CAD
系统与动力学仿真系统的求解器集成流程如图7所示，在生成新的动力学模型之后，通过后
台调用动力学仿真系统求解器实现对模型的仿真求解。动力学仿真系统求解器对动力学模型求解之后
会生成仿真结果文件，然后对动力学仿真结果文件解析，读取仿真结果数据，并在CAD
软件中显示，并
且可以利用读取的数据对机器人进行诸如电机选型等下一步设计开发工作。
style="width:11.18671in;height:2.68004in" />CAD 平台调用
动力学仿真求
解器
读取动力学
模型，进行
仿真求解
生成
结果
文件
解析结果文件，
并读取数据
CAD 平台显示
仿真结果
图 7 CAD 系统与动力学仿真系统求解器集成流程
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