GB/T 35127-2017 机器人设计平台集成数据交换规范

　　ICS 35 . 240 . 50 J 07

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 35127—2017

　　机器人设计平台集成数据交换规范Integrateddataexchangespecificationforrobotdesignplatform

　　2017-12-29 发布 2018-07-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 35127—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC 159)归口 。

　　本标准负责起草单位：北京机械工业自动化研究所、清华大学、杭州娃哈哈精密机械有限公司、山东山大华天软件有限公司、北京航空航天大学、天津大学、苏州大学、大连理工大学、中国水利水电科学研究院。

　　本标准主要起草人：尹作重、黄双喜、罗振军、王培刚、陶永、黎晓东、杨超英、杨秋影、陈国栋、郑国君、田永利、陈友东、李江华、杜峻、孙洁香、王海丹。

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　　引 言

　　机器人设计开发平台是以高速、高精、重载等高性能工业机器人发展需求为牵引，以三维 CAD 建模以及运动学、CAE仿真分析算法等为核心工具，攻克工业机器人建模和仿真、动力学仿真设计、高性能几何造型内核、知识驱动的设计导航等系列核心技术的基于 CAD/CAE 技术融合的工业机器人设计开发平台，机器人设计开发平台的目的是改善我国工业机器人正向设计能力缺乏的现状，进一步降低工业机器人设计门槛，弥补传统的工业机器人设计方法的不足。

　　为了能更全面、深入和系统地理解机器人数字化设计平台的集成数据交换方式，结合机器人数字化设计平台的体系结构和设计流程中的具体特点，分析机器人数字化设计平台数据和模型，形成国家标准，以规范机器人数字化设计平台的建设，加快机器人相应软件集成度的提高，从而促进机器人产业化的发展。

　　本标准对于机器人设计开发平台数据交换具有重要参考和指导意义。

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　　机器人设计平台集成数据交换规范

　　1 范围

　　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。

　　2 术语和定义

　　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 geometricmodel

　　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]

　　3 缩略语

　　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)

　　4 机器人设计平台集成框架

　　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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　　图 2 基于中间文件的 CAD系统与静力学分析系统集成流程

　　5 . 2 几何模型文件集成

　　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。

　　图 3 几何模型文件转换流程

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　　5 . 3 特征参数集成模型

　　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。

　　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。

　　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。

　　6 . 2 动力学分析系统集成数据模型

　　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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　　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。

　　图 7 CAD系统与动力学仿真系统求解器集成流程