機械制造自動化論文

1、機械制造自動化論文機械制造自動化論文專 業(yè) 機械制造及其自動化 摘 要本設(shè)計以水平四自由度裝配機器人大小手臂為研究對象，采用虛擬樣機技術(shù)對機械系統(tǒng)進行設(shè)計，利用ug的運動學(xué)和動力學(xué)仿真功能，對水平四自由度裝配機器人手臂的運動學(xué)和動力學(xué)特性做了深入研究。仿真分析結(jié)果可以指導(dǎo)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計或調(diào)整零件的材料的選擇。虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用對于提高工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本具有很大的作用。首先建立了水平四自由度裝配機器人整體的模型，并依據(jù)以上模型建立了水平二連桿機器人手臂的運動學(xué)和動力學(xué)方程，從理論上對水平二連桿機器人大小手臂的運動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律進行研究。在機器人手臂的運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析方面

2、，利用ug做運動學(xué)和動力學(xué)仿真，可以得到各桿件的任一點的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各連桿的動能和機械手的總動能等。以上信息的取得對于機器人手臂的設(shè)計可以起到支持作用。關(guān)鍵詞：水平四自由度裝配機器人；運動學(xué)分析；動力學(xué)分析；仿真abstractin this article, we aim to design a planar four-dof assembly robot arm. using virtual prototyping technology designs mechanism system. we utilize the kinematics and dynamics s

3、imulation function of virtual prototype software ug to get the kinematics and dynamics characteristic of the planar four-dof assembly robot arm. the simulation results of the analysis can help us modify the material of part and improve the structure design. applying virtual prototyping technology is

4、 important for improving the quality of product and decrease the case of product.we first build the model of the planar four-dof assembly robot; then establish the kinematics and dynamics equation of the planar four-dof assembly robot arm, and do some theoretical research on the kinematics and dynam

5、ics characteristics of the robot arm. for the two-bar robot arm, we focus merely the whole kinetic energy at horizontal condition, and neglect the change of potential energy due to the bending deflection of the robot arm. in the simulation of the kinematics and dynamics of robot arm, we use ugto get

6、 the displacement, speed, acceleration, force, torque, kinetic energy of each link and the whole kinetic energy of robot arm, etc. such information will support the design of robot arm.key word: planar four-dof assembly robot; kinematics analysis; dynamics analysis, simulation目 錄第一章 緒論-11.1 工業(yè)機器人及其相

7、關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括-11.1.1 工業(yè)機器人技術(shù)概況-11.1.2 世界工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概況-11.1.3 我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概況及主要研究內(nèi)容-31.2 虛擬樣機技術(shù)的重要作用-71.3 本課題研究的意義和目的-91.3.1 課題的意義-91.3.2 課題的目的-101.4 本課題的研究的方法-10第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的總體設(shè)計情況-122.1 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設(shè)計方案-122.1.1 總體設(shè)計方案的構(gòu)思-122.1.2 大臂和小臂模組的設(shè)計構(gòu)思-162.1.3 z軸模組的設(shè)計構(gòu)思-182.2 裝配工業(yè)機器人的外形尺寸和工作空間-192.3 水平四自由度裝配工業(yè)

8、機器人的機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計-202.3.1 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計-202.3.2 第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計-212.3.3 第三、第四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計-22第三章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的建模-243.1 建立各裝配部件3d模型-243.2 建立總裝配3d模型-26第四章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學(xué)分析-294.1 在x-y平面內(nèi)建立二連桿的運動學(xué)算法模型-294.2 二連桿機構(gòu)運動學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-304.2.1 二連桿機構(gòu)在x-y平面內(nèi)的空間示意圖-304.2.2 二連桿機構(gòu)在x-y平面內(nèi)位置和姿態(tài)的數(shù)學(xué)描述-304.2.3 齊次坐標(biāo)變換-314.3物體的變換與逆變換-314.3.1 物體的位置

9、描述-314.3.2 齊次變換的逆變換-314.3.3 變換方程初步-314.4 ug的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學(xué)分析-324.4.1 機器人正向運動學(xué)-324.4.2 機器人逆向運動學(xué)-324.5 運動學(xué)仿真分析-334.5.1 廣義坐標(biāo)和時間的函數(shù)曲線-364.5.2 速度約束方程和時間的函數(shù)曲線-364.5.3 加速度約束方程和時間的函數(shù)曲線-37第五章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的動力學(xué)分析-375.1 二連桿機器人手臂動力學(xué)方程的建立方法-385.1.1 速度的計算-385.1.2 動能的計算-395.1.3 動力學(xué)方程的推導(dǎo)-405.2 二連桿機構(gòu)的點到點動力學(xué)仿真-415

10、.2.1 二連桿機構(gòu)動能變化關(guān)系-425.2.2 二連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)矩變化關(guān)系-42第六章 總結(jié)-45致謝-46參考文獻-4747第一章 緒論1.1 工業(yè)機器人及其相關(guān)技術(shù)和發(fā)展概況1.1.1 工業(yè)機器人技術(shù)概況工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代

11、研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。虛擬樣機技術(shù)（virtual prototyping technology）是利用軟件所提供的各零部件的物理和幾何信息，直接在計算機上對機械系統(tǒng)進行3d建模和虛擬裝配；從而獲得基于產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型即虛擬樣機（virtual prototype），并對其進行仿真分析。這種方法使設(shè)計人員能在計算機上快速試驗多種設(shè)計方案，直至得到最優(yōu)化結(jié)果，從而大幅度縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。因此，利用虛擬樣機技術(shù)進行工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計可以實現(xiàn)降低開發(fā)成本的目的。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人

12、的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。因此，各國都很重視工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)機器人技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用。1.1.2 世界工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概況近代工業(yè)機器人的原型可以從1948年算起，當(dāng)時美國原子能委員會的阿貢研究所為適應(yīng)核技術(shù)發(fā)展的需要開發(fā)了處理放射性材料的主從機械手1。1954年，喬治.德沃爾提出了“通用重復(fù)操作機器人的方案”并研制出了第一臺通用工業(yè)機器人(eng

13、elberberger)，這是一臺將遙控操作器的連桿機構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來的設(shè)備。1962年，喬治.德沃爾與engelberberger合作創(chuàng)建的美國萬能自動化(unimation)公司的第一臺工業(yè)機器人unimate在美國通用汽車公司(ge)投入使用，這標(biāo)志著第一代機器人的誕生12。由于歷史條件和技術(shù)水平的關(guān)系，60年代工業(yè)機器人發(fā)展較慢；進入70年代后，焊接，噴漆機器人相繼在工業(yè)中應(yīng)用和推廣。到1980年全世界約有2萬臺工業(yè)機器人在工業(yè)中應(yīng)用，而到1985年底就達(dá)到了1000萬臺。國外專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(un

14、ece)和國際機器人聯(lián)合會(ifr)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景2看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。全世界工業(yè)機器人的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的，15年來已經(jīng)出現(xiàn)3次馬鞍形曲線。第一次在80年代中期(19851987)，那是由于第一代工業(yè)機器人在一些發(fā)達(dá)國家汽車工業(yè)中的應(yīng)用漸達(dá)飽和，以及日元不斷升值所至。1988年后，隨著電子行業(yè)工業(yè)機器人的大量應(yīng)用及日本經(jīng)濟的復(fù)蘇，工業(yè)機器人增長率開始回升，1990年達(dá)到高峰。19921994年又出現(xiàn)了第二次馬鞍形，由1990年的最高紀(jì)錄年產(chǎn)8.1萬臺降為1994年的5.3萬臺，主要原因還是日本經(jīng)濟不景氣的

15、影響。1995年開始復(fù)蘇，1997年新安裝8.7萬臺，創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄，而1998年實際訂貨7.1萬臺，銷售額比上一年下降16%，出現(xiàn)了第三個馬鞍形，是由于日，韓兩國銷售額大幅下降所致。1999年回升，主要原因是北美和歐洲訂單的增長3。進入21世紀(jì)，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10左右。2004年增長率達(dá)到創(chuàng)記錄的20。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達(dá)43%。隨著電子計算機，自動控制技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，工業(yè)機器人技術(shù)在一些國家發(fā)展起來了。在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，目前第二代工業(yè)機器人已推廣成為主流安裝機型；第三代智能機器人也已發(fā)展起來?，F(xiàn)代工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展具有如

16、下特點：機械結(jié)構(gòu)方面：以關(guān)節(jié)型為主流，80年代開發(fā)的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機器人約占總量的1/3；控制技術(shù)方面：大多采用32位cpu，控制軸數(shù)多達(dá)27軸；采用通用機器人編程語言，基于pc的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一股潮流；驅(qū)動技術(shù)方面：80年代發(fā)展起來的ac伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)，在遠(yuǎn)程控制中已采用分布式智能驅(qū)動新技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通訊方式多采用ether網(wǎng)通訊方式，其它采用rs-232、rs-485等通訊接口；高速、高精度、多功能化：目前，最快的裝配機器人最小合成速度為16.5m/s，位置重復(fù)精度0.01mm；集成化與系列化：當(dāng)今工業(yè)機器人技術(shù)的另一個特點是從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展，多個機器

17、人與微機、周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個多智能體；到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。在工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展方面：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，工業(yè)機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國kuka公司為代表的機器人公司，已將工業(yè)機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，拓展了工業(yè)機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了工業(yè)機器人的性能。此外采用先進的rv減速器及交流伺服電機，使工業(yè)機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。由于微電子技術(shù)

18、的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去工業(yè)機器人系統(tǒng)的可靠性mtbf一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求6。當(dāng)前工業(yè)機器人的發(fā)展方向是探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負(fù)載/自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。在非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)發(fā)展方面：隨著人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，

19、對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。1.1.3 我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概況及主要研究內(nèi)容1.1.3.1 我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概括我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人，約占全球已安裝臺數(shù)的0.4%4。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期

20、的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程?？v觀目前經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，我國機器人市場增長異常迅猛；從銷售量上更是充分說明了這個不爭的事實。在中國市場上占有35市場份額的abb公司2004年在中國賣出了600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了2000臺機器人。專家預(yù)測，中國機器人到2010年擁有量將達(dá)到17300臺，到2015年，市場容量將達(dá)十幾萬臺（套）。據(jù)悉，汽車制造、工程機械及電機、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主。1.1.3.2 我國工業(yè)機器人技術(shù)主要

21、的研究內(nèi)容：（1） 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。 柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術(shù)開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。 焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負(fù)載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。 弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，ccd成像系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制。 焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。 電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品

22、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計。 批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。（2） 智能機器人開發(fā)研究 遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究包括建模遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術(shù)；雙向力反應(yīng)控制；知識庫的建立，學(xué)習(xí)與推理方法；人機交互的高級控制技術(shù)；虛擬現(xiàn)實（vr）控制與真實世界控制的相互關(guān)系；監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 智能移動機器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究包括導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)環(huán)境或非結(jié)構(gòu)環(huán)境中導(dǎo)航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構(gòu)成；根

23、據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導(dǎo)航的研究。 面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括人機交互圖形生成及其程序設(shè)計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數(shù)據(jù)的獲取；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應(yīng)、反饋控制；面向任務(wù)的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于vr模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；vr監(jiān)控系統(tǒng)。 人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)包括cad建模中的人機交互技術(shù)；求知模型工件的反示過程中的交互技術(shù)；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術(shù)；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術(shù)；機器人標(biāo)定、運動學(xué)建模、動力

24、學(xué)建模中的交互技術(shù)。 基于計算機屏幕的多機器人遙控技術(shù)包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網(wǎng)絡(luò)通訊。（3） 機器人化機械研究開發(fā) 并聯(lián)機構(gòu)機床（vmt）與機器人化加工中心（rmc）開發(fā)研究包括vmt與rmc智能化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)技術(shù)；vmt與rmc關(guān)鍵傳動實現(xiàn)技術(shù)；vmt與rmc加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術(shù)；vmt與rmc監(jiān)控檢測技術(shù)開發(fā)；vmt與mrc智能化開式cmc控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件開發(fā)；智能化機構(gòu)、材料機電一體化技術(shù)；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術(shù)；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式cnc控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)理

25、論；rmc智能控制理論；vmt與rmc典型應(yīng)用工程開發(fā)。 機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應(yīng)用；基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。（4） 以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) 開放式模塊化裝配機器人包括通用要素的提??；專用件標(biāo)準(zhǔn)化；裝配機器人模塊cad設(shè)計；通用主流計算機構(gòu)造的控制器；人機界面方式；網(wǎng)絡(luò)功能。 面向機器人裝配的設(shè)計技術(shù)包括數(shù)字化裝配與cad集成技術(shù)；產(chǎn)品機器人化裝配規(guī)劃生成技術(shù)；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。 機器

26、人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)其中單元技術(shù)：供料系統(tǒng)智能化設(shè)計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術(shù)：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。 可重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)開展基于任務(wù)和環(huán)境的動態(tài)重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（agent）的分布式控制技術(shù)及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。 裝配力覺、視覺技術(shù)包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術(shù)；視覺識別與定位技術(shù)。 智能裝配策略及其控制包括裝配狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術(shù)。（5） 多傳感器信息融合與配置技術(shù) 機器人的傳感器配置在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用包括面向工藝過程的多傳感器融合和配

27、置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。 機電一體化智能傳感器包括具有感知、自主運動、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用。我國的智能機器人和特種機器人在近幾年的發(fā)展中，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技

28、術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品5。1.2虛擬樣機技術(shù)的重要作用隨著計算機技術(shù)的日益成熟，近年來在對機械系統(tǒng)進行分析中，出現(xiàn)了虛擬樣機技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)（virtual prototyping technology）是一項新生的工程技術(shù)；它采用計算機仿真與虛擬技術(shù)，在計算機上通過cad/cam/cae等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的仿真和分析。虛擬樣機技術(shù)在設(shè)計的初級階段-概念設(shè)計階段就可以對整個系統(tǒng)進行完整的分析

29、，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，它可以在計算機上方便地修改設(shè)計缺陷，仿真實驗不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)不斷改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案以后，再做出物理樣機。虛擬樣機技術(shù)的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)分析，其核心是利用計算機輔助分析技術(shù)進行了機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運動所需的作用力及其反作用力等。任何一項技術(shù)的產(chǎn)生及廣泛應(yīng)用都有其原因，其中最重要的是市場的需求和技術(shù)本身的成熟程度。虛擬樣機技術(shù)的起源有其經(jīng)濟背景。隨著經(jīng)濟貿(mào)易

30、的全球化，要想在競爭日趨激烈的市場上取勝，縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本以及對市場的靈活反應(yīng)成為競爭者們所追求的目標(biāo)。誰早推出產(chǎn)品，誰就占有市場。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式無法滿足這些要求。在傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過程中，首先是概念設(shè)計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要制造樣機進行實驗，有時這些實驗甚至是破壞性的。當(dāng)通過實驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，又要回頭修改設(shè)計并再用樣機驗證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計實驗設(shè)計過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)。設(shè)計周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。樣機的單機手工制造增加了成本。在大多數(shù)情況下，工程師

31、為了保證產(chǎn)品按時投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時便有了先天不足的毛病。在競爭的市場背景下，基于實際樣機上的設(shè)計驗證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，成本的降低和對市場的占有。虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用貫穿在整個設(shè)計過程當(dāng)中。它可以用在概念設(shè)計和方案論證中，設(shè)計師可以把自己的經(jīng)驗與想象結(jié)合在計算機里的虛擬模型里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當(dāng)虛擬模型用來代替實際模型驗證設(shè)計時，開發(fā)周期縮短，設(shè)計質(zhì)量和效率得到了提高。1997年7月4日，美國航空航天局（nasa）的噴氣推進實驗室（jpl）成功地實現(xiàn)了火星探測器“探路者”在火星上的軟著陸，成為轟動一時的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了該項技術(shù)，這個計

32、劃可能要失敗。在探測器發(fā)射以前，jpl的工程師們運用虛擬樣機技術(shù)預(yù)測到由于制動火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻并最后6輪朝上。工程師們針對這個問題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計劃的成功。福特汽車公司在一個新車型的開發(fā)中也采用了虛擬樣機技術(shù)，其設(shè)計周期縮短了70天。全公司范圍內(nèi)，由于采用了這項技術(shù)，設(shè)計費用減少了0.4億美元，制造費用節(jié)省了510億美元。由于設(shè)計制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達(dá)到其成本的數(shù)倍。世界上最大的工程機械制造商卡特彼勒公司的工程師們在經(jīng)過幾天培訓(xùn)后，采用這項技術(shù)進行裝載機和挖掘機的工作裝置優(yōu)化設(shè)計及分析，在一天時間內(nèi)，他們對工作裝置進行了上萬個工位

33、的運動及受力分析，很容易地實現(xiàn)了理想的設(shè)計。虛擬樣機技術(shù)在技術(shù)與市場兩個方面的成熟也與計算機輔助設(shè)計（cad）技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用是分不開的。首先，cad中的三維幾何造型技術(shù)能夠使設(shè)計師們的精力集中在創(chuàng)造性設(shè)計上，把繪圖等煩瑣的工作交給計算機去做。這樣設(shè)計師就有額外的精力關(guān)注設(shè)計的正確和優(yōu)化問題。其次，三維造型技術(shù)使虛擬樣機技術(shù)中的機械系統(tǒng)描述問題變得簡單。第三，由于cad強大的三維幾何編輯修改技術(shù)，使機械系統(tǒng)設(shè)計的快速修改變?yōu)榭赡?，在這基礎(chǔ)上，在計算機上的設(shè)計實驗和設(shè)計的反復(fù)過程才有時間上的意義。虛擬樣機技術(shù)是許多技術(shù)的綜合。它的核心部分是多體系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)。作

34、為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個分支的數(shù)值算法及時地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計算機可視化技術(shù)及動畫技術(shù)的發(fā)展為這項技術(shù)提供了友好的用戶界面。cad/fea等技術(shù)的發(fā)展為虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。虛擬樣機技術(shù)應(yīng)當(dāng)屬于計算機輔助工程（cae）的一個分支。隸屬于cae的其他分支有限元技術(shù)等。虛擬樣機技術(shù)區(qū)別于其他分支之外在于它是從系統(tǒng)的層面來分析系統(tǒng)，而與有限元有關(guān)的技術(shù)分支所進行的是部件的分析。正由于此，虛擬樣機技術(shù)對設(shè)計方法和過程的影響要比有限元技術(shù)帶來的影響要大。虛擬樣機技術(shù)不僅幫助企業(yè)縮短生產(chǎn)周期，降低成本和提高質(zhì)量，而且改變了產(chǎn)品設(shè)計的順序。過去的設(shè)計方式是由下到上：從部件設(shè)計

35、到整機設(shè)計。這種方式的弊端是設(shè)計師往往把注意力集中在細(xì)節(jié)而忽略了整體性能。這種事情在我國常發(fā)生，尤其在對國外引進樣機的消化上，在整機性能還沒有吃透的情況下就開始照抄零件。借助于虛擬樣機技術(shù)，傳統(tǒng)的設(shè)計過程被逆轉(zhuǎn)了。設(shè)計過程先從整機開始，按照由上至下的順序進行。這樣可以避免代價昂貴的在系統(tǒng)設(shè)計方面的失誤。當(dāng)設(shè)計工業(yè)機器人時，可以依技術(shù)指標(biāo)，利用虛擬樣機技術(shù)確定工作裝置的參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計在初期設(shè)計階段完成。對于初期階段的虛擬樣機的仿真結(jié)果可以作為零件設(shè)計的參考。虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域里：汽車制造業(yè)，工程機械，航空航天業(yè)，國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機的快門

36、，天上的火箭到海上的輪船。在各個領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機技術(shù)都為用戶節(jié)省了時間，降低了成本并提供了滿意的設(shè)計方案。1.3 本課題研究的意義和目的1.3.1 課題的意義希望通過本課題的研究，掌握基于虛擬樣機技術(shù)的水平四自由度工業(yè)機器人手臂機械系統(tǒng)的設(shè)計方法，并將研究成果應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)實際中；同時通過本課題的研究，可以掌握先進的設(shè)計方法，并將這些先進的設(shè)計方法應(yīng)用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中；最終實現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。1.3.2 課題的目的本課題的研究主要有兩個目的：目的一、解決本企業(yè)生產(chǎn)中存在的實際問題，為企業(yè)降低成本、增加效益、提高競爭力做出貢獻1)本企業(yè)運營現(xiàn)狀：

37、由于國家和地方出臺的各種保護勞動者利益的政策，使企業(yè)人力成本提高；為了保證產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，企業(yè)有開發(fā)自動化設(shè)備來代替人工的需求；目前，公司自主開發(fā)的自動化設(shè)備均為剛性機，只能針對單一產(chǎn)品；電子產(chǎn)品生命周期越來越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快；電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，人工作業(yè)精度越來越難滿足生產(chǎn)要求；2)解決對策：導(dǎo)入泛用型、柔性化、高精度的自動化設(shè)備是必由之路；而這種自動化設(shè)備最典型的代表就是工業(yè)機器人。3)生產(chǎn)中成功導(dǎo)入工業(yè)機器人的途徑：在市場上采購工業(yè)機器人：優(yōu)點：功能強、精度高；缺點：價格貴、對前期培訓(xùn)和售后服務(wù)要求高；自主開發(fā)：優(yōu)點：價格低、功能滿足企業(yè)實際需求；培養(yǎng)企業(yè)內(nèi)工程技術(shù)

38、人員的開發(fā)能力。缺點：沒有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗必須尋求外部資源的協(xié)助；需要較長的開發(fā)周期。從長遠(yuǎn)來看，自主開發(fā)是必由之路!目的二、通過論文的實施，可以學(xué)到先進的設(shè)計方法；并把這些設(shè)計方法應(yīng)用在其他自動化產(chǎn)品的開發(fā)中；1.4 本課題的研究的方法1、初步確定四自由度機器人的結(jié)構(gòu)；2、初步確定四自由度機器人的尺寸方案；3、初步確定四自由度機器人的工作空間合理分布；4、確定四自由度機器人的傳動方式；建立水平四自由度機器人動力學(xué)方程，并利用ug的運動分析模塊1、水平四自由度機器人的運動學(xué)分析；2、水平四自由度機器人的動力學(xué)分析；最終確定水平四自由度機器人機械結(jié)構(gòu)。第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的總體設(shè)計2.

39、1 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設(shè)計方案2.1.1 總體設(shè)計方案的構(gòu)思本課題是為了解決電子產(chǎn)業(yè)裝配生產(chǎn)中存在的多品種小批量生產(chǎn)模式而開發(fā)的裝配工業(yè)機器人。從應(yīng)用環(huán)境來分析：一、 工業(yè)機器人需要如下四個自由度，大小臂在xy平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，z軸上下移動以及z軸的轉(zhuǎn)動，在這個四自由度下工作就可以滿足絕大多數(shù)的裝配應(yīng)用；1. 工作范圍的確定：工業(yè)機器人工作的范圍根據(jù)工藝要求和操作運動軌跡來確定。一個操作運動的軌跡一般是由幾個動作合成的；在確定工作范圍時，可將運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定工業(yè)機器人的最大行程。各個動作的最大行程確定之后，工業(yè)機器人的工作范圍即可確定。2. 大小臂尺寸的確定：裝

40、配生產(chǎn)中所用裝配流水線的寬度一般為700mm800mm左右，如果工業(yè)機器人手臂置于流水線的中間位置，考慮其大小臂長度之和為380mm則可以滿足需求。3. z軸平移及旋轉(zhuǎn)行程的確定：為了使工業(yè)機器人手臂與流水線手工作業(yè)人員很好的結(jié)合，工業(yè)機器人手臂z軸的位置高度應(yīng)與人工治具高度相當(dāng)，同時考慮到對不同產(chǎn)品的泛用性，z軸上下運動位移須達(dá)到180mm，符合人手上下取放的高度；z軸旋轉(zhuǎn)須360，以實現(xiàn)不同角度的裝配。4. 臂力的確定：對于裝配工業(yè)機器人來說，臂力主要根據(jù)被抓取、搬運物體的重量及重量變化范圍來定，其安全系數(shù)一般可在1.53.0范圍內(nèi)選取。二、 面向的產(chǎn)品具有短、小、輕、薄的特點，要求裝配工

41、業(yè)機器人有高精度，但載荷并不要求很大。1. 根據(jù)電子產(chǎn)品的特點，短、小、輕、薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；所以在裝配過程中，只有高精度才能保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不會破壞，從而保證品質(zhì)。2. 工業(yè)機器人本身所能達(dá)到的定位精度，取決于定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等很多因素。所以在本課題中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)進行臂部剛度的優(yōu)化設(shè)計，在驅(qū)動方式上采用交流伺服驅(qū)動，并以絕對式光電編碼器進行工作位置的反饋。在傳動方式上采用交流伺服電機+同步齒形帶和步進電機+同步齒形帶兩種方式。保證求裝配工業(yè)機器人所需的精度。3.根據(jù)電子產(chǎn)品短、小、輕、薄的特點，所以裝配工業(yè)機器人的最大載荷并不需要很大，最大

42、載荷為3kg完全可以滿足要求。三、 工業(yè)生產(chǎn)要求裝配工業(yè)機器人有高的生產(chǎn)效率，即在盡量短的時間內(nèi)完成裝配和加工作業(yè)；裝配工業(yè)機器人工作速度越快，則生產(chǎn)效率就越高。裝配工業(yè)機器人各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度；如裝配工業(yè)機器人要完成某一工件的上料過程，需要完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等一系列動作，這些動作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時間內(nèi)完成；到于各動作的時間究竟應(yīng)如何分配，則取決于很多因素，需要各種因素綜合考慮，比較平衡后，才能確定。本課題中將各組件的運動速度設(shè)定如下：大臂旋轉(zhuǎn)200/s，max、小臂旋轉(zhuǎn)200/s，max、z軸

43、上下運動240mm/s，max、z軸旋轉(zhuǎn)360/s，max。裝配工業(yè)機器人工作速度固然是越快越好，但是由于速度越快，對系統(tǒng)要求就越高，包括：材料、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、計算精度等；所以本課題根據(jù)實際需要，本著量力而行的原則，制定了如上的性能指標(biāo)?；谝陨峡紤]，把如上裝配工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)作如下設(shè)定：開發(fā)四自由度(三轉(zhuǎn)一平移)、行程(回轉(zhuǎn)角度360，l1+l2=380mm)、最大搬運重量(3kg)、最短循環(huán)時間(1s/cycle)的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械手臂部分。表2-1 裝配工業(yè)機器人整體要求項目設(shè)計要求結(jié)構(gòu)類型水平關(guān)節(jié)型工業(yè)裝配機器人自由度四個，包括：大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)、主軸

44、上下運動、主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式交流伺服驅(qū)動，絕對式光電編碼器反饋傳動方式交流伺服電機+同步齒形帶，步進電機+同步齒形帶、滾珠絲桿花鍵表2-2 裝配工業(yè)機器人主要技術(shù)指標(biāo)項目技術(shù)指標(biāo)運動范圍大臂旋轉(zhuǎn)小臂旋轉(zhuǎn)z軸上下運動z軸旋轉(zhuǎn)360180180mm360l1=161mml2=219mm最大速度200/s200/s240mm/s360/s最大合成速度2500 mm/s最大載荷3kg重復(fù)定位精度0.1mm綜合以上水平四自由度裝配工業(yè)機器人的研究目標(biāo)、總體要求和主要技術(shù)指標(biāo)；對如上水平四自由度裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)做如下構(gòu)思：1 機器人的驅(qū)動方式工業(yè)機器人的驅(qū)動方式有電動，液壓和氣動三種。一臺工業(yè)機器人可以只

45、用一種驅(qū)動方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動。工業(yè)機器人的驅(qū)動方式在選擇時主要考慮負(fù)載、效率、精度和環(huán)境等因素。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負(fù)載通常選用液壓驅(qū)動。氣動系統(tǒng)簡單、成本低、適合節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合。電動系統(tǒng)適合于中等負(fù)載，特別適合動作復(fù)雜、運動軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機器人和各種微型機器人?；诰C合因素的考慮，在本課題中，裝配工業(yè)機器人的驅(qū)動采用電動方式。2 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式。直接驅(qū)動方式是驅(qū)動裝置的輸出軸和機器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連。間接驅(qū)動方式是驅(qū)動裝置經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關(guān)節(jié)軸相連。1） 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式

46、關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式一般指驅(qū)動電機通過機械接口直接與關(guān)節(jié)連接。這種方式的特點是驅(qū)動電機和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。目前中小型工業(yè)機器人一般采用普通的直流伺服電機，交流伺服電機或步進電機作為工業(yè)機器人的執(zhí)行電機。由于電機速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進行間接傳動。但是間接傳動帶來了不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響工業(yè)機器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸。關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式和間接驅(qū)動方式相比，有如下優(yōu)點：機械傳動精度高、振動小，結(jié)構(gòu)剛度好、機械傳動損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高、響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式是一種極有發(fā)展前途的驅(qū)動方式，許多國家為實現(xiàn)機器人高精度，高速度和高智能

47、；對關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式投入了大量的研究和開發(fā)。目前主要存在的問題是：a 載荷變化，耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對驅(qū)動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計困難和復(fù)雜。b 對位置，速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求。傳感器精度為帶減速裝置（速比為k）的間接驅(qū)動方式的k倍以上。c 電機的轉(zhuǎn)矩/重量比和轉(zhuǎn)矩/體積比不大，需開發(fā)小型實用的電機；電機成本高。d 把電機直接安裝在關(guān)節(jié)上，增加了臂的總質(zhì)量，并且對下一個關(guān)節(jié)產(chǎn)生干擾，使工業(yè)機器人的負(fù)載能力和效率下降。2） 關(guān)節(jié)間接驅(qū)動方式大部分機器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動。這種間接驅(qū)動，通常其驅(qū)動器的輸出力矩大小于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速裝置。另外，手臂通常采用懸臂梁結(jié)

48、構(gòu)，所以多自由度機器工業(yè)機器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動裝置會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置的負(fù)荷增大。改善這一問題的方法通常是經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關(guān)節(jié)軸相連，以驅(qū)動關(guān)節(jié)運動。在本課題中，裝配工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式采用關(guān)節(jié)間接驅(qū)動方式。3 材料的選擇選擇工業(yè)機器人本體材料，應(yīng)從工業(yè)機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設(shè)計和制作要求。工業(yè)機器人的材料并不是簡單工業(yè)材料的組合，它應(yīng)是滿足工業(yè)機器人性能的材料，應(yīng)在充分掌握機器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會機器人的概念和各組成部分的作用。機器人本體被用來支承，連接，固定機器人的各部分，當(dāng)然機器人

49、本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料。但機器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機器人臂是運動的；所以工業(yè)機器人運動部分的材料質(zhì)量要輕。精密工業(yè)機器人對剛度有一定的要求，即對材料剛度有一定的要求。剛度設(shè)計時要考慮靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題。從材料角度看，控制振動涉及到減輕重量和抑制振動兩方面，本質(zhì)上就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的工業(yè)材料與機器人材料之間的差別，在于機器人是伺服機構(gòu)，其運動是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒有的“被控性”。材料的被控性是與材料的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性和可加工性同樣重要的因素。材料的被控性取決于材料的輕質(zhì)性、抗振性和彈性。工業(yè)機器人本體材料必須與材料

50、的結(jié)構(gòu)性、輕質(zhì)性、剛性、抗振性和工業(yè)機器人整體性能一同考慮到。工業(yè)機器人常用材料包括：碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼、鋁，鋁合金及其他輕合金材料、纖維增強合金、陶瓷、纖維增強復(fù)合材料、粘彈性大阻尼材料等。4 主要機構(gòu)部件的設(shè)計和選擇 近年來，工業(yè)機器人朝著智能化，標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。模塊化工業(yè)機器人得到重視，它是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊通過具有特定功能的結(jié)合部件，用積木拼搭的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，如伺服電機、步進電機、傳感器、手臂、手腕等。因此，在設(shè)計工業(yè)機器人時可選用標(biāo)準(zhǔn)模塊，也可以自行設(shè)計一些專用部件。1在本課題中，裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)分為兩

51、個部分：固定部分和運動部分。固定部分包括底座、支架、主傳動軸等。運動部分即裝配工業(yè)機器人手臂部分，包括兩個模塊：大小臂模組和z軸模組。本課題“水平四自由度裝配機器人的設(shè)計及仿真分析”主要就是針對裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)的運動部分展開研究。 2.1.2 大臂和小臂模組的設(shè)計構(gòu)思把工業(yè)機器人大臂和小臂作為一個模塊，兩臂之間由關(guān)節(jié)軸連接；關(guān)節(jié)軸中部固定一只皮帶輪，通過同步齒形帶傳遞動力并帶動小臂實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)；因為同步齒形帶與皮帶輪之間是過盈配合，所以有效地消除了傳動間隙。而整個二連桿系統(tǒng)由固定于支架上的主軸驅(qū)動，主軸，支架及底座部分對工業(yè)機器人系統(tǒng)的運動特性影響很??；所以對工業(yè)機器人手臂系統(tǒng)進行設(shè)計時主要考慮此二連桿機構(gòu)的運動特性。 關(guān)節(jié)工業(yè)機器人中連接運動部分的機構(gòu)稱為關(guān)節(jié)（joint），關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動型和移動型，分別稱它為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（rotary joint）就是關(guān)節(jié)