低負(fù)荷六軸工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真 - 圖文-

1、低負(fù)荷六軸工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真摘要隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程的加速,工業(yè)機(jī)械手的使用變得更加普遍.本文結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械本體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、靜力學(xué)仿真和樣機(jī)的底層算法設(shè)計(jì).首先,針對(duì)機(jī)器人技術(shù)和ABB、KUKA低負(fù)荷類工業(yè)機(jī)械臂實(shí)例進(jìn)行大量知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)習(xí)研究,確定多項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù),確定總體設(shè)計(jì)方案、傳動(dòng)方案.其次,根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)和方案,利用Solidwork軟件以自上而下建模方式構(gòu)建虛擬樣機(jī),并實(shí)現(xiàn)完整的裝配、約束、材質(zhì)設(shè)定、工藝參數(shù)設(shè)定.再次,根據(jù)三維模型利用MATLAB 仿真出末端的工作范圍,并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.根據(jù)新的參數(shù)確定電機(jī)、減速器設(shè)計(jì)參數(shù),并利用Simulat

2、ion插件對(duì)模型關(guān)鍵部件做應(yīng)力和變形分析,實(shí)現(xiàn)模型再優(yōu)化.最后在優(yōu)化后的模型基礎(chǔ)上,建立各個(gè)連桿對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系,完成虛擬樣機(jī)的位姿描述,建立D-H方程, 實(shí)現(xiàn)末端與底座的位姿變換.根據(jù)D-H算法推算運(yùn)動(dòng)方程的解.關(guān)鍵詞:虛擬樣機(jī)技術(shù);六軸工業(yè)機(jī)械手;優(yōu)化設(shè)計(jì);靜力學(xué)仿真;D-H算法;逆解The Design and Simulation of Low-Payload 6-DOF Industrial ArmABSTRACTAlong with the acceleration of the process industrial automation, industrial arms are ut

3、ilized widely. In this paper, robotics and virtual prototyping technology were applied to finish the mechanical design and optimization, the statics simulation and the underlying algorithm design.Firstly, I prepared the knowledge of robotics technology and a lot of low-payload examples of ABB and KU

4、KA industrial arms to determine the design parameters, the general design and the mechanical transmission scheme. Secondly, according to the design parameters, I built the model with Solidworks in top-down approach and finished the assembly, constraints, material setting and process parameters setti

5、ng. Thirdly, MATLAB were applied to draw the scope of locus of the arm extremity to optimize the design parameters. The correct servo motor and decelerator were choose according to the new parameters. The stress and deformation analysis were finished with Simulation component to finish the optimizat

6、ion. Finally, the joint coordinates of each link were built to complete the description of the position and orientation of virtual prototype with the optimized model. D-H Algorithm were used to achieve the ends and the base transformation to calculate solutions of the movement equation.Key words:Vir

7、tual Prototyping Technology; Six-Axes Industrial Arm;Optimized Design; Static Simulation; D-H Algorithm; Inverse Solution目錄前言 (31.緒論 (41.1工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介 (41.2工業(yè)機(jī)械手選題背景 (41.3工業(yè)機(jī)械手研究意義 (61.4研究?jī)?nèi)容 (72. 低負(fù)荷六自由度工業(yè)機(jī)械手方案設(shè)計(jì) (72.1機(jī)械手設(shè)計(jì)定位 (72.2機(jī)械手設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備 (82.2.1與機(jī)械手有關(guān)的概念 (82.2.2機(jī)械手分類 (92.2.3傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) (122.4確定設(shè)計(jì)參數(shù) (133. 樣

8、機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 (143.1虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 (143.2 Solidworks軟件及其插件介紹 (153.3機(jī)械手方案設(shè)計(jì)與分析 (153.3.1 初步建立機(jī)械手模型 (153.3.2傳動(dòng)部分的計(jì)算 (203.4電機(jī)與減速器的選擇 (213.5機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 (243.5.1靜應(yīng)力分析 (243.5.2有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 (263.6機(jī)械手軌跡優(yōu)化 (294. 基于MATLAB的六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解 (304.1確定D-H坐標(biāo)系 (314.2確定廣義連桿坐標(biāo)系的連桿參數(shù) (314.3建立六自由度機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型 (324.4六自由度機(jī)械手求解 (324.4.1機(jī)械手位姿描述與轉(zhuǎn)換

9、基礎(chǔ) (334.4.2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析 (344.4.3求解機(jī)械手的逆解 (365. 總結(jié)與展望 (37參考文獻(xiàn) (39附錄 (40致謝 (46低負(fù)荷六軸工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真前言工業(yè)自動(dòng)化經(jīng)過最近40多年的迅速發(fā)展,許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都開始廣泛地采用工業(yè)機(jī)械手和自動(dòng)化生產(chǎn)線,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造業(yè)的典范,已成為一個(gè)國(guó)家制造業(yè)和科技水平的重要標(biāo)志.通過查閱王興松教授大量機(jī)器人技術(shù)教學(xué)視頻和熊有倫教授早年大量文獻(xiàn)資料和對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行更加系統(tǒng)性的學(xué)習(xí),通過對(duì)新松、ABB和KUKA多種型號(hào)的工業(yè)機(jī)械手的學(xué)習(xí)與分析,對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人現(xiàn)狀有了比較深入的認(rèn)識(shí)和詳細(xì)的了解.在這樣的基礎(chǔ)上,結(jié)合低負(fù)荷通用六自

10、由度工業(yè)機(jī)械手的設(shè)想,實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械手方案創(chuàng)成、模型設(shè)計(jì)、靜力學(xué)分析、仿真優(yōu)化、底層算法設(shè)計(jì).由于作者水平有限的,難免有錯(cuò)誤和遺漏指正,請(qǐng)多多指正.1.緒論1.1工業(yè)機(jī)械手簡(jiǎn)介工業(yè)機(jī)械手可以模仿人的手臂,而且能夠?qū)崿F(xiàn)各種工業(yè)作業(yè)任務(wù).這種具有多關(guān)節(jié)連結(jié)結(jié)構(gòu)并允許在平面內(nèi)或者三維空間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或使用線性位移移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng),由機(jī)械手部分、控制器部分、伺服系統(tǒng)部分、感應(yīng)器部分構(gòu)成,由控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)需求設(shè)定指令動(dòng)作,完成工業(yè)作業(yè)任務(wù),其中六自由度工業(yè)機(jī)械手是最典型、應(yīng)用廣泛的工業(yè)機(jī)械手之一.圖1-1為KUKA公司的KR 16-2 CR機(jī)械手, KR 16-2用處廣泛、操作靈便,幾乎可以應(yīng)用于全部行

11、業(yè)的作業(yè)任務(wù),比如物料的搬運(yùn)與裝卸、零件的安裝、工件的裝夾、原料的置入、部件的固定、物料的分揀、尺寸的測(cè)量和檢測(cè)等,該機(jī)械手是典型的低負(fù)荷(5kg-16kg通用六自由度機(jī)械手. 圖1-1 KUKA公司KR 16-2 CR機(jī)械手1.2工業(yè)機(jī)械手選題背景經(jīng)過20世紀(jì)80年代初的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品化歷程,許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都開始廣泛地采用工業(yè)機(jī)械手和自動(dòng)化生產(chǎn)線, 在車輛工業(yè)、弱電和強(qiáng)電工業(yè)、機(jī)械加工工業(yè)、塑膠加工工業(yè)、食品加工、物流分揀運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都得到廣泛的使用,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造業(yè)的典范,已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志.截止2008年年底,全世界已經(jīng)100萬(wàn)臺(tái)左右不同類型的工

12、業(yè)機(jī)械手. 國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR在2014年3月的報(bào)告披露,2013年全球機(jī)器人銷售量168000臺(tái),是空前紀(jì)錄的銷售量.1隨著新興應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展,預(yù)計(jì)到2015年需求量如圖1-2所示將達(dá)到 210000臺(tái).目前世界上工業(yè)機(jī)械手擁有量最多國(guó)家是日、美和德,這三個(gè)國(guó)家所安裝的工業(yè)機(jī)器人占全世界安裝數(shù)目的50%以上,其中汽車工業(yè)是工業(yè)機(jī)器人需求最為強(qiáng)勁的行業(yè),在亞洲緊隨其后的是電子與電氣工業(yè),在歐洲排在第二位的是橡膠和塑料行業(yè)2. 圖1-2 全球機(jī)器人新裝機(jī)量及預(yù)測(cè)與此同時(shí),我國(guó)工業(yè)機(jī)器人密度較低,如圖1-3根據(jù)IFR數(shù)據(jù)顯示,僅為25%,低于世界平均水平55%.隨著我國(guó)制造業(yè)的升級(jí)、人口

13、老齡化趨勢(shì)和全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展,中國(guó)將成為工業(yè)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展最快的地區(qū),其年銷售額約占全球市場(chǎng)的20%,增速或達(dá)30%. 圖1-3 全球制造業(yè)工業(yè)機(jī)器人密度2012年,我國(guó)60歲以上人口比例已超過9.4%,接近80年代的日本,我國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì),與此同時(shí),工人平均工資快速提升,數(shù)據(jù)顯示2012年制造業(yè)人均工資3.6萬(wàn),是2000年的4倍.長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)頻現(xiàn)用工荒,勞動(dòng)力成本飆升和勞動(dòng)力供應(yīng)減弱也將推進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)推廣。隨著我國(guó)制造業(yè)大國(guó)地位的確立和鞏固,工業(yè)機(jī)器人需求必將日益增加.我國(guó)擁有200多個(gè)專業(yè)機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu), “九五”期間,國(guó)家“863”計(jì)劃確立以新松為龍頭的智能機(jī)器

14、人主題產(chǎn)業(yè)化基地.除此之外大連組臺(tái)機(jī)床所、東風(fēng)汽車公司等單位也在從事活躍的機(jī)器人技術(shù)項(xiàng)目.此外,科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的研發(fā)工作也在進(jìn)行.但是相對(duì)于技術(shù)領(lǐng)先、實(shí)力雄厚的安川、發(fā)那卡、酷卡、ABB,研發(fā)實(shí)力突出的川崎、現(xiàn)代重工、科馬、不二越、松下,我國(guó)的新松、博實(shí)、首鋼莫托曼(合資等公司就顯得創(chuàng)新不足、技術(shù)短缺. 圖1-4 國(guó)內(nèi)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)格局近幾年,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已過十億.我國(guó)的機(jī)器人研究與應(yīng)用已經(jīng)擁有一定的基礎(chǔ),但是我們?cè)诩夹g(shù)、研發(fā)、數(shù)量上都有巨大差距.如圖1-4所示,我國(guó)在運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人中,本土企業(yè)的銷售額僅有4%.隨著國(guó)家工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型,對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的需求越來(lái)越大

15、,我國(guó)的機(jī)器人工業(yè)會(huì)面對(duì)新機(jī)遇和新挑戰(zhàn),因此我們需要看準(zhǔn)方向、增加對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)、投入和政策扶持,自主發(fā)展機(jī)器人技術(shù),解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)、形成具有競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的產(chǎn)業(yè)鏈條.積極推進(jìn)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程.1.3工業(yè)機(jī)械手研究意義提高自動(dòng)化程度.工業(yè)機(jī)械手可以用來(lái)取代或幫助人們實(shí)現(xiàn)各種重復(fù)性作業(yè),取代工人實(shí)現(xiàn)抓、握、按、拉插、挫、磨、刨等動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了零件的運(yùn)送、焊接、噴涂、裝配的自動(dòng)化,從而大大提高了工程的自動(dòng)化程度.改善勞動(dòng)條件,避免作業(yè)事故.在繁重、危險(xiǎn)、惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下,例如高溫、高壓、低溫、低壓、輻射、噪聲、有毒的環(huán)境中,工業(yè)機(jī)械手可以部分或者全部取代工人的作業(yè),減少環(huán)境對(duì)人體的傷害,同

16、時(shí)避免因疲勞和疏忽造成的人身傷害事故.減輕人力勞動(dòng),提高生產(chǎn)效率.在機(jī)械加工工業(yè)、化工原料生產(chǎn)、包裝、輸送、土建工程、極端環(huán)境作業(yè)、鑿巖采礦、食品加工等許多領(lǐng)域工業(yè)機(jī)械手被廣泛使用,利用機(jī)械手取代人力勞動(dòng)可以在一方面減少工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)人的參與,另一方面,由于機(jī)械手可以持續(xù)24小時(shí)作業(yè),便于生產(chǎn)控制,從而大大提高生產(chǎn)效率.低負(fù)荷的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn),特別是勞動(dòng)密集型工業(yè)中,應(yīng)用最為廣泛.ABB、KUKA都有大量低負(fù)荷工業(yè)機(jī)械臂系列產(chǎn)品.1.4研究?jī)?nèi)容通過查閱大量教學(xué)視頻、文獻(xiàn)資料和對(duì)機(jī)器人技術(shù)的系統(tǒng)性學(xué)習(xí),對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人現(xiàn)狀有了比較深入的認(rèn)識(shí)和詳細(xì)的了解.在這樣的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷通用六自由度工

17、業(yè)機(jī)械手的設(shè)想,解決問題如下:(1六自由度機(jī)械手方案創(chuàng)成.首先根據(jù)低載荷的設(shè)計(jì)要求,查閱大量資料,參考技術(shù)參數(shù),完成低負(fù)荷六自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)、總體設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案. (2樣機(jī)的設(shè)計(jì).根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)和方案,基于 Solidworks自上而下建模方式構(gòu)建樣機(jī).(3樣機(jī)的仿真優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機(jī)仿真出末端的工作范圍,并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機(jī)的參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)確定電機(jī)、減速器設(shè)計(jì)參數(shù),并利用simulation插件對(duì)模型關(guān)鍵部件做應(yīng)力和變形分析,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化.(4在完成的機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,建立各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系,完成虛擬樣機(jī)的位姿描述,建立D-H方程, 實(shí)現(xiàn)位姿變換.根據(jù)D-H算法確定

18、六軸機(jī)械手的位姿變換,對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并計(jì)算方程的正解和逆解.2. 低負(fù)荷六自由度工業(yè)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)定位在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過程中,大部分作業(yè)任務(wù)由人工完成,工作環(huán)境危險(xiǎn),勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,無(wú)法滿足競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的工業(yè)生產(chǎn)的要求,為了提高效率,降低成本,滿足現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)流程,結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際情況,利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù),實(shí)現(xiàn)部分或者全部作業(yè)的自動(dòng)化.低負(fù)荷六自由度工業(yè)機(jī)械手尤其適用于負(fù)荷較輕的作業(yè),如搬運(yùn)與裝卸、包裝與分揀、安裝、置入、裝夾、測(cè)量、檢測(cè)或檢驗(yàn)、固定、部件檢測(cè)、打磨、拋光及粘接作業(yè),應(yīng)用廣泛,適合大部分工廠的產(chǎn)品裝配、部件搬運(yùn)、性能檢測(cè)等

19、流水線作業(yè)任務(wù).基于以上結(jié)論,進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì).2.2機(jī)械手設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備工業(yè)機(jī)械手是完成工業(yè)領(lǐng)域作業(yè)任務(wù)的多關(guān)節(jié)自動(dòng)執(zhí)行裝置,依靠自身控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能.機(jī)械手的控制需要通過預(yù)先編排相應(yīng)的程序和設(shè)置相應(yīng)的傳感器來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn).本文主要討論機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)控制過程中的底層控制算法.機(jī)械主體、驅(qū)動(dòng)部分和控制部分三大基本功能模塊構(gòu)成機(jī)械手.主體即機(jī)械手的基座和執(zhí)行機(jī)構(gòu),一般定義為機(jī)械手的臂部、腕部和手部,通用型機(jī)械手一般具有6個(gè)自由度,其中一般將三個(gè)自由度分配給臂部,三個(gè)自由度分配給腕部,手部一般通過氣動(dòng)、電動(dòng)、液壓等方式控制,且不計(jì)入總的自由度中.圖1-2為KUKA 公司ARC系列機(jī)械

20、手,該系列機(jī)械手主要用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接,屬于典型的腕部3個(gè)自由度,臂部3個(gè)自由度結(jié)構(gòu). 圖2-1 KUKA公司ARC HW VARIANT機(jī)械手2.2.1與機(jī)械手有關(guān)的概念自由度:桿件在沒有約束的狀態(tài)下可以沿著固接于其上的坐標(biāo)系三個(gè)方向移動(dòng),也可以沿著三軸轉(zhuǎn)動(dòng),我們稱之為有6個(gè)自由度.工業(yè)機(jī)械手由多個(gè)關(guān)節(jié)連接,主要是移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),我們將主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)量叫做機(jī)械手的自由度數(shù)目.由于剛體在空間內(nèi)有6個(gè)自由度,機(jī)器人要完成任意的空間作業(yè),也最少要有6個(gè)自由度.運(yùn)動(dòng)副:兩桿之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),面接觸構(gòu)成低副,線接觸或點(diǎn)接觸構(gòu)成高副.如圖1-3所示,其中旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副和螺旋副具有1個(gè)自由度,圓柱副具有2個(gè)自由度,

21、平面副和球面副具有3個(gè)自由度.其中工業(yè)機(jī)械手最常用的關(guān)節(jié)種類是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動(dòng)關(guān)節(jié). 3 2.2.2機(jī)械手分類機(jī)械手分類的方法多種.(1按照機(jī)械手插補(bǔ)方式分類點(diǎn)位控制型:機(jī)器人被控制的運(yùn)動(dòng)形式是按照由一個(gè)位置目標(biāo)向另一個(gè)位置移動(dòng).最常見的應(yīng)用是點(diǎn)焊機(jī)器人.圖2-2 六種低副機(jī)構(gòu)連續(xù)軌跡控制型:機(jī)器人的各個(gè)組成關(guān)節(jié)同時(shí)被控制,導(dǎo)致末端產(chǎn)生連續(xù)軌跡的曲線運(yùn)動(dòng),并且需要各個(gè)關(guān)節(jié)獲得控制部分發(fā)出的角位移信號(hào)和角速度信息.最常見的應(yīng)用是弧焊機(jī)器人.(2按照機(jī)械手坐標(biāo)形式分類機(jī)械手前3關(guān)節(jié)起到定位作用.下面來(lái)討論這幾種不同組合類型的名稱.其中P表示移動(dòng)關(guān)節(jié),R表示轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié).表2-1 機(jī)械手形式機(jī)械手關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)

22、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)數(shù)直角坐標(biāo)系P P P 0圓柱坐標(biāo)系R P P 1球坐標(biāo)系R R P 2關(guān)節(jié)式R R R 3SCARA R R P 2 直角坐標(biāo)系機(jī)械手,如圖2-3-a所示,這種機(jī)械手外形輪廓和數(shù)控鏜銑床或者三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x相似,3個(gè)移動(dòng)的關(guān)節(jié)相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X,Y,Z軸.這種結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)相互獨(dú)立,不耦合,運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過程容易,無(wú)奇異狀態(tài);缺點(diǎn)是安裝過程中占地面積比較大,動(dòng)作范圍小,掌控不靈活.圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手,是以(,z 組成的坐標(biāo)系,末端p 的位置坐標(biāo)是(,p f z =,其中是手臂的徑向長(zhǎng);是手臂繞水平方向旋轉(zhuǎn)的角度,z 表示垂直軸高.此種型號(hào)的機(jī)械手,占地小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖2-3-b 所示

23、,.球坐標(biāo)系機(jī)械手,以(,y 為坐標(biāo),位置可以表示成(,p f y =,如圖2-3-c 所示,該種機(jī)械手空間定位簡(jiǎn)單,手臂收回過程中容易與物體相碰,移動(dòng)關(guān)節(jié)不宜保護(hù).關(guān)節(jié)式機(jī)械手,這種機(jī)器人依靠肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)來(lái)定位,依靠腕關(guān)節(jié)定向,兩個(gè)肩關(guān)節(jié)用來(lái)旋轉(zhuǎn)和俯仰,如圖2-3-d 所示,.這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制靈活,工作范圍大,結(jié)構(gòu)緊湊、占地少,干涉小,關(guān)節(jié)部位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)易密封,達(dá)到較好的防塵,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜 .進(jìn)行控制時(shí)計(jì)算量比較大. 圖2-3六種不同坐標(biāo)形式的機(jī)器人(a直角坐標(biāo)機(jī)器人(b圓柱坐標(biāo)機(jī)器人(c球坐標(biāo)機(jī)器人(d多關(guān)節(jié)機(jī)器人e平面多關(guān)節(jié)機(jī)器人SCARA 機(jī)械手,常被稱為平面多關(guān)節(jié)機(jī)械手,其

24、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的軸線相互平行,其移動(dòng)關(guān)節(jié)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制末端在垂直平面的位置,手腕參考點(diǎn)的位置由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)12,和移動(dòng)關(guān)節(jié)z 決定,即12(,p f z =,如圖2-3-e 所示,該機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)速度快,適合裝配過程中用來(lái)在平面內(nèi)完成打螺絲的工作.4(3按照機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式不同分類機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng).電氣驅(qū)動(dòng)最常用,可使用的電機(jī)有交流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī).對(duì)于要求高速和重載的搬運(yùn)常采用液壓元件來(lái)驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)大負(fù)載傳動(dòng).(4按照機(jī)器人的功能不同分類工業(yè)機(jī)械手可用于搬運(yùn)、裝配、焊接、切削、噴涂等,可以依此分類.(5機(jī)器人控制方式差異分類集中控

25、制:在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成所有的控制功能,可以降低成本但延遲時(shí)間長(zhǎng),反應(yīng)不靈敏.主從控制:采用一級(jí)控制和兩級(jí)兩層處理器達(dá)到控制目的.總控制器運(yùn)行管理、位姿變換、運(yùn)動(dòng)軌跡生成和系統(tǒng)診斷等程序;從控制器實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度、角度加速度等運(yùn)動(dòng)控制.主從控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好,反應(yīng)迅速,缺點(diǎn)是系統(tǒng)不便于擴(kuò)展,故障不容易維修.分散控制方式:分散控制是當(dāng)前的主流控制方式,其特征是根據(jù)不同的控制任務(wù)和特征分模塊控制,每個(gè)模塊任務(wù)不同.控制方式的實(shí)時(shí)性好,精度高 ,易于擴(kuò)展,智能化.2.3機(jī)械手設(shè)計(jì)方案通過查閱ABB公司和KUKA公司的低負(fù)荷機(jī)械手產(chǎn)品參數(shù),和查閱大量文獻(xiàn),初步確定低負(fù)荷六自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)

26、、總體設(shè)計(jì)方案、傳動(dòng)方案.2.3.1總體方案設(shè)計(jì)該機(jī)械手可用于制造、裝配、焊接過程中以取代繁重的人工勞動(dòng)等.為了實(shí)現(xiàn)被加持物多種姿態(tài),設(shè)計(jì)機(jī)械手自由度為6,采用交流伺服電機(jī)控制,設(shè)計(jì)負(fù)重16kg.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平移關(guān)節(jié)相比,結(jié)構(gòu)更加小巧、質(zhì)量更小、可操作空間更大 ,關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中更加易于密封防塵.本設(shè)計(jì)綜合多種工業(yè)機(jī)械手造型,使用了六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),機(jī)器人自由度的分配如圖2-4所示,其前后三個(gè)關(guān)節(jié)分別控制末端的位置和姿態(tài). 圖2-4 六自由度機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2.2.3傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)方案,作機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖.參考多種傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),畫出不同的傳動(dòng)方案.方案1如圖2-5-a所示,腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

27、明,方便應(yīng)用重力進(jìn)行力矩平衡,兩臂的結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜,適用于高負(fù)荷機(jī)械手、設(shè)計(jì)難度大、傳動(dòng)鏈長(zhǎng),誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)多.方案2如圖2-5-b所示,第1自由度采用蝸桿傳動(dòng),對(duì)于蝸桿傳動(dòng),能得到一部分傳動(dòng)比,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊,傳動(dòng)穩(wěn)定、低噪、可自鎖以防止滑動(dòng),雖然傳動(dòng)效率較低,在低負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求下仍然可以滿足要求;為了減磨耐磨,齒圈用青銅制造.第3自由度則采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng),使兩臺(tái)電機(jī)和減速器均衡分布,穩(wěn)定性高.綜上所述,方案2整體設(shè)計(jì)大臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綜合低負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求,最后確定方案2為較優(yōu)方案,根據(jù)該方案完成設(shè)計(jì). (a (b圖2-5 六自由度機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)方案原理圖2.4確定設(shè)計(jì)參數(shù)機(jī)械手包括底座、驅(qū)動(dòng)臂

28、座、大手臂、小手臂、手腕、手爪和驅(qū)動(dòng)部件.六個(gè)自由度,依次為臂座回轉(zhuǎn)、大手臂俯仰、肘關(guān)節(jié)俯仰、小手臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰,手腕回轉(zhuǎn).機(jī)械手采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng).電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、方便控制、容易更換、不污染環(huán)境等.電動(dòng)機(jī)可以選擇伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī).伺服電機(jī)可以形成閉環(huán)控制,更加方便控制,但是成本較高,一般使用伺服電機(jī).6個(gè)關(guān)節(jié)都使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),.直接使用電機(jī)驅(qū)動(dòng),要求電機(jī)輸出扭矩巨大.考慮到低速運(yùn)行的電機(jī)扭矩很小,無(wú)法達(dá)到機(jī)械手的扭矩要求, 角加速度的控制需要較大的扭矩,所以在每個(gè)電機(jī)部位使用減速器以增大扭矩.常用的機(jī)械臂減速器有諧波減速器和行星減速器.諧波減速器利用可控的柔性元件實(shí)現(xiàn)傳動(dòng),精

29、度高,傳動(dòng)平穩(wěn),體積不大、負(fù)載高、質(zhì)量小,已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)器人中.因此在上述關(guān)節(jié)處使用了諧波減速器.現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)常用交叉滾子軸承和環(huán)形軸承.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,精度高、剛度大,承載能力好和安裝方便.但這些軸承價(jià)格昂貴,而使用普通的球軸承也能滿足低負(fù)荷的設(shè)計(jì)要求,所以在機(jī)械手的結(jié)構(gòu)中運(yùn)用球軸承.參考KUKA和ABB的低負(fù)荷工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù),初步確定工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2-2所示.表2-2 機(jī)械手設(shè)計(jì)參數(shù) 3. 樣機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)和方案運(yùn)用虛擬樣機(jī)軟件Solidworks進(jìn)行樣機(jī)3D模型建立,并根據(jù)虛擬樣機(jī)仿真出末端的工作范圍,對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機(jī)的參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)確定電機(jī)、減

30、速器設(shè)計(jì)參數(shù),并利用simulation插件對(duì)模型關(guān)鍵部件做應(yīng)力和變形分析,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化.3.1虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介虛擬樣機(jī)技術(shù)在是80年興起,其概念尚處于發(fā)展中.這種數(shù)字化設(shè)計(jì)方法, 整合各個(gè)領(lǐng)域CAx/DFx(計(jì)算機(jī)輔助/面向產(chǎn)品生命周期技術(shù).虛擬樣機(jī)技術(shù)融合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助工程、輔助過程控制、面向制造的設(shè)計(jì)、面向裝配的設(shè)計(jì)、面向性能的設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)技術(shù),將應(yīng)用于這些技術(shù)完成產(chǎn)品的虛擬化全方位設(shè)計(jì)分析評(píng)估.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)可以極大的減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間,減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤,避免浪費(fèi),優(yōu)化產(chǎn)品性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量.3.2 Solidworks軟件及其插件介紹SolidW

31、orks是最著名CAD軟件品牌之一,Solidworks功能強(qiáng)大、容易學(xué)習(xí)方便使用.SolidWorks可以減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤,優(yōu)化出高質(zhì)量產(chǎn)品.Solidworks不僅自身插件很多,而且合作兼容的外部接口也很多,以下為Solidworks部分插件介紹:Simulation插件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的初步分析.包括靜態(tài)受力分析、桿件靜態(tài)扭矩、非線性分析、扭曲分析、容積壓力測(cè)試、疲勞測(cè)試、設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化、熱力分析、線性動(dòng)態(tài)分析等.Motion插件可以通過完整的運(yùn)動(dòng)性建模來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算零部件運(yùn)動(dòng).分析彈簧、阻尼、馬達(dá)及摩擦的模型中的力.同時(shí)可以生成動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)算例,用來(lái)顯示零件在機(jī)械裝置中的移動(dòng).Sustaina

32、bility 插件可以評(píng)估設(shè)計(jì)在產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程中對(duì)環(huán)境的影響,并顯示如何降低零件對(duì)環(huán)境的影響.3.3機(jī)械手方案設(shè)計(jì)與分析為了保證機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),裝配方便,提高壽命,減少噪聲,實(shí)現(xiàn)互換性,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),按照金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)機(jī)械手傳動(dòng)部分齒輪的傳動(dòng)精度為7級(jí).從工藝角度分別建立機(jī)械手樣機(jī).3.3.1 初步建立機(jī)械手模型裝配樣機(jī)如圖3-1所示,其中等效連桿0-6分別對(duì)應(yīng)圖2-5中的連桿.連桿的尺寸構(gòu)成如表3-1所示,此過程將抽象的連桿參數(shù)轉(zhuǎn)化為具體的構(gòu)件參數(shù). 圖3-1六軸機(jī)械手裝配方案等效連桿0對(duì)應(yīng)底座部分,等效連桿1對(duì)應(yīng)腰部回轉(zhuǎn)部分,等效連桿2對(duì)應(yīng)大手臂部分,等效連桿3對(duì)應(yīng)小手臂部分,

33、等效連桿4對(duì)應(yīng)手腕部分,等效連桿5對(duì)應(yīng)末端執(zhí)行器.表3-1 連桿構(gòu)件組成 各部件組成和功能描述如下:(1底座部分底座部分由以下幾部分組成,共計(jì)16個(gè)零件(如圖3-2:安裝底座、旋轉(zhuǎn)渦輪箱、電機(jī)、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸上油封、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸上法蘭、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸上法蘭軸承16032、底盤旋轉(zhuǎn)軸承51315、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸下法蘭軸承6215(兩個(gè)、底盤法蘭盤、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪和底盤旋轉(zhuǎn)蝸桿、底盤旋轉(zhuǎn)下法蘭、底盤旋轉(zhuǎn)蝸桿電機(jī)法蘭、底盤旋轉(zhuǎn)蝸桿軸承法蘭.上述零件中,旋轉(zhuǎn)渦輪箱外殼用于支撐和保護(hù),油封由橡膠材料制成用于密封防塵.底部采用的軸承分兩類,一類是平面推力球軸承,如底盤旋轉(zhuǎn)軸承51315,平

34、面推力球軸承可以承受軸向負(fù)荷.另一類是最常用的深溝球軸承,如底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸上法蘭軸承16032、底盤旋轉(zhuǎn)渦輪軸下法蘭軸承6215.深溝球軸承設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,是使用范圍最廣的一類標(biāo)準(zhǔn)件軸承.可以用來(lái)承受徑向載荷和一定的軸向載荷.和尺寸相似的其他類軸承相比,該軸承的特點(diǎn)是摩擦因數(shù)小,轉(zhuǎn)速高.對(duì)于底座部分,采用HT150鐵素體珠光體灰鑄鐵,該鑄鐵的特點(diǎn)是性能優(yōu)秀,工藝簡(jiǎn)單,時(shí)效應(yīng)力小,不用人工時(shí)效,具有機(jī)械強(qiáng)度高,減震性良好,常用于一般機(jī)械制造中的鑄件.蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分,采用阿基米德圓柱蝸桿,模數(shù)均選為5.0,傳動(dòng)比為6,渦輪Z1=10,渦輪選用Z2=60.由于蝸桿渦輪嚙合過程中相對(duì)滑動(dòng)速度較大,摩擦大,

35、磨損嚴(yán)重,傳動(dòng)效率不高,易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象,所以蝸輪的輪緣要使用耐磨材料,硬度要低些,使用型號(hào)為ZQAl9-4的鑄鋁鐵青銅,蝸桿使用45#鋼調(diào)質(zhì)處理.除標(biāo)準(zhǔn)件外,本部分其余材料選用強(qiáng)度良好的#45鋼. 圖3-2 底盤透視裝配圖(2腰部回轉(zhuǎn)部分腰部回轉(zhuǎn)部分是驅(qū)動(dòng)臂座,該部分的精度對(duì)機(jī)械手末端精度影響很大,需要選用耐磨高強(qiáng)度材質(zhì)鑄造完成.如圖2-7所示,為了增加驅(qū)動(dòng)臂座剛度,在臂座的兩耳設(shè)置肋板.材質(zhì)為高強(qiáng)度的耐磨鑄鐵,即 MTCrMoCu-235,材料抗拉強(qiáng)度為、是235 MPa,硬度為200250HBS,該鑄鐵常用用于活塞環(huán)、機(jī)床床身、卷筒、密封圈等耐磨零件. 圖3-3 驅(qū)動(dòng)臂座(3大手臂部分大手

36、臂部分主要包括手臂、減速器、安裝法蘭.手臂和安裝法蘭選用材質(zhì)為高強(qiáng)度的鑄造碳鋼.為了提高手臂抗變形那能力.分別設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋如圖3-4所示,采用焊接工藝焊接完成. 圖3-4 驅(qū)動(dòng)臂座(4肘關(guān)節(jié)部分肘關(guān)節(jié)部分主要包括連桿電機(jī)減速器、安裝法蘭、連桿減速器、連桿軸承套、連桿軸傳動(dòng)軸、連桿、連桿軸承蓋、連桿軸承蓋2、小手臂關(guān)節(jié)軸心、小手臂關(guān)節(jié)軸承、小手臂關(guān)節(jié)軸心1、小手臂關(guān)節(jié)軸承2,如圖3-5所示.非標(biāo)準(zhǔn)件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵. 圖3-5 肘關(guān)節(jié)部分(5小手臂部分小手臂部分包括腕部電機(jī)齒輪箱、手腕電機(jī)1、手腕電機(jī)2、手腕電機(jī)3、手腕減速器1、腕部直齒4<3>、腕部直齒3<1>、腕部中

37、心軸2<1>、手腕6002軸承、手腕6002軸承、小手臂旋轉(zhuǎn)法蘭軸承隔套、手腕減速器2、手腕電機(jī)齒輪連接軸、手腕直齒4<1>、手腕直齒1<1>、腕部中心軸3<1>、手腕61902軸承、手腕61902軸承、手腕小齒、腕部中心軸前端鎖帽、腕部中心軸前端鎖帽<2>、前爪固定盤、前爪法蘭、手腕大齒2<1>、手腕大齒2<1>、小手臂旋轉(zhuǎn)軸承法蘭、小手臂骨架油封、61908軸承、61908軸承、手腕減速器3、手腕電機(jī)齒輪連接軸2<1>、手腕直齒4<2>、手腕直齒2<1>、小手臂旋轉(zhuǎn)后法蘭

38、、腕部中心軸、手腕61908軸承<3>、手腕61908軸承<5>、手腕61908軸承<4>、手腕61908軸承<2>、小手臂旋轉(zhuǎn)法蘭、軸承1<1>、軸承1<2>,如圖3-6所示.非標(biāo)準(zhǔn)件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵. 圖3-6 手腕部分(6手腕為實(shí)現(xiàn)不同的功能,具有拾取不同形狀的物體功能,設(shè)計(jì)不同的末端執(zhí)行器.在抓取功能的實(shí)現(xiàn)中在指尖的平面上貼傳感器片,進(jìn)行抓力大小的控制.手腕組成為手腕小齒、手腕軸1、手腕軸1、16011軸承、手臂前端旋轉(zhuǎn)法蘭、前爪法蘭側(cè)盤、小手腕旋轉(zhuǎn)齒輪、小手腕錐齒輪旋轉(zhuǎn)中心軸、6007軸承、手腕前端錐齒、手腕前

39、端錐齒、腕部前端中心軸、前爪法蘭側(cè)板金盤、16011軸承、手腕前爪連接軸、6204軸承、手腕前端軸承頂套、手腕61907軸承、手腕61907軸承、腕部中心軸骨架油封.非標(biāo)準(zhǔn)件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵.3.3.2傳動(dòng)部分的計(jì)算傳動(dòng)部分采用多種傳動(dòng)方式,包括直齒輪傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、渦輪蝸桿傳動(dòng).為了提高電機(jī)扭矩,達(dá)到設(shè)計(jì)目的,還安裝了不同類型的減速器,主要包括RV減速器和諧波減速器.RV減速機(jī)由行星齒輪減速器的一部分和擺針減速器的一部分構(gòu)成,特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小,傳動(dòng)比大,可以實(shí)現(xiàn)自鎖,噪聲小、耗能少.鋼度大.諧波減速器性能與RV減速器相似. 圖3-7 末端執(zhí)行部分透視圖對(duì)于機(jī)械手本體齒類零件傳動(dòng)的計(jì)算,根據(jù)傳

40、動(dòng)鏈,繪制出每個(gè)自由度的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖,并給出傳動(dòng)參數(shù),如表3-1所示,為了方便表示,將各傳動(dòng)部件重新編號(hào).對(duì)于齒輪工藝參數(shù)的確定,因?yàn)闄C(jī)械手臂是一般機(jī)械,大小齒輪都采用45號(hào)鋼,使用軟齒面,小齒輪做調(diào)質(zhì)處理,使用八級(jí)精度.表3-1 傳動(dòng)鏈參數(shù)統(tǒng)計(jì) 對(duì)于壓力角,根據(jù)我國(guó)國(guó)標(biāo),對(duì)于一般用途的齒輪傳動(dòng)桂東的壓力角=20.對(duì)于齒數(shù)的選擇,當(dāng)中心距a相同,提高齒輪齒數(shù),可以提高齒輪嚙合的重合度、提高齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性,減小模數(shù)降低齒輪高度,節(jié)省制造費(fèi)用.同時(shí)降低齒高還可以減小滾動(dòng)速度,減低磨損膠合的可能.隨之模數(shù)的減小,齒輪厚度也會(huì)變薄,要求降低齒輪的彎曲程度,綜上,當(dāng)承載力取決于接觸強(qiáng)度時(shí),在一定Z范圍內(nèi),應(yīng)

41、該增大齒數(shù).對(duì)于渦輪蝸桿傳動(dòng),如圖3-8所示,由于齒輪以軟齒面開式傳動(dòng),不會(huì)導(dǎo)致齒面點(diǎn)蝕.參照其他機(jī)械手的設(shè)計(jì)確定齒輪設(shè)計(jì)參數(shù),并按照齒根疲勞強(qiáng)度校核齒輪傳動(dòng)的主要參數(shù)和尺寸. 圖3-8 底盤渦輪蝸桿3.4電機(jī)與減速器的選擇電機(jī)和減速器的選擇主要參考伺服電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩兩方面的性能參數(shù),由于機(jī)械手在位姿不同,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同,需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都不相同,所以選取機(jī)械手最惡劣的工作姿態(tài)5,計(jì)算電機(jī)功率或者扭矩,此時(shí)的扭矩或功率滿足要求,則選取的電機(jī)可以滿足要求.首先要求出模型各個(gè)部分的質(zhì)量,綜合負(fù)載才能進(jìn)行計(jì)算.利用Solidworks 質(zhì)量屬性,可以計(jì)算出裝配圖的質(zhì)量屬性報(bào)告,為了更加逼真的反映

42、轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,分別設(shè)置第二、三電機(jī)質(zhì)量為10KG,第二、三減速器的質(zhì)量為6KG,第四、五、六電機(jī)的質(zhì)量為3.2kg,第四、五、六減速器的質(zhì)量為2KG,得到裝配體質(zhì)量300.16KG,利用同樣方法求出機(jī)械手各部分質(zhì)量,如表3-2所示.表3-2 機(jī)械手各部分轉(zhuǎn)動(dòng)過程的等效質(zhì)量 第一軸電機(jī)的選擇,在機(jī)械手最惡劣的狀態(tài)下(接近伸直,設(shè)驅(qū)動(dòng)臂部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大負(fù)載繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別是:1G J 、2G J 、3G J 、4G J ,通過機(jī)器人靜力學(xué)知識(shí),得到環(huán)繞第一軸轉(zhuǎn)動(dòng)的最大等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:1J = 2222112233441234G G G G M l M

43、 l M l M l J J J J +=222250*0.4724*0.6617*1.1321*1.40+ =84.3667 2KG m 其中,所以在質(zhì)量參數(shù)的基礎(chǔ)上取1M ,2M ,3M ,4M (50,24,17,21分別為驅(qū)動(dòng)臂座部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大負(fù)載的等效質(zhì)量,1l 、2l 、3l 、4l 分別表示各重心到第一關(guān)節(jié)原點(diǎn)的距離,其值大致為470 mm 、660mm 、1130mm 、1400mm,1G J 211M l ,2G J 222M l ,3G J 233M l ,3G J 244M l 可忽略不計(jì).故1J =222211223344M l M l

44、 M l M l +=84.372Kg m 電機(jī)轉(zhuǎn)矩111T J =,w 1=2.72 rad/s ,取t=1s ,則1=2.72 rad/s 2.111T J =229.5N m 考慮到蝸輪蝸桿摩擦力的存在,取安全系數(shù)為1.6,則1T =367N m .考慮到第一軸存在傳動(dòng)比為10i =6的渦輪蝸桿傳動(dòng),設(shè)渦輪蝸桿傳動(dòng)效率為70%,該關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)速為12r/min,則減速減速器輸入轉(zhuǎn)速為72 r/min,由于傳動(dòng)比為30時(shí)沒有合適扭矩的減速器,選取帝人RV-20E -57 -25T 型號(hào)減速器,傳動(dòng)比為57.則電機(jī)輸出扭矩T 1電機(jī)=87.4/57*0.8=2.0N m ,其中減速器傳動(dòng)效率,

45、是80%.對(duì)于伺服電機(jī)的選擇,根據(jù)功率n /9549P T =837w,(n=4000輸出轉(zhuǎn)矩T 1電機(jī)=87.4/57*0.8=2.0N m 兩個(gè)參數(shù)確定伺服電機(jī)的型號(hào)南京華興110ST-M04030,帶電磁制動(dòng)器, 使用南京華興SD15M 伺服控制器, 額定功率1200W,轉(zhuǎn)速3000rpm,額定扭矩4Nm.其余各個(gè)軸的電機(jī)和減速器的選擇方法,通過運(yùn)算分別選擇各個(gè)軸的伺服電機(jī)的型號(hào)電機(jī).第二軸以驅(qū)動(dòng)臂座和大臂的連界面為原點(diǎn),最大加速度去 2.72,安全系數(shù)1.5分別求出各個(gè)關(guān)節(jié)的最大扭矩,第六關(guān)節(jié)最大扭矩確定第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)選用RV-20E 減速器,額定轉(zhuǎn)速是3000rpm,減速比100

46、,伺服電機(jī)選用南京華興110ST-M05030,SD15M 適配器,額定扭矩4N m ,額定功率4kw ;第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)選取帶電磁制動(dòng)器,減速比i=m wn n = 300042.26=63的XB25-63型號(hào)的諧波減速器. 交流伺服電機(jī)分別選用南京華興110ST-M04030、南京華興110ST-M02030和南京華興110ST-M02030.3.5機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)在大臂、肘部、手腕接近水平位置時(shí)候最容易損壞,通過對(duì)機(jī)械手所受靜應(yīng)力分析,確定大手臂、小手臂的受力狀況和所受扭矩情況.然后在Solidworks 的Simulation 插件中通過固施加扭矩、施加約束

47、和受力分析,得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形云圖,并驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求.3.5.1靜應(yīng)力分析分別對(duì)機(jī)械手的大手臂和小手臂受力和扭矩分析,由于第三關(guān)節(jié)的最大負(fù)向轉(zhuǎn)角為-20.,并不能使大手臂以上的部件處于同一水平線,但是此時(shí)大手臂所受靜力最大,如圖3-8所示,2U F 和2D F 分別表示大手臂所受到的其他兩桿對(duì)于大手臂的上作用力和下作用力,2U M 和 2D M 分別表示上下作用扭矩,3456G 表示肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、手爪的重力之和 、456G 表示小臂、腕關(guān)節(jié)、手爪的重力之和 ,G 表示最大負(fù)載的重量, 2G 表示大臂的重量, 0L 、1L 、2L 、 3L 分別表示其重物重心與大手臂上端距離,小

48、臂、腕關(guān)節(jié)、手爪重心與大手臂上段距離,上作用力與下端之間的距離,大手臂重心與下端之間的距離. 圖3-8 大手臂靜力分析圖分別對(duì)大手臂和大手筆上端部分做受力分析得到下式,經(jīng)過計(jì)算后得到大手臂所受上端作用力為990N.下端作用力為1490N,上段扭矩為262*N m ,下端扭矩為1065*N m .23456830160990U F G G N N N =+=+=;2229905001490D U F F G N N N =+=+=;245610*830*0.2160*0.6262*U M G L G L N m=+=+=;222223*262990*0.66500*0.31065*D U U M

49、 M F L G L N m=+=+=. (式3.1 圖3-9 小手臂靜力分析圖依據(jù)同樣的方法,對(duì)小臂做受力分析,如圖3-9所示,得到小手臂所受上端作用力為750N.下端作用力為990N,上段扭矩為91*N m ,下端扭矩為562*N m . 3456590160750U F G G N N N =+=+=;333750240990D U F F G N N N =+=+=;345610*590*0.1160*0.291*U M G L G L N m =+=+=;333334*91750*0.5240*0.25526*D U U M M F L G L N m=+=+= . (式3.23.5

50、.2有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化Solidworks 自帶的Simulation 插件與ANSYS 有限元分析內(nèi)核相同.可以通過導(dǎo)入模型,設(shè)置零部件約束、材質(zhì)、所受作用力和扭矩、劃分表格密度、計(jì)算實(shí)現(xiàn)模型的有限元分析,直觀的反映零件的應(yīng)力、應(yīng)變、形變量和形變方式,從而方便用戶對(duì)材質(zhì)和模型進(jìn)行優(yōu)化.對(duì)于此六軸工業(yè)機(jī)械手,大臂和小臂的形變位移直接影響到整機(jī)的精度,其應(yīng)變也影響整機(jī)性能的穩(wěn)定.首先,設(shè)置兩關(guān)節(jié)處的兩個(gè)受力和兩個(gè)扭矩,確定大手臂的受力狀況,其次要設(shè)置零件材質(zhì),設(shè)置約束,劃分網(wǎng)格,如圖3-10所示. 圖3-10 大手臂網(wǎng)格化分云圖運(yùn)算后得到大手臂的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D,紅色部分表示應(yīng)力較大部位,如圖3

51、-11,其變形效果為放大1200倍后的狀況,最大應(yīng)力處于手臂上部,為34018704PA,應(yīng)力反映材料內(nèi)部受壓情況,應(yīng)變量和綜合位移反映材料變形情況.大手臂應(yīng)變最大值為1.29*10-4(如圖3-12,綜合位移最大為0.06804mm(如圖3-13,應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服力275742000PA,可以滿足設(shè)計(jì)要求. 圖3-11 大手臂應(yīng)力云圖 圖3-12 大手臂應(yīng)變?cè)茍D 圖3-13 大手臂總位移云圖小手臂的有限元分析過程,與大手臂相同,通過Simulation的計(jì)算,可以直觀的看到,最大應(yīng)力15MPA(如圖3-14所示,最大應(yīng)變4.7*10-5(如圖3-15所示,最大綜合位移0.1438mm

52、(如圖3-16所示,其應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服力241MPA,設(shè)計(jì)滿足要求 圖3-14 小手臂應(yīng)力云圖 圖3-15 小手臂應(yīng)變?cè)茍D 圖3-16 小手臂綜合位移云圖由于前一部分控制機(jī)械手的加速度值和最大轉(zhuǎn)速,機(jī)械手的靜力學(xué)分析在很大程度能夠體現(xiàn)工業(yè)過程中機(jī)械手的受力情況.通過對(duì)機(jī)械手應(yīng)力集中部件的靜態(tài)受力分析,總體反映了機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì)情況,運(yùn)用同樣的方法對(duì)其余部件進(jìn)行,對(duì)于應(yīng)力較大的部件可以采取更換屈服強(qiáng)度大的材料或者增加厚度,圓角過度、設(shè)置筋等方式優(yōu)化設(shè)計(jì).雖然Solidworks自帶的Simulation插件與ANSYS有限元分析內(nèi)核相同.但是在仿真過程中容易因?yàn)榈菇?、圓角、分界線出現(xiàn)無(wú)法

53、劃分網(wǎng)格的現(xiàn)象,可以將零件或者裝配體轉(zhuǎn)化為IGS格式,重新配置,問題容易得以解決.3.6機(jī)械手軌跡優(yōu)化首先,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和連桿參數(shù),使用MATLAB,按照每個(gè)自由度1.8度/秒的速度運(yùn)動(dòng),做出機(jī)械手末端運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖所示,由于Y軸方向第六自由度末端可以達(dá)到的最低高度過高,導(dǎo)致機(jī)械手工作范圍非常狹小,機(jī)械手設(shè)計(jì)不合理,對(duì)第二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍進(jìn)行修正,使其正向可以達(dá)到的最小范圍為120度,修正后仿真,其作用范圍更大,如圖3-17(b所示,較修正前更加合理. (a (b圖3-17 手腕末端Y-Z平面運(yùn)動(dòng)范圍根據(jù)優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)范圍,做出機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)范偉示意圖,如圖3-10所示. 圖3-18 機(jī)械手末端

54、運(yùn)動(dòng)范圍4. 基于MATLAB的六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解在完成的機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,建立各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系,完成虛擬樣機(jī)的位姿描述,建立D-H 方程, 實(shí)現(xiàn)位姿變換.根據(jù)算法確定六自由度機(jī)械手對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并推算運(yùn)動(dòng)方程的逆解.六軸機(jī)械手的位姿變換可以簡(jiǎn)單看作7連桿由6關(guān)節(jié)串聯(lián),每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)自由度,通過旋轉(zhuǎn)各個(gè)關(guān)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定的空間點(diǎn)的目的,首先在各個(gè)關(guān)節(jié)分別建立六個(gè)坐標(biāo)系,然后利用坐標(biāo)之間的變換描述末端位姿,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)用來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變換. 4.1確定D-H 坐標(biāo)系常用的機(jī)器人坐標(biāo)系建立方式有矩陣變換法、D-H 法等,D-H 法由Denavit 和Hartenberg

55、提出,是一種相對(duì)位姿的矩陣方法.本文按照通用方式建立D-H 坐標(biāo)變換模型,按照右手坐標(biāo)系方式,在每個(gè)桿件上建立一個(gè)坐標(biāo)系,坐標(biāo)軸和連桿參數(shù)定義如下:表4-1 D-H 方法下坐標(biāo)軸和連桿參數(shù)定義i Z 沿著1i +關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸.i X 沿著i Z 和1i Z -的公法線,指向離開1i Z -的方向. i Y 按照右手直角坐標(biāo)系的法則制定.i a 連桿長(zhǎng)度,即i Z 和1i Z -兩軸心線的公法線長(zhǎng)度. i 連桿扭角,即i Z 和1i Z -兩軸心線的夾角.i d兩連桿距離 ,相鄰兩桿三軸心線的兩條公法線間的距離.i i X 和1i X -兩坐標(biāo)軸的夾角.4.2確定廣義連桿坐標(biāo)系的連桿參數(shù)在連桿的

56、各項(xiàng)參數(shù)中0i 表示機(jī)械手處于機(jī)械手零點(diǎn)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的參數(shù),i 表示為了達(dá)到目標(biāo)位置,各個(gè)關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角.其中除i 是未知數(shù)外,其余各項(xiàng)參數(shù)均已知.表4-1 連桿參數(shù)ii a i d i 0i 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍i 連桿參數(shù)1 0 0 -90. 90. -185,+.185. 2a =181.05 3a =699.55 2d =0 4d =169.85 6d =02 2a 2d.-45,+.120.3 3a0 90.90.-20,.+.45.4 0 4d -90. 0. -350,+.350.5 0 090. 0. -100,+.100. 66d-350.,+350.4.3建立六自由度機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型根據(jù)坐標(biāo)軸和連桿參數(shù)的定義(如表4-1所示以及六自由度機(jī)械手模型建立以下六個(gè)坐標(biāo)系(如圖4-1所示 6,其中Z 6表所在的坐標(biāo)系示末端夾持機(jī)構(gòu)的坐標(biāo),不再畫出. 圖4-1 六自由度機(jī)械手各個(gè)自由度坐標(biāo)的建立4