水平四自由度裝配機器人設(shè)計及其運動學和動力學仿真的分析

1、上海交通大學學位論文答辯決議書2007 年 01 月 09 日申申 請 者郭 聳所在學科（專業(yè)）工 業(yè) 工 程論 文 題 目水平四自由度裝配機器人的設(shè)計及其運動學和動力學仿真分析答 辯 日 期2007 年 1 月 9 日地 點交大徐匯校區(qū)機械樓五樓答 辯 委 員 會 成 員姓 名單 位職 稱簽 名評語和決議：表決結(jié)果：答辯委員會主席 （簽名）目錄摘要 . VIIABSTRACT .VIII第一章 緒論 . 11.1 工業(yè)機器人及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括 . 11.2 導入虛擬樣機技術(shù)對降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用 . 41.3 本課題研究的意義和目的 . 51.4 本課題的研究內(nèi)容及方法 . 6

2、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 . 72.1 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設(shè)計構(gòu)思 . 82.2 裝配工業(yè)機器人的外形尺寸和工作空間 . 122.3 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 . 132.4 本章小節(jié) . 15第三章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的建模 . 163.1 建立 3D 實體模型 . 163.2 建立 3D 簡化模型 . 173.3 建立二連桿的 ADAMS 算法模型 . 183.4 本章小節(jié) . 20第四章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學分析 . 21二連桿機構(gòu)運動學分析的數(shù)學基礎(chǔ) . 21物體的變換與逆變換 . 23水平四自由度裝配工業(yè)機器

3、人的運動學分析 . 23基于 ADAMS 的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的點到點運動學仿真 . 25本章小節(jié) . 29第五章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的動力學分析 . 305.1 二連桿機器人手臂動力學方程的建立方法 . 315.2 基于 ADAMS 的二連桿機構(gòu)的點到點動力學仿真實例 . 345.3 本章小節(jié) . 36第六章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人手臂的模態(tài)分析 . 386.1 水平四自由度工業(yè)機器人手臂柔體模型的建立 . 386.2 基于 ADAMS 的水平四自由度工業(yè)機器人手臂的模態(tài)分析 . 396.3 本章小節(jié) . 40第七章 總結(jié) . 41參考文獻 . 42致謝 . 44攻讀學位

4、期間發(fā)表的學術(shù)文章 . 45摘要本文以水平四自由度裝配機器人手臂為研究對象，采用虛擬樣機技術(shù)對機械系統(tǒng)進設(shè)計,利用虛擬樣機軟件 ADAMS 的運動學和動力學仿真功能,對水平四自由度裝配機器人手臂的運動學和動力學特性做了深入研究;而仿真分析結(jié)果可以指導修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計或調(diào)整零件的材料。虛擬樣機技術(shù)的應用對于提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本具有很大作用。首先建立了水平四自由度裝配機器人手臂的模型,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和動力學方程;從理論上對水平二連桿機器人手臂的運動學和動力學規(guī)律進行研究。對二連桿機器人手臂在水平狀態(tài)下僅考慮總的動能,而忽略由于手臂撓曲變形而產(chǎn)生的

5、位能變化。運用拉格朗日功能平衡法來計算二連桿機器人手臂系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù) L。通過對二連桿機械手系統(tǒng)的分析,可以求得如下參數(shù)及方程。1. 計算任一連桿上任一點的速度;2. 建立二連桿機械手系統(tǒng)的運動學方程;3. 計算各連桿的動能和機械手的總動能;4. 建立機械手系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù);5. 對拉格朗日函數(shù)求導,以得到動力學方程式。在機器人手臂的運動學和動力學仿真分析方面,利用 ADAMS 做運動學和動力學仿真,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;輸入密度等資料,可求出質(zhì)心信息。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。結(jié)構(gòu)振動是研究機

6、械設(shè)備運動和力學問題的重要基礎(chǔ)。機械設(shè)備,特別是運動機械,由于振動問題引起的機械故障率高達 60%70%。它常常是造成機械和結(jié)構(gòu)惡性破壞和失效的直接原因。現(xiàn)在振動分析和振動設(shè)計已成為產(chǎn)品設(shè)計中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析（固有頻率與振型）將是所有振動分析的基礎(chǔ)。利用 ADAMS 做模態(tài)分析,可以求得頻率響應、功率譜密度（PSD）、模態(tài)坐標等信息。利用如上信息可以對系統(tǒng)設(shè)計計算提供重要的參考。關(guān)鍵詞: 水平四自由度裝配機器人、運動學分析、動力學分析、模態(tài)分析ABSTRACTIn this article, we aim to design a planar four-DOF (Degree

7、of Freedom)assembly robot arm. Using virtual Prototyping Technology designs mechanism system.We utilize the kinematics and dynamics simulation function of virtual prototypesoftware ADAMS to get the kinematics and dynamics characteristic of the planarfour-DOF assembly robot arm. The simulation result

8、s of the analysis can help usmodify the material of part and improve the structure design. Applying virtualPrototyping Technology is important for improving the quality of product anddecrease the case of product.We first build the model of the planar four-DOF assembly robot arm; thenestablish the ki

9、nematics and dynamics equation of the planar four- DOF assemblyrobot arm, and do some theoretical research on the kinematics and dynamicscharacteristics of the robot arm.For the two-bar robot arm, we focus merely the whole kinetic energy athorizontal condition, and neglect the change of potential en

10、ergy due to the bendingdeflection of the robot arm. We calculate the Lagrange function L of two-bar robotarm by Lagrange function equity.After the analysis of the two-bar robot arm, we get the parameters andequations as follows,1. Computing the speed of any point on any bar;2. Building the kinematic

11、s equation of two-bar robot arm system;3. Calculating kinetic energy of each bar and the total kinetic energy of therobot arm;4. Building the Lagrange function of the robot arm system;5. Calculating the derivative of the Lagrange function L, so as to get dynamicsequation.In the simulation of the kin

12、ematics and dynamics of robot arm, we use ADAMSto get the displacement, speed, acceleration, force, torque, kinetic energy ofeach link and the whole kinetic energy of robot arm, etc. We can calculate theinformation of centre of mass, after inputting density data, etc. Such informationwill support th

13、e design of robot arm.Structure vibration is very important for equipment movement and mechanicsproblem. For equipment, especially movement equipment, failure rate fromstructure vibration may be 6070%. Its the direct reason for the reliabilityproblems of machines and structures. Now, vibration analy

14、sis and vibration designhave been the key point of product design. Modal analysis of structure is the baseof the whole vibration analysis. We can get frequency response, power spectrumdensity（PSD）, modal coordinates, etc. by modal analysis module of ADAMS.Such information will be the important refer

15、ence of system design andcalculation.Key word: planar four-DOF assembly robot arm, kinematics analysis, dynamicsanalysis, modal analysis第一章 緒論 工業(yè)機器人及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括 前言工業(yè)機器人技術(shù)是集計算機科學,控制工程,傳感技術(shù),機構(gòu)學,機械工程學等學科為一體的一門綜合技術(shù);工業(yè)機器人是一種知識密集,技術(shù)密集的機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。工業(yè)機器人由機械手臂、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、可重復編程、能在三維空間完成各種作

16、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)。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19。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應用,對提高勞動生產(chǎn)率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,改

17、善勞動條件,提高企業(yè)的應變能力,促進新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展,改變勞動結(jié)構(gòu)以及促進相關(guān)學科的技術(shù)進步,均發(fā)揮了重大的社會效益和經(jīng)濟效益。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)中的應用。 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,當時美國原子能委員會的阿貢研究所為適應核技術(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“通用重復操作機器人的方案“并研制出了第一臺通用工業(yè)機器人(Engelberberger),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 Engelbe

18、rberger 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,1960 年代工業(yè)機器人發(fā)展較慢; 進入 1970 年代后,焊接,噴漆機器人相繼在工業(yè)中應用和推廣。到 1980 年全世界約有 2 萬臺工業(yè)機器人在工業(yè)中應用,而到 1985 年底就達到了 1000 萬臺。國外專家預測，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(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景1看好，從 20 世紀下半

19、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 1980 年代中期(19851987),那是由于第一代工業(yè)機器人在一些發(fā)達國家汽車工業(yè)中的應用漸達飽和,以及日元不斷升值所至。1988 年后,隨著電子行業(yè)工業(yè)機器人的大量應用及日本經(jīng)濟的復蘇,工業(yè)機器人增長率開始回升,1990 年達到高峰。19921994 年又出現(xiàn)了第二次馬鞍形,由 1990 年的最高紀錄年產(chǎn) 8.1 萬臺降為1994 年的 5.3 萬臺,主要原因還是日本經(jīng)濟不景氣的影響。1995 年開始復蘇,1997 年新安裝 8

20、.7 萬臺,創(chuàng)歷史最高紀錄,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，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在 10左右。2004 年增長率達到創(chuàng)記錄的 20。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達 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)展具有如下特點:機械結(jié)構(gòu)

21、方面: 以關(guān)節(jié)型為主流,1980 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 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: 1980 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,位置重復精度0.01mm;集成化與系列化: 當今工業(yè)機器人技術(shù)的另一個特

22、點是從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展,多個機器人與微機、周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個多智能體;到了 1990 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)改為開鏈結(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

23、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)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，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)在已達到 5 萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求6。2當前工業(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、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

24、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，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。 我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展概況:我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、 八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30 條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應

25、用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(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)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求， 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

26、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。專家預測，中國機器人到 2010 年擁有量將達到 17300 臺，到 2015 年，市場容量將達十幾萬臺（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。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，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

27、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52223。3“ 導入虛擬樣機技術(shù)對降低開發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的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)

28、，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，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，再作出物理樣機。虛擬樣機技術(shù)的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析技術(shù)進行了機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，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

29、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成為競爭者們所追求的目標。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。只有通過周而復始的設(shè)

30、計實驗設(shè)計過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復雜的系統(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)的應用貫穿在整個設(shè)計過程當中。它可以用在概念設(shè)計和方案論證中，設(shè)計師可以把自已的經(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

31、 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)預測到由于制動火箭與火星風的相互作用，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 4 千萬美元，制造費用節(jié)省了410 億美元。由于設(shè)計制造周期的縮短，新車

32、上市早，額外贏利達到其成本的數(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

33、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)運動學與動力學建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)。作為應用數(shù)學的一個分支的數(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)的應用提供了技術(shù)環(huán)境。虛擬樣機技術(shù)應當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

34、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。當設(shè)計工業(yè)機器人時，可以依技術(shù)指標，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

35、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。例如，動力學或靜力學分析的結(jié)果可以用來指導零件的強度設(shè)計。虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用在各個領(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，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。 本課題研究的意義和目的 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,并將研究成果應用到企業(yè)的生產(chǎn)實際中; 同時通過本課題的研究,可以5掌握先進的設(shè)計方法

36、,并將這些先進的設(shè)計方法應用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當中;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。 課題的目的本課題的執(zhí)行主要有兩個目的: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: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:導入泛用型、柔性化、高精度

37、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、對前期培訓和售后服務要求高;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)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,可以學到先進的設(shè)計方法; 并把這些設(shè)計方法應用在其他自動化產(chǎn)品的開發(fā)中; 本課題的研究內(nèi)容及方法a.利用 CAD 軟體 I-DEAS 建立水平四自由度機器人的 3D 模型，初步確定水平四自由度機器

38、人結(jié)構(gòu)、尺寸和工作空間;b.建立水平四自由度機器人運動學方程，并利用動力學分析軟體 ADAMS 做水平四自由度機器人的運動學分析;c.建立水平四自由度機器人動力學方程，并利用動力學分析軟件 ADAMS 做動力學分析；d.最終確定水平四自由度機器人機械結(jié)構(gòu)。6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,就可以滿足絕大多數(shù)的裝配應用;1. 工作范圍的確定:工業(yè)機器人的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌

39、跡來確定。一個操作運動的軌跡往往是幾個動作合成的；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)機器人的工作范圍也就定下來了。11 大小臂尺寸的確定裝配生產(chǎn)中所用裝配流水線的寬度一般為 700mm 左右,若工業(yè)機器人手臂置于流水線的中間位置,則大小臂長度之和為 350mm 則可以滿足需求。12 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 軸的位置高度應與人工治具高度相當,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到 120mm,符合人手上下取放的高度;

40、 Z 軸旋轉(zhuǎn)須 360,以實現(xiàn)不同角度的裝配。2. 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

41、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;通過以上方式來保證求裝配工業(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,3KG MAX 完全可以滿足要求。7三、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、

42、伸縮、回轉(zhuǎn)等一系列動作,這些動作都應該在工作節(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)機器人工作速度當然越快越好,但是速度越快對系統(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?；谝陨峡紤],把如上裝配工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標作如下設(shè)定:研究目標:開發(fā)四自由

43、度(三轉(zhuǎn)一平移)、行程(回轉(zhuǎn)角度 280，L1+L2=350mm)、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 1 裝配工業(yè)機器人總體要求表2裝配工業(yè)機器人主要技術(shù)指標 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設(shè)計構(gòu)思綜合以上水平四自由度裝配工業(yè)機器人的研究目標、總體要求和主要技術(shù)指標;對如8項目項目技術(shù)指標運動范圍大臂旋轉(zhuǎn)小臂旋轉(zhuǎn)Z 軸上下運動Z 軸旋轉(zhuǎn)運動范圍120160120mm360運動范圍L1=160mmL2=190mm最大速度200/S200/S240mm/S360/S最大合成速度2500 mm/S最大載荷3KG重復定位精度項目項目設(shè)計

44、要求結(jié)構(gòu)類型水平關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人自由度四個,包括:大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)、主軸上下運動、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)機器人可以只用一種驅(qū)動方式，也可以采用幾種方工聯(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、負載小且精度要求不高的場合。電動系統(tǒng)適合于中等負載，特別適合動作復

45、雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器人。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

46、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；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)計困難和復雜。b.對位置，速度的傳感元件提出了相當高的要求。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

47、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)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，應從工業(yè)機器

48、人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設(shè)計和9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，它應是滿足工業(yè)機器人性能的材料，應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,當然機器人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

49、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，標準化方向發(fā)展。

50、模塊化工業(yè)機器人得到重視，它是由一些標準化、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)了各種不同的標準組件，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)機器人時可選用標準模塊；當然也可以自行設(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)計及其運動學和動力學仿真分析”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。 大臂和小臂

51、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)的運動特性影響很小;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。2.1.1.1 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)。10一、 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（Rotary Joint）就是關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人中被稱為“關(guān)節(jié)”的連接部分，它既連

52、接各機構(gòu)，又傳遞各機構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運動（或擺動），用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手等連接部位上。關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成。關(guān)節(jié)和驅(qū)動機構(gòu)的連接方式有多種，因此轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)也有多種形式。1、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式主要包含如下幾種：a驅(qū)動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式；b驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式；c外部驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動臂部的形式；d驅(qū)動電機安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式；2、軸承用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有多種形式。工業(yè)機器人中軸承起著相當重要的作用，主要采用滾動軸承，最常用的有薄壁密封型球軸承。另外，還有一種能承受徑向載荷、軸向載荷和扭矩的交叉滾子軸承（Cross roller bearing）。該軸承承載能力大，常用在擺動或轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上

53、。二、 移動關(guān)節(jié)（Slide Joint）由直線運機構(gòu)和在整個運動范圍內(nèi)起導向作用的直線導軌部分（Linear motion guide）組成。本課題中的機械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)全部使用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。2.1.1.2 工業(yè)機器人手臂圖1二連桿模組簡圖Fig1two-rodmodalsimplefigure工業(yè)機器人手臂的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)工業(yè)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮手臂的受力情況、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計工業(yè)機器人手臂時一般要注意下述問題：1.承載能力足:手臂是支撐手腕的部件,設(shè)計時不僅要考慮抓取物體的重量,還要考慮運動時的動載荷。2.剛度

54、高:為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大,空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。3.導向性能好,動作迅速、靈活、平穩(wěn),定位精度高。為防止手臂在直線運動中,沿運動軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動,應設(shè)置導向裝置,或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運動速度越高,定位前慣性力引起的沖擊也就越大,運動既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時要采用一定形式的緩沖措施。4.重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。為提高工業(yè)機器人的運動動速度,要盡量減少臂部運動部分的重量,以減少整個手臂對回

55、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。5.合理設(shè)計與腕和機身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到工業(yè)機器人的強度、剛度和承載能力,而且還直接影到工業(yè)機器人的外觀。11Z 軸模組的設(shè)計構(gòu)思Z 軸整體做為另一個模塊,具有兩個自由度:手腕繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運動和手腕沿 Z 軸的直線運動。在對工業(yè)機器人手臂做運動學和動力學仿真分析時, Z 軸模組可以做為載荷施加在小臂的前端, 所以對工業(yè)機器人手臂做運動學和動力學分析主要是考慮二連桿機構(gòu)的運動特性。但是腕部做為為臂部與手部的連接部件,起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕按自由度個數(shù)可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用幾個自由度的手腕應根據(jù)機器人的工作性能來確

56、定。在很多情況下，腕部具有二個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或回轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。在一些特殊情況下，手腕還有直線移動的自由度。設(shè)計腕部時，一般要注意以下問題：1結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高。3強度，剛度高。4設(shè)計合理的手臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動裝置的布局和安裝。由于 Z 軸模組目前在業(yè)界已經(jīng)實現(xiàn)標準化,采用已經(jīng)標準化生產(chǎn)的模塊,可以保證 Z軸模塊質(zhì)量更輕、精度更高、壽命更長、價格更低。所以在本課題中，腕部的設(shè)計采用標準化的 Z 軸模組，它具有回轉(zhuǎn)和直線移動兩個自由度。圖2Z軸模組簡圖Fig2Zaxismodalsimplefigure 裝配工業(yè)機器人的外形尺寸和工作空間依如上水平四自由

57、度裝配工業(yè)機器人的設(shè)計構(gòu)思,設(shè)計出的 2 維裝配草圖及工作空間示意圖如下圖所示;120001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:伺服電機 1光電編碼器 1步進電機 1滾珠絲桿花鍵步進電機 2光電編碼器 2伺服電機 2圖3裝配工業(yè)機器人的裝配圖Fig3AssemblyfigureofAssemblyrobot圖4裝配工業(yè)機器人的工作空間圖Fig4AssemblyfigureofAssemblyrobot 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計工業(yè)機器人手臂是裝配工業(yè)機器人的關(guān)鍵部分,工業(yè)生產(chǎn)中要求裝配工業(yè)機器人手臂能實現(xiàn)高速、高精度運動。具體設(shè)計要求如 2.1 所

58、述。本課題中，根據(jù)預先擬定的參數(shù)，針對各細部結(jié)構(gòu)設(shè)計如下： 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計:圖5第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖13A001:A002:A003:0008:傳動軸 1大臂支架交叉滾子軸承如圖 3 裝配工業(yè)機器人的裝配圖, 圖 5 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖所示,伺服電機 1 軸端安裝皮帶輪, 傳動軸 1 下軸端也安裝皮帶輪; 伺服電機 1 通過時規(guī)皮帶驅(qū)動傳動軸 1 轉(zhuǎn)動。大臂固定在傳動軸 1 上,因此大臂隨傳動軸 1 轉(zhuǎn)動,同時絕對式光電編碼器 1 同步記錄大臂的轉(zhuǎn)位數(shù)值,并反饋如上數(shù)值至控制系統(tǒng)。傳動軸 1 兩端的交叉滾子軸承可以承受徑向負荷、軸向負荷及力矩負荷等所有方向的負荷;具有高剛性,最適合于工業(yè)用機器人的關(guān)節(jié)

59、部或旋轉(zhuǎn)部。 第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計:A004: 傳動軸 2A005: 小臂0009: 交叉滾子軸承圖6第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖 6 第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖所示,伺服電機 2 驅(qū)動傳動軸 2 轉(zhuǎn)動,小臂通過平鍵與傳動軸 2連接,而傳動軸 2 固定在大臂端部; 伺服電機 2 軸端安裝皮帶輪, 傳動軸 2 中間部分也安裝皮帶輪; 伺服電機 2 通過時規(guī)皮帶驅(qū)動傳動軸 2 轉(zhuǎn)動。傳動軸 2 轉(zhuǎn)動,同時絕對式光電編碼器 2 同步記錄小臂的轉(zhuǎn)位數(shù)值,并反饋如上數(shù)值至控制系統(tǒng)。傳動軸 2 兩端安裝交叉滾子軸承以承受徑向負荷、軸向負荷及力矩負荷等所有方向的負荷。7 第三、第四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計:為了降低成本、提高精度,在設(shè)計中第三、

60、四關(guān)節(jié)采用了標準的工業(yè)機器人 Z 軸模組-THK 滾珠絲桿花鍵 BNS1015。Ball bearing spline nutBall bearing screw nut圖7Z軸模組-滾珠螺桿花鍵Fig7Zaxismodal-ballbearingscrewspline14當滾珠花鍵螺母旋轉(zhuǎn)時,螺桿繞 Z 軸做360旋轉(zhuǎn);螺母外側(cè)安裝皮帶輪,利用同步齒形帶傳動,由步進電機驅(qū)動。當滾珠螺桿螺母旋轉(zhuǎn)時,螺桿沿 Z 軸做上下運動;螺母外側(cè)安裝皮帶輪,利用同步齒形帶傳動,由步進電機驅(qū)動。螺桿的端部可以安裝各種夾手,以實現(xiàn)所需要的功能。 本章小節(jié)本章對水平四自由度裝配工業(yè)機器人的功能需求及作業(yè)環(huán)境進行分