機械制造自動化論文.doc

機械制造自動化論文I機械制造自動化論文專業(yè)機械制造及其自動化機械制造自動化論文II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。仿真分析結(jié)果可以指導零件的結(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和動力學方程，從理論上對水平二連桿機器人大小手臂的運動學和動力學規(guī)律進行研究。在機器人手臂的運動學和動力學仿真分析方面，利用UG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。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；運動學分析；動力學分析；仿真機械制造自動化論文IIIAbstractInthisarticle,weaimtodesignaplanarfour-DOFassemblyrobotarm.UsingvirtualPrototypingTechnologydesignsmechanismsystem.WeutilizethekinematicsanddynamicssimulationfunctionofvirtualprototypesoftwareUGtogetthekinematicsanddynamicscharacteristicoftheplanarfour-DOFassemblyrobotarm.Thesimulationresultsoftheanalysiscanhelpusmodifythematerialofpartandimprovethestructuredesign.ApplyingvirtualPrototypingTechnologyisimportantforimprovingthequalityofproductanddecreasethecaseofproduct.Wefirstbuildthemodeloftheplanarfour-DOFassemblyrobot；thenestablishthekinematicsanddynamicsequationoftheplanarfour-DOFassemblyrobotarm,anddosometheoreticalresearchonthekinematicsanddynamicscharacteristicsoftherobotarm.Forthetwo-barrobotarm,wefocusmerelythewholekineticenergyathorizontalcondition,andneglectthechangeofpotentialenergyduetothebendingdeflectionoftherobotarm.Inthesimulationofthekinematicsanddynamicsofrobotarm,weuseUGtogetthedisplacement,speed,acceleration,force,torque,kineticenergyofeachlinkandthewholekineticenergyofrobotarm,etc.Suchinformationwillsupportthedesignofrobotarm.Keyword:Planarfour-DOFassemblyrobot；Kinematicsanalysis；Dynamicsanalysis,Simulation機械制造自動化論文IV目錄第一章緒論-11.1工業(yè)機器人及其相關(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-162.1.3Z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)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)機器人的運動學分析-294.1在X-Y平面內(nèi)建立二連桿的運動學算法模型-294.2二連桿機構(gòu)運動學分析的數(shù)學基礎(chǔ)-304.2.1二連桿機構(gòu)在X-Y平面內(nèi)的空間示意圖-30機械制造自動化論文V4.2.2二連桿機構(gòu)在X-Y平面內(nèi)位置和姿態(tài)的數(shù)學描述-304.2.3齊次坐標變換-314.3物體的變換與逆變換-314.3.1物體的位置描述-314.3.2齊次變換的逆變換-314.3.3變換方程初步-314.4UG的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學分析-324.4.1機器人正向運動學-324.4.2機器人逆向運動學-324.5運動學仿真分析-334.5.1廣義坐標和時間的函數(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)機器人的動力學分析-375.1二連桿機器人手臂動力學方程的建立方法-385.1.1速度的計算-385.1.2動能的計算-395.1.3動力學方程的推導-405.2二連桿機構(gòu)的點到點動力學仿真-415.2.1二連桿機構(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-47機械制造自動化論文1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、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，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志。虛擬樣機技術(shù)（VirtualPrototypingTechnology）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（VirtualPrototype），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)合起來的機械制造自動化論文2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2看好，從20世紀下半葉起，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)達國家汽車工業(yè)中的應(yīng)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(yīng)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8.7萬臺，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)