水平四自由度裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真的分析

1、上海交通大學(xué)學(xué)位論文答辯決議書2007 年 01 月 09 日申申 請 者郭 聳所在學(xué)科（專業(yè)）工 業(yè) 工 程論 文 題 目水平四自由度裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析答 辯 日 期2007 年 1 月 9 日地 點(diǎn)交大徐匯校區(qū)機(jī)械樓五樓答 辯 委 員 會(huì) 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(huì)主席 （簽名）目錄摘要 . VIIABSTRACT .VIII第一章 緒論 . 11.1 工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括 . 11.2 導(dǎo)入虛擬樣機(jī)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(jī)器人的總體設(shè)計(jì)情況 . 72.1 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思 . 82.2 裝配工業(yè)機(jī)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) . 132.4 本章小節(jié) . 15第三章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的建模 . 163.1 建立 3D 實(shí)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . 21二連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的數(shù)學(xué)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(jī)器

3、人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . 23基于 ADAMS 的水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 . 25本章小節(jié) . 29第五章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析 . 305.1 二連桿機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)方程的建立方法 . 315.2 基于 ADAMS 的二連桿機(jī)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)例 . 345.3 本章小節(jié) . 36第六章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人手臂的模態(tài)分析 . 386.1 水平四自由度工業(yè)機(jī)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(jī)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(xiàn) . 42致謝 . 44攻讀學(xué)位

4、期間發(fā)表的學(xué)術(shù)文章 . 45摘要本文以水平四自由度裝配機(jī)器人手臂為研究對象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)設(shè)計(jì),利用虛擬樣機(jī)軟件 ADAMS 的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真功能,對水平四自由度裝配機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性做了深入研究;而仿真分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)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(jī)器人手臂的模型,并依據(jù)以上模型建立了水平二連桿機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程;從理論上對水平二連桿機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究。對二連桿機(jī)器人手臂在水平狀態(tài)下僅考慮總的動(dòng)能,而忽略由于手臂撓曲變形而產(chǎn)生的

5、位能變化。運(yùn)用拉格朗日功能平衡法來計(jì)算二連桿機(jī)器人手臂系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù) L。通過對二連桿機(jī)械手系統(tǒng)的分析,可以求得如下參數(shù)及方程。1. 計(jì)算任一連桿上任一點(diǎn)的速度;2. 建立二連桿機(jī)械手系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;3. 計(jì)算各連桿的動(dòng)能和機(jī)械手的總動(dòng)能;4. 建立機(jī)械手系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù);5. 對拉格朗日函數(shù)求導(dǎo),以得到動(dòng)力學(xué)方程式。在機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析方面,利用 ADAMS 做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,可以得到各桿件的任一點(diǎn)的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各連桿的動(dòng)能和機(jī)械手的總動(dòng)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(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)可以起到支持作用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)是研究機(jī)

6、械設(shè)備運(yùn)動(dòng)和力學(xué)問題的重要基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)備,特別是運(yùn)動(dòng)機(jī)械,由于振動(dòng)問題引起的機(jī)械故障率高達(dá) 60%70%。它常常是造成機(jī)械和結(jié)構(gòu)惡性破壞和失效的直接原因?，F(xiàn)在振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(dòng)分析的基礎(chǔ)。利用 ADAMS 做模態(tài)分析,可以求得頻率響應(yīng)、功率譜密度（PSD）、模態(tài)坐標(biāo)等信息。利用如上信息可以對系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供重要的參考。關(guān)鍵詞: 水平四自由度裝配機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)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(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括 前言工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是集計(jì)算機(jī)科學(xué),控制工程,傳感技術(shù),機(jī)構(gòu)學(xué),機(jī)械工程學(xué)等學(xué)科為一體的一門綜合技術(shù);工業(yè)機(jī)器人是一種知識(shí)密集,技術(shù)密集的機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械手臂、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作

16、業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)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(jī)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(jì)算機(jī)上對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行 3D 建模和虛擬裝配;從而獲得基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype）,并對其進(jìn)行仿真分析。這種方法使設(shè)計(jì)人員能在計(jì)算機(jī)上快速試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)降低開發(fā)成本的目的19。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,對提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,改

17、善勞動(dòng)條件,提高企業(yè)的應(yīng)變能力,促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展,改變勞動(dòng)結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步,均發(fā)揮了重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此,各國都很重視工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用。 世界工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況:近代工業(yè)機(jī)器人的原型可以從 1948 年算起,當(dāng)時(shí)美國原子能委員會(huì)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(jī)械手1。1954 年,喬治.德沃爾提出了“通用重復(fù)操作機(jī)器人的方案“并研制出了第一臺(tái)通用工業(yè)機(jī)器人(Engelberberger),這是一臺(tái)將遙控操作器的連桿機(jī)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(dòng)化 (Unimation) 公司的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人發(fā)展較慢; 進(jìn)入 1970 年代后,焊接,噴漆機(jī)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(tái)工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用,而到 1985 年底就達(dá)到了 1000 萬臺(tái)。國外專家預(yù)測，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)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(jì)委員會(huì)(UNECE)和國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場前景1看好，從 20 世紀(jì)下半

19、葉起，世界機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的大量應(yīng)用及日本經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇,工業(yè)機(jī)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(tái)降為1994 年的 5.3 萬臺(tái),主要原因還是日本經(jīng)濟(jì)不景氣的影響。1995 年開始復(fù)蘇,1997 年新安裝 8

20、.7 萬臺(tái),創(chuàng)歷史最高紀(jì)錄,而 1998 年實(shí)際訂貨 7.1 萬臺(tái),銷售額比上一年下降 16%,出現(xiàn)了第三個(gè)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(jìn)入 21 世紀(jì)，機(jī)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(jī)器人增長幅度最為突出，高達(dá) 43%。隨著電子計(jì)算機(jī),自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要,工業(yè)機(jī)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(jī)器人的基礎(chǔ)上,目前第二代工業(yè)機(jī)器人已推廣成為主流安裝機(jī)型;第三代智能機(jī)器人也已發(fā)展起來。現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有如下特點(diǎn):機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)技術(shù)方面: 1980 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù),在遠(yuǎn)程控制中已采用分布式智能驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)器人技術(shù)的另一個(gè)特

22、點(diǎn)是從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展,多個(gè)機(jī)器人與微機(jī)、周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)多智能體;到了 1990 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。在工業(yè)機(jī)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(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國 KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司，已將工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的 RV 減速器及交流伺服電機(jī)，使

23、工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)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(yīng)用，使工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF 一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬小時(shí)，幾乎可以滿足任何場合的需求6。2當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向是探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)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(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展方面:隨著人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)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(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化

24、和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)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(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況:我國的工業(yè)機(jī)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(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)

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(jī)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(jī)器人，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的0.4%4。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， 一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，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(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。縱觀目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，我國機(jī)器人市場增長異常迅猛；從銷售量上更是充分說明了這個(gè)不爭的事實(shí)。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(tái)機(jī)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(tái)機(jī)器人。專家預(yù)測，中國機(jī)器人到 2010 年擁有量將達(dá)到 17300 臺(tái)，到 2015 年，市場容量將達(dá)十幾萬臺(tái)（套）。據(jù)悉，汽車制造、工程機(jī)械及電機(jī)、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對機(jī)器人需求最大的部門，其中所需機(jī)器人的品種以點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運(yùn)、沖壓等為主。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)

27、器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)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術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品52223。3“ 導(dǎo)入虛擬樣機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟,近年來在對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析中,出現(xiàn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology）是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)；它采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)

28、，在計(jì)算機(jī)上通過 CAD/CAM/CAE 等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個(gè)可視化的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真和分析。虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)的初級階段-概念設(shè)計(jì)階段就可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析，可以觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況。使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，它可以在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真實(shí)驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對整個(gè)系統(tǒng)不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案以后，再作出物理樣機(jī)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，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(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力等。任何一項(xiàng)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(jī)技術(shù)的起源有其經(jīng)濟(jì)背景。隨著經(jīng)濟(jì)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(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(jì)與制造方式無法滿足這些要求。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至是破壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改設(shè)計(jì)并再用樣機(jī)驗(yàn)證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)

30、計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。樣機(jī)的單機(jī)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(shí)投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時(shí)便有了先天不足的毛病。在競爭的市場背景下，基于實(shí)際樣機(jī)上的設(shè)計(jì)驗(yàn)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(jī)技術(shù)的應(yīng)用貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。它可以用在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，設(shè)計(jì)師可以把自已的經(jīng)驗(yàn)與想象結(jié)合在計(jì)算機(jī)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(shí)際模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)周期縮短，設(shè)計(jì)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測器“探路者”在火星上的軟著陸，成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了該項(xiàng)技術(shù)，這個(gè)計(jì)劃可能要失敗。在探測器發(fā)射以前，JPL 的工程師們運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)預(yù)測到由于制動(dòng)火箭與火星風(fēng)的相互作用，探測器很可能在著陸時(shí)滾翻并最后6 輪朝上。工程師們針對這個(gè)問題修改了技術(shù)方案，保證了火星登陸計(jì)劃的成功。福特汽車公司在一個(gè)新車型的開發(fā)中也采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，其設(shè)計(jì)周期縮短了 70天。全公司范圍內(nèi)，由于采用了這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)費(fèi)用減少了 4 千萬美元，制造費(fèi)用節(jié)省了410 億美元。由于設(shè)計(jì)制造周期的縮短，新車

32、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(jī)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(xiàng)技術(shù)進(jìn)行裝載機(jī)和挖掘機(jī)的工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，在一天時(shí)間內(nèi)，他們對工作裝置進(jìn)行了上萬個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)及受力分析，很容易地實(shí)現(xiàn)了理想的設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)技術(shù)在技術(shù)與市場兩個(gè)方面的成熟也與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(jì)師們的精力集中在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)上，把繪圖等煩瑣的工作交給計(jì)算機(jī)去做。這樣設(shè)計(jì)師就有額外的精力關(guān)注設(shè)計(jì)的正確和優(yōu)化問題。其次，三維造型技術(shù)使虛擬樣機(jī)技術(shù)中的機(jī)械系統(tǒng)描述問題變得簡單。第三，由于 CAD 強(qiáng)大的三維幾

33、何編輯修改技術(shù)，使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的快速修改變?yōu)榭赡?，在這基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)的反復(fù)過程才有時(shí)間上的意義。虛擬樣機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支的數(shù)值算法及時(shí)地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)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(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)當(dāng)屬于計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的一個(gè)分支。隸屬于 CAE 的其他分支有限元技術(shù)等。虛擬樣機(jī)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(jìn)

34、行的是部件的分析。正由于此，虛擬樣機(jī)技術(shù)對設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)的順序。過去的設(shè)計(jì)方式是由下到上：從部件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)。這種方式的弊端是設(shè)計(jì)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(jìn)樣機(jī)的消化上，在整機(jī)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(jī)技術(shù)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程被逆轉(zhuǎn)了。設(shè)計(jì)過程先從整機(jī)開始，按照由上至下的順序進(jìn)行。這樣可以避免代價(jià)昂貴的在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的失誤。當(dāng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)，可以依技術(shù)指標(biāo)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)確定工作裝置的參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)在初

35、期設(shè)計(jì)階段完成。對于初期階段的虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果可以作為零件設(shè)計(jì)的參考。例如，動(dòng)力學(xué)或靜力學(xué)分析的結(jié)果可以用來指導(dǎo)零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域里：汽車制造業(yè)，工程機(jī)械，航空航天業(yè)，國防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機(jī)的快門，天上的火箭到海上的輪船。在各個(gè)領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)省了時(shí)間，降低了成本并提供了滿意的設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)的水平四自由度工業(yè)機(jī)器人手臂機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,并將研究成果應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際中; 同時(shí)通過本課題的研究,可以5掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法

36、,并將這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到其它自化設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中;最終實(shí)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(gè)目的:目的一、解決本企業(yè)生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題, 為企業(yè)降低成本、增加效益、提高競爭力做出貢獻(xiàn)1) 本企業(yè)運(yùn)營現(xiàn)狀:由于國家和地方出臺(tái)的各種保護(hù)勞動(dòng)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(dòng)化設(shè)備來代替人工的需求;目前,公司自主開發(fā)的自動(dòng)化設(shè)備均為剛性機(jī),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

37、的自動(dòng)化設(shè)備是必由之路; 而這種自動(dòng)化設(shè)備最典型的代表就是工業(yè)機(jī)器人。3) 生產(chǎn)中成功導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人的途徑:在市場上采購工業(yè)機(jī)器人:優(yōu)點(diǎn): 功能強(qiáng)、精度高;缺點(diǎn): 價(jià)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(diǎn):價(jià)格低、功能滿足企業(yè)實(shí)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(diǎn): 沒有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(shí)施,可以學(xué)到先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法; 并把這些設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在其他自動(dòng)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(jī)器人的 3D 模型，初步確定水平四自由度機(jī)器

38、人結(jié)構(gòu)、尺寸和工作空間;b.建立水平四自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并利用動(dòng)力學(xué)分析軟體 ADAMS 做水平四自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;c.建立水平四自由度機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，并利用動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS 做動(dòng)力學(xué)分析；d.最終確定水平四自由度機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。6第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)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(jī)器人。從應(yīng)用環(huán)境來分析:一、工業(yè)機(jī)器人需要如下四個(gè)自由度,大小臂在 XY 平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),Z 軸上下移動(dòng)以及 Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng),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(jī)器人的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌

39、跡來確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡往往是幾個(gè)動(dòng)作合成的；在確定工作范圍時(shí)，可將運(yùn)動(dòng)軌跡分解成單個(gè)動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定工業(yè)機(jī)器人的最大行程。各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定之后，工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)考慮到對不同產(chǎn)品的泛用性, Z 軸上下運(yùn)動(dòng)位移須達(dá)到 120mm,符合人手上下取放的高度;

40、 Z 軸旋轉(zhuǎn)須 360,以實(shí)現(xiàn)不同角度的裝配。2. 臂力的確定:對于裝配工業(yè)機(jī)器人來說,臂力主要根據(jù)被抓取、搬運(yùn)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(diǎn),要求裝配工業(yè)機(jī)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(diǎn), 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(huì)破壞,從而保證品質(zhì)。2. 工業(yè)機(jī)器人本身所能達(dá)到的定位精度,取決于定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動(dòng)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(jì)上應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行臂部剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì),在驅(qū)動(dòng)方式上采用交

41、流伺服驅(qū)動(dòng),并以絕對式光電編碼器進(jìn)行工作位置的反饋。在傳動(dòng)方式上采用交流伺服電機(jī)+同步齒形帶和步進(jìn)電機(jī)+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(jī)器人所需的精度。3. 根據(jù)電子產(chǎn)品短、小、輕、薄的特點(diǎn),所以裝配工業(yè)機(jī)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(jī)器人有高的生產(chǎn)效率,即在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成裝配和加工作業(yè); 裝配工業(yè)機(jī)器人工作速度越快,則生產(chǎn)效率就越高。裝配工業(yè)機(jī)器人各動(dòng)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(gè)動(dòng)作的時(shí)間,進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度;如裝配工業(yè)機(jī)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(dòng)作,這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成;到于各動(dòng)作的時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng) 240mm/S, MAX、 Z 軸旋轉(zhuǎn) 360/S, MAX。裝配工業(yè)機(jī)器人工作速度當(dāng)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(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算精度等;所以本課題根據(jù)實(shí)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)作如下設(shè)定:研究目標(biāo):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(yùn)重量(3KG)、最短循環(huán)時(shí)間(1s/cycle)的水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手臂部分表 1 裝配工業(yè)機(jī)器人總體要求表2裝配工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo) 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思綜合以上水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的研究目標(biāo)、總體要求和主要技術(shù)指標(biāo);對如8項(xiàng)目項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)運(yùn)動(dòng)范圍大臂旋轉(zhuǎn)小臂旋轉(zhuǎn)Z 軸上下運(yùn)動(dòng)Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍120160120mm360運(yùn)動(dòng)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(fù)定位精度項(xiàng)目項(xiàng)目設(shè)計(jì)

44、要求結(jié)構(gòu)類型水平關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人自由度四個(gè),包括:大臂旋轉(zhuǎn)、小臂旋轉(zhuǎn)、主軸上下運(yùn)動(dòng)、主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式交流伺服驅(qū)動(dòng),絕對式光電編碼器反饋傳動(dòng)方式交流伺服電機(jī)+同步齒形帶, 步進(jìn)電機(jī)+同步齒形帶、滾珠絲桿花鍵上水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)做如下構(gòu)思:1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)，液壓和氣動(dòng)三種。一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人可以只用一種驅(qū)動(dòng)方式，也可以采用幾種方工聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式在選擇時(shí)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(dòng)。氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)

45、雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)方式。2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方式。直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連。間接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接。這種方式的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)。由于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進(jìn)行間接傳動(dòng)。但是間接傳動(dòng)帶來了不可避

46、免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響工業(yè)機(jī)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(dòng)方式和間接驅(qū)動(dòng)方式相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械傳動(dòng)精度高、振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好、機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)方式是一種極有發(fā)展前途的驅(qū)動(dòng)方式，許多國家為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度，高速度和高智能；對關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)方式的 K 倍以上。c.電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/重量比和轉(zhuǎn)矩/體

47、積比不大，需開發(fā)小型實(shí)用的電機(jī)；電機(jī)成本高。d把電機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生干擾，使工業(yè)機(jī)器人的負(fù)載能力和效率下降。2）.關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)。這種間接驅(qū)動(dòng)，通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大小于驅(qū)動(dòng)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(jī)器工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式采用關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式。3材料的選擇選擇工業(yè)機(jī)器人本體材料，應(yīng)從工業(yè)機(jī)器

48、人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和9制作要求。工業(yè)機(jī)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(jī)器人性能的材料，應(yīng)在充分掌握機(jī)器人的特性和各組成部分的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領(lǐng)會(huì)機(jī)器人的概念和各組成部分的作用。機(jī)器人本體被用來支承,連接,固定機(jī)器人的各部分,當(dāng)然機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料。但機(jī)器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，比如，機(jī)器人臂是運(yùn)動(dòng)的；所以工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量要輕。精密工業(yè)機(jī)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(jì)時(shí)要考慮靜剛度和動(dòng)剛度，即要考慮振動(dòng)問題。從材料角度看，控制振動(dòng)涉及到減輕重量和抑制振動(dòng)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(jī)器人材料之間的差別，在于機(jī)器人是伺服機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)器人整體性能一同考慮到。工業(yè)機(jī)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(qiáng)合金、陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粘彈性大阻尼材料，等。4主要機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)和選擇近年來，工業(yè)機(jī)器人朝著智能化，標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

50、模塊化工業(yè)機(jī)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(gè)工業(yè)機(jī)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、手臂、手腕、等；因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)可選用標(biāo)準(zhǔn)模塊；當(dāng)然也可以自行設(shè)計(jì)一些專用部件。1在本課題中，裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分:固定部分和運(yùn)動(dòng)部分。固定部分包括底座、支架、主傳動(dòng)軸等。運(yùn)動(dòng)部分即裝配工業(yè)機(jī)器人手臂部分,包括兩個(gè)模塊: 大小臂模組和 Z 軸模組。本課題”水平四自由度裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析”主要就是針對裝配工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分展開研究。 大臂和小臂

51、模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思把工業(yè)機(jī)器人大臂和小臂作為一個(gè)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(dòng)力并帶動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)；因?yàn)橥烬X形帶與皮帶輪之間是過盈配合,所以有效地消除了傳動(dòng)間隙。而整個(gè)二連桿系統(tǒng)由固定于支架上的主軸驅(qū)動(dòng),主軸,支架及底座部分對工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性影響很小;所以對工業(yè)機(jī)器人手臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮此二連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。2.1.1.1 關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人中連接運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)稱為關(guān)節(jié)（Joint）,關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型，分別稱它為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。10一、 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（Rotary Joint）就是關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人中被稱為“關(guān)節(jié)”的連接部分，它既連

52、接各機(jī)構(gòu)，又傳遞各機(jī)構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)），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(dòng)機(jī)構(gòu)組成。關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式有多種，因此轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)也有多種形式。1、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式主要包含如下幾種：a驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式；b驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式；c外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂部的形式；d驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式；2、軸承用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有多種形式。工業(yè)機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，主要采用滾動(dòng)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(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上

53、。二、 移動(dòng)關(guān)節(jié)（Slide Joint）由直線運(yùn)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分（Linear motion guide）組成。本課題中的機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)全部使用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。2.1.1.2 工業(yè)機(jī)器人手臂圖1二連桿模組簡圖Fig1two-rodmodalsimplefigure工業(yè)機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)工業(yè)機(jī)器人手臂時(shí)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(jì)時(shí)不僅要考慮抓取物體的重量,還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。2.剛度

54、高:為防止臂部在運(yùn)動(dòng)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(shí)心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。3.導(dǎo)向性能好,動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn),定位精度高。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中,沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高,定位前慣性力引起的沖擊也就越大,運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。4.重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度,要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量,以減少整個(gè)手臂對回

55、轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。5.合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)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(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力,而且還直接影到工業(yè)機(jī)器人的外觀。11Z 軸模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思Z 軸整體做為另一個(gè)模塊,具有兩個(gè)自由度:手腕繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手腕沿 Z 軸的直線運(yùn)動(dòng)。在對工業(yè)機(jī)器人手臂做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí), 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(jī)器人手臂做運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析主要是考慮二連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)自由度的手腕應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能來確

56、定。在很多情況下，腕部具有二個(gè)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(dòng)的自由度。設(shè)計(jì)腕部時(shí)，一般要注意以下問題：1結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2動(dòng)作靈活，平穩(wěn)，定位精度高。3強(qiáng)度，剛度高。4設(shè)計(jì)合理的手臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安裝。由于 Z 軸模組目前在業(yè)界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,采用已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(jià)格更低。所以在本課題中，腕部的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化的 Z 軸模組，它具有回轉(zhuǎn)和直線移動(dòng)兩個(gè)自由度。圖2Z軸模組簡圖Fig2Zaxismodalsimplefigure 裝配工業(yè)機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思,設(shè)計(jì)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(jī) 1光電編碼器 1步進(jìn)電機(jī) 1滾珠絲桿花鍵步進(jìn)電機(jī) 2光電編碼器 2伺服電機(jī) 2圖3裝配工業(yè)機(jī)器人的裝配圖Fig3AssemblyfigureofAssemblyrobot圖4裝配工業(yè)機(jī)器人的工作空間圖Fig4AssemblyfigureofAssemblyrobot 水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人手臂是裝配工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵部分,工業(yè)生產(chǎn)中要求裝配工業(yè)機(jī)器人手臂能實(shí)現(xiàn)高速、高精度運(yùn)動(dòng)。具體設(shè)計(jì)要求如 2.1 所

58、述。本課題中，根據(jù)預(yù)先擬定的參數(shù)，針對各細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下： 第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):圖5第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖13A001:A002:A003:0008:傳動(dòng)軸 1大臂支架交叉滾子軸承如圖 3 裝配工業(yè)機(jī)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(jī) 1 軸端安裝皮帶輪, 傳動(dòng)軸 1 下軸端也安裝皮帶輪; 伺服電機(jī) 1 通過時(shí)規(guī)皮帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸 1 轉(zhuǎn)動(dòng)。大臂固定在傳動(dòng)軸 1 上,因此大臂隨傳動(dòng)軸 1 轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)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(dòng)軸 1 兩端的交叉滾子軸承可以承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷;具有高剛性,最適合于工業(yè)用機(jī)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(jì):A004: 傳動(dòng)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(jī) 2 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸 2 轉(zhuǎn)動(dòng),小臂通過平鍵與傳動(dòng)軸 2連接,而傳動(dòng)軸 2 固定在大臂端部; 伺服電機(jī) 2 軸端安裝皮帶輪, 傳動(dòng)軸 2 中間部分也安裝皮帶輪; 伺服電機(jī) 2 通過時(shí)規(guī)皮帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸 2 轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸 2 轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)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(dòng)軸 2 兩端安裝交叉滾子軸承以承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷。7 第三、第四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):為了降低成本、提高精度,在設(shè)計(jì)中第三、

60、四關(guān)節(jié)采用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)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(dāng)滾珠花鍵螺母旋轉(zhuǎn)時(shí),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(dòng),由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)滾珠螺桿螺母旋轉(zhuǎn)時(shí),螺桿沿 Z 軸做上下運(yùn)動(dòng);螺母外側(cè)安裝皮帶輪,利用同步齒形帶傳動(dòng),由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。螺桿的端部可以安裝各種夾手,以實(shí)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(jī)器人的功能需求及作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分