水平四自由度装配机器人设计及其运动学和动力学仿真的分析

1、上海交通大学学位论文答辩决议书2007 年 01 月 09 日申申 请 者郭 耸所在学科（专业）工 业 工 程论 文 题 目水平四自由度装配机器人的设计及其运动学和动力学仿真分析答 辩 日 期2007 年 1 月 9 日地 点交大徐汇校区机械楼五楼答 辩 委 员 会 成 员姓 名单 位职 称签 名评语和决议：表决结果：答辩委员会主席 （签名）目录摘要 . VIIABSTRACT .VIII第一章 绪论 . 11.1 工业机器人及相关技术的发展概括 . 11.2 导入虚拟样机技术对降低开发成本和提高产品质量的作用 . 41.3 本课题研究的意义和目的 . 51.4 本课题的研究内容及方法 . 6

2、第二章 水平四自由度装配工业机器人的总体设计情况 . 72.1 水平四自由度装配工业机器人的设计构思 . 82.2 装配工业机器人的外形尺寸和工作空间 . 122.3 水平四自由度装配工业机器人的机械结构方案设计 . 132.4 本章小节 . 15第三章 水平四自由度装配工业机器人的建模 . 163.1 建立 3D 实体模型 . 163.2 建立 3D 简化模型 . 173.3 建立二连杆的 ADAMS 算法模型 . 183.4 本章小节 . 20第四章 水平四自由度装配工业机器人的运动学分析 . 21二连杆机构运动学分析的数学基础 . 21物体的变换与逆变换 . 23水平四自由度装配工业机器

3、人的运动学分析 . 23基于 ADAMS 的水平四自由度装配工业机器人的点到点运动学仿真 . 25本章小节 . 29第五章 水平四自由度装配工业机器人的动力学分析 . 305.1 二连杆机器人手臂动力学方程的建立方法 . 315.2 基于 ADAMS 的二连杆机构的点到点动力学仿真实例 . 345.3 本章小节 . 36第六章 水平四自由度装配工业机器人手臂的模态分析 . 386.1 水平四自由度工业机器人手臂柔体模型的建立 . 386.2 基于 ADAMS 的水平四自由度工业机器人手臂的模态分析 . 396.3 本章小节 . 40第七章 总结 . 41参考文献 . 42致谢 . 44攻读学位

4、期间发表的学术文章 . 45摘要本文以水平四自由度装配机器人手臂为研究对象，采用虚拟样机技术对机械系统进设计,利用虚拟样机软件 ADAMS 的运动学和动力学仿真功能,对水平四自由度装配机器人手臂的运动学和动力学特性做了深入研究;而仿真分析结果可以指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。虚拟样机技术的应用对于提高产品品质，降低产品开发和生产成本具有很大作用。首先建立了水平四自由度装配机器人手臂的模型,并依据以上模型建立了水平二连杆机器人手臂的运动学和动力学方程;从理论上对水平二连杆机器人手臂的运动学和动力学规律进行研究。对二连杆机器人手臂在水平状态下仅考虑总的动能,而忽略由于手臂挠曲变形而产生的

5、位能变化。运用拉格朗日功能平衡法来计算二连杆机器人手臂系统的拉格朗日函数 L。通过对二连杆机械手系统的分析,可以求得如下参数及方程。1. 计算任一连杆上任一点的速度;2. 建立二连杆机械手系统的运动学方程;3. 计算各连杆的动能和机械手的总动能;4. 建立机械手系统的拉格朗日函数;5. 对拉格朗日函数求导,以得到动力学方程式。在机器人手臂的运动学和动力学仿真分析方面,利用 ADAMS 做运动学和动力学仿真,可以得到各杆件的任一点的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各连杆的动能和机械手的总动能等;输入密度等资料,可求出质心信息。以上信息的取得对于机器人手臂的设计可以起到支持作用。结构振动是研究机

6、械设备运动和力学问题的重要基础。机械设备,特别是运动机械,由于振动问题引起的机械故障率高达 60%70%。它常常是造成机械和结构恶性破坏和失效的直接原因。现在振动分析和振动设计已成为产品设计中的一个关键环节。而结构的模态分析（固有频率与振型）将是所有振动分析的基础。利用 ADAMS 做模态分析,可以求得频率响应、功率谱密度（PSD）、模态坐标等信息。利用如上信息可以对系统设计计算提供重要的参考。关键词: 水平四自由度装配机器人、运动学分析、动力学分析、模态分析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 绪论 工业机器人及相关技术的发展概括 前言工业机器人技术是集计算机科学,控制工程,传感技术,机构学,机械工程学等学科为一体的一门综合技术;工业机器人是一种知识密集,技术密集的机电一体化的高技术产品。工业机器人由机械手臂、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作

16、业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）是利用软件所提供的各零部件的物理和几何信息,直接在计算机上对机械系统进行 3D 建模和虚拟装配;从而获得基于产品的计算机数字模型即虚拟样机（Virtual Prototype）,并对其进行仿真分析。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案,直至得到最优化结果,从而大幅度缩短了开发周期,减少了开发成本。因此,利用虚拟样机技术进行工业机器人机械系统的设计可以实现降低开发成本的目的19。工业机器人在工业生产中的应用,对提高劳动生产率,提高产品质量,改

17、善劳动条件,提高企业的应变能力,促进新产业的建立和发展,改变劳动结构以及促进相关学科的技术进步,均发挥了重大的社会效益和经济效益。因此,各国都很重视工业机器人技术的发展和工业机器人技术在生产中的应用。 世界工业机器人技术发展概况:近代工业机器人的原型可以从 1948 年算起,当时美国原子能委员会的阿贡研究所为适应核技术发展的需要开发了处理放射性材料的主从机械手1。1954 年,乔治.德沃尔提出了“通用重复操作机器人的方案“并研制出了第一台通用工业机器人(Engelberberger),这是一台将遥控操作器的连杆机构与数控铣床的伺服轴结合起来的设备。1962 年, 乔治.德沃尔与 Engelbe

18、rberger 合作创建的美国万能自动化 (Unimation) 公司的第一台工业机器人 Unimate 在美国通用汽车公司(GE)投入使用,这标志着第一代机器人的诞生12。由于历史条件和技术水平的关系,1960 年代工业机器人发展较慢; 进入 1970 年代后,焊接,喷漆机器人相继在工业中应用和推广。到 1980 年全世界约有 2 万台工业机器人在工业中应用,而到 1985 年底就达到了 1000 万台。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景1看好，从 20 世纪下半

19、叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。全世界工业机器人的数目虽然每年在递增,但市场是波浪式向前发展的,15 年来已经出现 3 次马鞍形曲线。第一次在 1980 年代中期(19851987),那是由于第一代工业机器人在一些发达国家汽车工业中的应用渐达饱和,以及日元不断升值所至。1988 年后,随着电子行业工业机器人的大量应用及日本经济的复苏,工业机器人增长率开始回升,1990 年达到高峰。19921994 年又出现了第二次马鞍形,由 1990 年的最高纪录年产 8.1 万台降为1994 年的 5.3 万台,主要原因还是日本经济不景气的影响。1995 年开始复苏,1997 年新安装 8

20、.7 万台,创历史最高纪录,而 1998 年实际订货 7.1 万台,销售额比上一年下降 16%,出现了第三个马鞍形,是由于日,韩两国,销售额大幅下降所致。1999 年回升,主要原因是北美和欧洲订单的增长3。进入 21 世纪，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10左右。2004 年增长率达到创记录的 20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达 43%。随着电子计算机,自动控制技术的发展和工业生产的需要,工业机器人技术在一些国家发展起来了。在普及第一代工业机器人的基础上,目前第二代工业机器人已推广成为主流安装机型;第三代智能机器人也已发展起来。现代工业机器人技术的发展具有如下特点:机械结构

21、方面: 以关节型为主流,1980 年代开发的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 1/3;控制技术方面: 大多采用 32 位 CPU,控制轴数多达 27 轴;采用通用机器人编程语言,基于 PC 的开放结构的控制系统已经成为一股潮流;驱动技术方面: 1980 年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术,在远程控制中已采用分布式智能驱动新技术; 网络通讯方式多采用 Ether 网通讯方式,其它采用RS-232、RS-485 等通讯接口;高速、高精度、多功能化: 目前,最快的装配机器人最小合成速度为 16.5m/s,位置重复精度0.01mm;集成化与系列化: 当今工业机器人技术的另一个特

22、点是从单机、单元向系统发展,多个机器人与微机、周边智能设备和操作人员形成一个多智能体;到了 1990 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。在工业机器人技术发展方面:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司，已将工业机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了工业机器人的性能。此外采用先进的 RV 减速器及交流伺服电机，使

23、工业机器人操作机几乎成为免维护系统。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使工业机器人控制系统的可靠性有了很大提高。过去工业机器人系统的可靠性 MTBF 一般为几千小时，而现在已达到 5 万小时，几乎可以满足任何场合的需求6。2当前工业机器人的发展方向是探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。在非制造业的先进机器人系统发展方面:随着人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化

24、和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。 我国工业机器人技术发展概况:我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、 八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应

25、用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4%4。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， 一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛；从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。在中国市场上占有

26、35市场份额的 ABB 公司 2004 年在中国卖出了 600台机器人。而该公司在过去 9 年中一共才在中国大陆市场销售了 2000 台机器人。专家预测，中国机器人到 2010 年拥有量将达到 17300 台，到 2015 年，市场容量将达十几万台（套）。据悉，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机

27、器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品52223。3“ 导入虚拟样机技术对降低开发成本和提高产品质量的作用随着计算机技术的日益成熟,近年来在对机械系统进行分析中,出现了虚拟样机技术。虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）是一项新生的工程技术；它采用计算机仿真与虚拟技术

28、，在计算机上通过 CAD/CAM/CAE 等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真和分析。虚拟样机技术在设计的初级阶段-概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案以后，再作出物理样机。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行了机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定

29、引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力等。任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。虚拟样机技术的起源有其经济背景。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期、提高产品质量、降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设

30、计实验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有了先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低和对市场的占有。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中。它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自已的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提高。1997

31、 年 7 月 4 日，美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路者”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了该项技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，JPL 的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后6 轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了虚拟样机技术，其设计周期缩短了 70天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了 4 千万美元，制造费用节省了410 亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车

32、上市早，额外赢利达到其成本的数倍。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计（CAD）技术的成熟及大规模推广应用是分不开的。首先，CAD 中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等烦琐的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于 CAD 强大的三维几

33、何编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计实验和设计的反复过程才有时间上的意义。虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。虚拟样机技术应当属于计算机辅助工程（CAE）的一个分支。隶属于 CAE 的其他分支有限元技术等。虚拟样机技术区别于其他分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进

34、行的是部件的分析。正由于此，虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术带来的影响要大。虚拟样机技术不仅帮助企业缩短生产周期，降低成本和提高质量，而且改变了产品设计的顺序。过去的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种事情在我国常发生，尤其在对国外引进样机的消化上，在整机性能还没有吃透的情况下就开始照抄零件。借助于虚拟样机技术，传统的设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照由上至下的顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。当设计工业机器人时，可以依技术指标，利用虚拟样机技术确定工作装置的参数，优化设计在初

35、期设计阶段完成。对于初期阶段的虚拟样机的仿真结果可以作为零件设计的参考。例如，动力学或静力学分析的结果可以用来指导零件的强度设计。虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业，工程机械，航空航天业，国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到海上的轮船。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了时间，降低了成本并提供了满意的设计方案。 本课题研究的意义和目的 课题的意义希望通过本课题的研究,掌握基于虚拟样机技术的水平四自由度工业机器人手臂机械系统的设计方法,并将研究成果应用到企业的生产实际中; 同时通过本课题的研究,可以5掌握先进的设计方法

36、,并将这些先进的设计方法应用到其它自化设备的开发当中;最终实现提高产品质量,缩短开发周期和降低开发成本。 课题的目的本课题的执行主要有两个目的:目的一、解决本企业生产中存在的实际问题, 为企业降低成本、增加效益、提高竞争力做出贡献1) 本企业运营现状:由于国家和地方出台的各种保护劳动者利益的政策,使企业人力成本提高;为了保证产品品质的稳定性, 企业有开发自动化设备来代替人工的需求;目前,公司自主开发的自动化设备均为刚性机,只能针对单一产品;电子产品生命周期越来越短,产品更新换代速度快;电子产品向轻、薄、短、小方向发展,人工作业精度越来越难满足生产要求;2) 解决对策:导入泛用型、柔性化、高精度

37、的自动化设备是必由之路; 而这种自动化设备最典型的代表就是工业机器人。3) 生产中成功导入工业机器人的途径:在市场上采购工业机器人:优点: 功能强、精度高;缺点: 价格贵、对前期培训和售后服务要求高;自主开发:优点:价格低、功能满足企业实际需求;培养企业内工程技术人员的开发能力。缺点: 没有相关开发经验必须寻求外部资源的协助;需要较长的开发周期。从长远来看,自主开发是必由之路!目的二、通过论文的实施,可以学到先进的设计方法; 并把这些设计方法应用在其他自动化产品的开发中; 本课题的研究内容及方法a.利用 CAD 软体 I-DEAS 建立水平四自由度机器人的 3D 模型，初步确定水平四自由度机器

38、人结构、尺寸和工作空间;b.建立水平四自由度机器人运动学方程，并利用动力学分析软体 ADAMS 做水平四自由度机器人的运动学分析;c.建立水平四自由度机器人动力学方程，并利用动力学分析软件 ADAMS 做动力学分析；d.最终确定水平四自由度机器人机械结构。6第二章 水平四自由度装配工业机器人的总体设计情况本课题是为了解决电子产业装配生产中存在的多品种小批量生产模式而开发的装配工业机器人。从应用环境来分析:一、工业机器人需要如下四个自由度,大小臂在 XY 平面内转动,Z 轴上下移动以及 Z轴的转动,就可以满足绝大多数的装配应用;1. 工作范围的确定:工业机器人的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨

39、迹来确定。一个操作运动的轨迹往往是几个动作合成的；在确定工作范围时，可将运动轨迹分解成单个动作，由单个动作的行程确定工业机器人的最大行程。各个动作的最大行程确定之后，工业机器人的工作范围也就定下来了。11 大小臂尺寸的确定装配生产中所用装配流水线的宽度一般为 700mm 左右,若工业机器人手臂置于流水线的中间位置,则大小臂长度之和为 350mm 则可以满足需求。12 Z 轴平移及旋转行程的确定:为了使工业机器人手臂与流水线手工作业人员很好的结合, 工业机器人手臂 Z 轴的位置高度应与人工治具高度相当,同时考虑到对不同产品的泛用性, Z 轴上下运动位移须达到 120mm,符合人手上下取放的高度;

40、 Z 轴旋转须 360,以实现不同角度的装配。2. 臂力的确定:对于装配工业机器人来说,臂力主要根据被抓取、搬运物体的重量及重量变化范围来定,其安全系数一般可在 1.53.0 范围内选取。二、面向的产品具有短、小、轻、薄的特点,要求装配工业机器人有高精度,但载荷并不要求很大。1. 根据电子产品的特点, 短、小、轻、薄、结构复杂;所以在装配过程中,只有高精度才能保证产品结构不会破坏,从而保证品质。2. 工业机器人本身所能达到的定位精度,取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等很多因素。所以在本课题中,在结构设计上应用虚拟样机技术进行臂部刚度的优化设计,在驱动方式上采用交

41、流伺服驱动,并以绝对式光电编码器进行工作位置的反馈。在传动方式上采用交流伺服电机+同步齿形带和步进电机+同步齿形带两种方式;通过以上方式来保证求装配工业机器人所需的精度。3. 根据电子产品短、小、轻、薄的特点,所以装配工业机器人的最大载荷并不需要很大,3KG MAX 完全可以满足要求。7三、工业生产要求装配工业机器人有高的生产效率,即在尽量短的时间内完成装配和加工作业; 装配工业机器人工作速度越快,则生产效率就越高。装配工业机器人各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度;如装配工业机器人要完成某一工件的上料过程,需要完成夹紧工件、手臂升降、

42、伸缩、回转等一系列动作,这些动作都应该在工作节拍所规定的时间内完成;到于各动作的时间究竟应如何分配,则取决于很多因素,需要各种因素综合考虑,比较平衡后,才能确定。本课题中将各组件的运动速度设定如下: 大臂旋转 200/S,MAX、 小臂旋转 200/S,MAX、 Z 轴上下运动 240mm/S, MAX、 Z 轴旋转 360/S, MAX。装配工业机器人工作速度当然越快越好,但是速度越快对系统要求就越高,包括:材料、控制系统、传动系统、计算精度等;所以本课题根据实际需要,本着量力而行的原则,制定了如上的性能指标。基于以上考虑,把如上装配工业机器人的结构和技术指标作如下设定:研究目标:开发四自由

43、度(三转一平移)、行程(回转角度 280，L1+L2=350mm)、最大搬运重量(3KG)、最短循环时间(1s/cycle)的水平四自由度装配工业机器人的机械手臂部分表 1 装配工业机器人总体要求表2装配工业机器人主要技术指标 水平四自由度装配工业机器人的设计构思综合以上水平四自由度装配工业机器人的研究目标、总体要求和主要技术指标;对如8项目项目技术指标运动范围大臂旋转小臂旋转Z 轴上下运动Z 轴旋转运动范围120160120mm360运动范围L1=160mmL2=190mm最大速度200/S200/S240mm/S360/S最大合成速度2500 mm/S最大载荷3KG重复定位精度项目项目设计

44、要求结构类型水平关节型工业机器人自由度四个,包括:大臂旋转、小臂旋转、主轴上下运动、主轴旋转驱动方式交流伺服驱动,绝对式光电编码器反馈传动方式交流伺服电机+同步齿形带, 步进电机+同步齿形带、滚珠丝杆花键上水平四自由度装配工业机器人系统做如下构思:1机器人的驱动方式工业机器人的驱动方式有电动，液压和气动三种。一台工业机器人可以只用一种驱动方式，也可以采用几种方工联合驱动。工业机器人的驱动方式在选择时主要考虑负载、效率、精度和环境等因素。液压系统具有较大的功率体积比，因此，大负载通常选用液压驱动。气动系统简单、成本低、适合节拍快、负载小且精度要求不高的场合。电动系统适合于中等负载，特别适合动作复

45、杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。在本课题中，装配工业机器人的驱动采用电动方式。2关节驱动方式关节的驱动方式有直接驱动和间接驱动两种方式。直接驱动方式是驱动装置的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连。间接驱动方式是驱动装置经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置与关节轴相连。1）.关节直接驱动方式关节直接驱动方式一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接。这种方式的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。目前中小型工业机器人一般采用普通的直流伺服电机，交流伺服电机或步进电机作为工业机器人的执行电机。由于电机速度较高，所以需配以大速比减速装置，进行间接传动。但是间接传动带来了不可避

46、免的误差，引起冲击振动，影响工业机器人系统的可靠性；并且增加关节重量和尺寸。关节直接驱动方式和间接驱动方式相比，有如下优点：机械传动精度高、振动小，结构刚度好、机械传动损耗小、结构紧凑，可靠性高、响应速度快，调速范围宽。关节直接驱动方式是一种极有发展前途的驱动方式，许多国家为实现机器人高精度，高速度和高智能；对关节直接驱动方式投入了大量的研究和开发。目前主要存在的问题是：a.载荷变化，耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。b.对位置，速度的传感元件提出了相当高的要求。传感器精度为带减速装置（速比为 K）的间接驱动方式的 K 倍以上。c.电机的转矩/重量比和转矩/体

47、积比不大，需开发小型实用的电机；电机成本高。d把电机直接安装在关节上，增加了臂的总质量，并且对下一个关节产生干扰，使工业机器人的负载能力和效率下降。2）.关节间接驱动方式大部分机器人的关节是间接驱动。这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用减速装置。另外，手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器工业机器人关节上安装驱动装置会使手臂根部关节驱动装置的负荷增大。改善这一问题的方法通常是经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置与关节轴相连，以驱动关节运动。在本课题中，装配工业机器人的关节驱动方式采用关节间接驱动方式。3材料的选择选择工业机器人本体材料，应从工业机器

48、人的性能要求出发，满足机器人的设计和9制作要求。工业机器人的材料并不是简单工业材料的组合，它应是满足工业机器人性能的材料，应在充分掌握机器人的特性和各组成部分的基础上，从设计思想出发，确定所用材料的特性，即必须事先充分领会机器人的概念和各组成部分的作用。机器人本体被用来支承,连接,固定机器人的各部分,当然机器人本体所用的材料也是结构材料。但机器人本体又不单是固定结构件，比如，机器人臂是运动的；所以工业机器人运动部分的材料质量要轻。精密工业机器人对刚度有一定的要求，即对材料刚度有一定的要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及到减轻重量和抑制振动两方面，本

49、质上就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。传统的工业材料与机器人材料之间的差别，在于机器人是伺服机构，其运动是可控的，这就是传统材料中所没有的“被控性”。 材料的“被控性”是与材料的“结构性”、“轻质性“和“可加工性”同样重要的因素。材料的被控性取决于材料的轻质性、抗振性和弹性。工业机器人本体材料必须与材料的结构性、轻质性、刚性、抗振性和工业机器人整体性能一同考虑到。工业机器人常用材料包括：碳素结构钢和合金结构钢、铝，铝合金及其他轻合金材料、纤维增强合金、陶瓷、纤维增强复合材料、粘弹性大阻尼材料，等。4主要机构部件的设计和选择近年来，工业机器人朝着智能化，标准化方向发展。

50、模块化工业机器人得到重视，它是由一些标准化、系列化的模块通过具有特定功能的结合部件，用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。目前，国内外已研制和生产了各种不同的标准组件，如伺服电机、步进电机、传感器、手臂、手腕、等；因此，在设计工业机器人时可选用标准模块；当然也可以自行设计一些专用部件。1在本课题中，装配工业机器人系统机械结构分为两个部分:固定部分和运动部分。固定部分包括底座、支架、主传动轴等。运动部分即装配工业机器人手臂部分,包括两个模块: 大小臂模组和 Z 轴模组。本课题”水平四自由度装配机器人的设计及其运动学和动力学仿真分析”主要就是针对装配工业机器人系统的运动部分展开研究。 大臂和小臂

51、模组的设计构思把工业机器人大臂和小臂作为一个模块,两臂之间由关节轴连接; 关节轴中部固定一只皮带轮,通过同步齿形带传递动力并带动小臂实现旋转作业；因为同步齿形带与皮带轮之间是过盈配合,所以有效地消除了传动间隙。而整个二连杆系统由固定于支架上的主轴驱动,主轴,支架及底座部分对工业机器人系统的运动特性影响很小;所以对工业机器人手臂系统进行设计时主要考虑此二连杆机构的运动特性。2.1.1.1 关节工业机器人中连接运动部分的机构称为关节（Joint）,关节有转动型和移动型，分别称它为转动关节和移动关节。10一、 转动关节（Rotary Joint）就是关节型工业机器人中被称为“关节”的连接部分，它既连

52、接各机构，又传递各机构间的回转运动（或摆动），用于基座与臂部、臂部之间、臂部和手等连接部位上。关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。关节和驱动机构的连接方式有多种，因此转动关节也有多种形式。1、转动关节的形式主要包含如下几种：a驱动机构和回转轴同轴式；b驱动机构与回转轴正交式；c外部驱动机构驱动臂部的形式；d驱动电机安装在关节内部的形式；2、轴承用于转动关节的轴承有多种形式。工业机器人中轴承起着相当重要的作用，主要采用滚动轴承，最常用的有薄壁密封型球轴承。另外，还有一种能承受径向载荷、轴向载荷和扭矩的交叉滚子轴承（Cross roller bearing）。该轴承承载能力大，常用在摆动或转动关节上

53、。二、 移动关节（Slide Joint）由直线运机构和在整个运动范围内起导向作用的直线导轨部分（Linear motion guide）组成。本课题中的机械关节结构全部使用转动关节。2.1.1.2 工业机器人手臂图1二连杆模组简图Fig1two-rodmodalsimplefigure工业机器人手臂的结构形式必须根据工业机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑手臂的受力情况、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计工业机器人手臂时一般要注意下述问题：1.承载能力足:手臂是支撑手腕的部件,设计时不仅要考虑抓取物体的重量,还要考虑运动时的动载荷。2.刚度

54、高:为防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大,空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多,所以常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支承板。3.导向性能好,动作迅速、灵活、平稳,定位精度高。为防止手臂在直线运动中,沿运动轴线发生转动,应设置导向装置,或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高,定位前惯性力引起的冲击也就越大,运动既不平稳,定位精度也不高。因此,除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外,同时要采用一定形式的缓冲措施。4.重量轻、转动惯量小。为提高工业机器人的运动动速度,要尽量减少臂部运动部分的重量,以减少整个手臂对回

55、转轴的转动惯量。5.合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到工业机器人的强度、刚度和承载能力,而且还直接影到工业机器人的外观。11Z 轴模组的设计构思Z 轴整体做为另一个模块,具有两个自由度:手腕绕 Z 轴的旋转运动和手腕沿 Z 轴的直线运动。在对工业机器人手臂做运动学和动力学仿真分析时, Z 轴模组可以做为载荷施加在小臂的前端, 所以对工业机器人手臂做运动学和动力学分析主要是考虑二连杆机构的运动特性。但是腕部做为为臂部与手部的连接部件,起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕按自由度个数可分单自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用几个自由度的手腕应根据机器人的工作性能来确

56、定。在很多情况下，腕部具有二个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。在一些特殊情况下，手腕还有直线移动的自由度。设计腕部时，一般要注意以下问题：1结构紧凑，重量轻。2动作灵活，平稳，定位精度高。3强度，刚度高。4设计合理的手臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。由于 Z 轴模组目前在业界已经实现标准化,采用已经标准化生产的模块,可以保证 Z轴模块质量更轻、精度更高、寿命更长、价格更低。所以在本课题中，腕部的设计采用标准化的 Z 轴模组，它具有回转和直线移动两个自由度。图2Z轴模组简图Fig2Zaxismodalsimplefigure 装配工业机器人的外形尺寸和工作空间依如上水平四自由

57、度装配工业机器人的设计构思,设计出的 2 维装配草图及工作空间示意图如下图所示;120001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:伺服电机 1光电编码器 1步进电机 1滚珠丝杆花键步进电机 2光电编码器 2伺服电机 2图3装配工业机器人的装配图Fig3AssemblyfigureofAssemblyrobot图4装配工业机器人的工作空间图Fig4AssemblyfigureofAssemblyrobot 水平四自由度装配工业机器人的机械结构方案设计工业机器人手臂是装配工业机器人的关键部分,工业生产中要求装配工业机器人手臂能实现高速、高精度运动。具体设计要求如 2.1 所

58、述。本课题中，根据预先拟定的参数，针对各细部结构设计如下： 第一关节结构设计:图5第一关节结构图13A001:A002:A003:0008:传动轴 1大臂支架交叉滚子轴承如图 3 装配工业机器人的装配图, 图 5 第一关节结构图所示,伺服电机 1 轴端安装皮带轮, 传动轴 1 下轴端也安装皮带轮; 伺服电机 1 通过时规皮带驱动传动轴 1 转动。大臂固定在传动轴 1 上,因此大臂随传动轴 1 转动,同时绝对式光电编码器 1 同步记录大臂的转位数值,并反馈如上数值至控制系统。传动轴 1 两端的交叉滚子轴承可以承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷;具有高刚性,最适合于工业用机器人的关节

59、部或旋转部。 第二关节结构设计:A004: 传动轴 2A005: 小臂0009: 交叉滚子轴承图6第二关节结构图如图 6 第二关节结构图所示,伺服电机 2 驱动传动轴 2 转动,小臂通过平键与传动轴 2连接,而传动轴 2 固定在大臂端部; 伺服电机 2 轴端安装皮带轮, 传动轴 2 中间部分也安装皮带轮; 伺服电机 2 通过时规皮带驱动传动轴 2 转动。传动轴 2 转动,同时绝对式光电编码器 2 同步记录小臂的转位数值,并反馈如上数值至控制系统。传动轴 2 两端安装交叉滚子轴承以承受径向负荷、轴向负荷及力矩负荷等所有方向的负荷。7 第三、第四关节结构设计:为了降低成本、提高精度,在设计中第三、

60、四关节采用了标准的工业机器人 Z 轴模组-THK 滚珠丝杆花键 BNS1015。Ball bearing spline nutBall bearing screw nut图7Z轴模组-滚珠螺杆花键Fig7Zaxismodal-ballbearingscrewspline14当滚珠花键螺母旋转时,螺杆绕 Z 轴做360旋转;螺母外侧安装皮带轮,利用同步齿形带传动,由步进电机驱动。当滚珠螺杆螺母旋转时,螺杆沿 Z 轴做上下运动;螺母外侧安装皮带轮,利用同步齿形带传动,由步进电机驱动。螺杆的端部可以安装各种夹手,以实现所需要的功能。 本章小节本章对水平四自由度装配工业机器人的功能需求及作业环境进行分