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四自由度平面关节型机器人结构分析与优化

作　者: 张进伟
导　师: 柳洪义
学　校: 东北大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 平面关节型机器人 四自由度 运动仿真 Pro/E ANSYS
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 439次
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内容摘要


工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作,如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。它是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制理论、传感器技术、人工智能理论等科学技术理论的综合应用。机器人技术的研究与开发标志着一个国家科学技术的水平,而机器人在各种工业领域的普及应用,则显示了这个国家的经济和科技发展的综合实力。机器人技术是多学科的综合运用,在众多类型机器人中,平面关节型机器人在平面内的运动具有较大的柔性,沿升降轴的运动具有很强的刚性,非常适合应用于搬运、焊接和装配等重复性任务,因此在工业生产中得到广泛应用。本文以四自由度平面关节型机器人结构为基础,重点研究了四自由度平面关节型机器人结构分析与优化的问题。首先,以Pro/E软件为基础,对平面关节型机器人总体结构进行设计。在结构设计过程中详细讨论多种设计方法、设计原理、以及设计过程中的要求与原则,通过对不同设计参数及结构进行对比分析得出最优的设计结构与尺寸。在同样的工作空间内完成相同动作时,针对其它四自由度平面关节型机器人结构进行分析对比,分析了不同结构参数对机器人动态运行的影响,为机器人设计者提供参考。这种在具体设计之前预先给出不同设计结构之间优缺点的方法能够使设计者根据任务的要求选择机器人的结构和参数,减少设计过程中不必要的重复工作。其次,对机器人进行运动学仿真分析以及结构优化。经过虚拟仿真可以检查机器人设计的合理性,以及观察机器人结构在运动过程中的相互干涉性,并在ANSYS软件中建立各臂模型,进行位移、应力、模态分析,从中选择最优的结构,进而确定本体设计和验证设计方案的合理性。最后,通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较,根据系统对快速响应、平稳工作的要求,对平面关节型机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行计算选择,从而机器人系统设计达到最优。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章 绪论  11-20
  1.1 课题研究的背景与意义  11-12
  1.2 国内外机器人发展现状  12-13
  1.3 工业机器人特点及分类  13-16
    1.3.1 工业机器人特点  13-14
    1.3.2 工业机器人分类  14-16
  1.4 工业机器人的构成及应用  16-18
    1.4.1 工业机器人构成  16-17
    1.4.2 工业机器人技术参数  17-18
    1.4.3 工业机器人的应用  18
  1.5 本论文研究的基本内容  18-20
    1.5.1 机器人本体结构设计  19
    1.5.2 机器人系统动态优化设计  19
    1.5.3 机器人结构CAE分析  19
    1.5.4 伺服系统选择  19-20
第二章 机器人本体设计  20-36
  2.1 机械系统的设计  20-26
    2.1.1 CAD软件Pro/E概述  20-23
    2.1.2 机器人结构设计的主要坐标式  23-24
    2.1.3 机器人本体设计原则  24-26
  2.2 机器人结构设计与优化  26-36
    2.2.1 机身的设计与优化  26-27
    2.2.2 臂1的设计与优化  27-30
    2.2.3 臂2的设计与优化  30-32
    2.2.4 臂3的设计与优化  32-35
    2.2.5 机械手设计与优化  35-36
第三章 机器人虚拟仿真与运动学分析  36-48
  3.1 机器人组件装配  36-39
    3.1.1 机身与臂1虚拟装配  36-37
    3.1.2 臂1与臂2虚拟装配  37
    3.1.3 臂2与臂3虚拟装配  37-38
    3.1.4 机械手虚拟装配  38
    3.1.5 机器人模态的整体总装  38-39
  3.2 虚拟仿真  39-43
  3.3 机器人的运动学分析  43-48
    3.3.1 机器人齐次坐标系的建立  43-45
    3.3.2 机器人正运动学分析  45-46
    3.3.3 机器人逆运动学分析  46-48
第四章 机器人结构CAE分析  48-59
  4.1 机器人有限元分析原理  48-52
    4.1.1 形状函数  48-49
    4.1.2 单元刚度矩阵  49-51
    4.1.3 单元节点位移  51
    4.1.4 系统固有频率  51-52
  4.2 机器人双臂的ANSYS有限元分析  52-59
    4.2.1 ANSYS有限元分析的特点  52
    4.2.2 机器人臂1ANSYS有限元分析  52-55
    4.2.3 机器人臂3ANSYS有限元分析  55-59
第五章 伺服系统选择设计  59-66
  5.1 步进电机和交流伺服电机性能比较  59-60
  5.2 机器人驱动方式  60-61
  5.3 各关节传动方式与驱动原件选择  61-65
    5.3.1 各关节驱动方式选择  61-62
    5.3.2 各关节驱动原件的选择  62-65
  5.4 交流伺服电机控制原理  65-66
第六章 结论  66-67
参考文献  67-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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