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1、.word可编辑. 低负荷六轴工业机械手的设计与仿真摘 要随着我国工业生产自动化进程的加速,工业机械手的使用变得更加普遍.本文结合机器人技术和虚拟样机技术,实现对机械本体的设计与优化、静力学仿真和样机的底层算法设计.首先,针对机器人技术和ABB、KUKA低负荷类工业机械臂实例进行大量知识储备和学习研究,确定多项设计参数,确定总体设计方案、传动方案.其次,根据设计的参数和方案,利用Solidwork软件以自上而下建模方式构建虚拟样机,并实现完整的装配、约束、材质设定、工艺参数设定.再次,根据三维模型利用MATLAB仿真出末端的工作范围,并对设计参数进行优化.根据新的参数确定电机、减速器设计参数,
2、并利用Simulation插件对模型关键部件做应力和变形分析,实现模型再优化.最后在优化后的模型基础上,建立各个连杆对应的坐标系,完成虚拟样机的位姿描述,建立D-H方程, 实现末端与底座的位姿变换.根据D-H算法推算运动方程的解.关键词：虚拟样机技术；六轴工业机械手；优化设计；静力学仿真；D-H算法；逆解The Design and Simulation of Low-Payload 6-DOF Industrial Arm ABSTRACTAlong with the acceleration of the process industrial automation, industrial
3、arms are utilized widely. In this paper, robotics and virtual prototyping technology were applied to finish the mechanical design and optimization, the statics simulation and the underlying algorithm design.Firstly, I prepared the knowledge of robotics technology and a lot of low-payload examples of
4、 ABB and KUKA industrial arms to determine the design parameters, the general design and the mechanical transmission scheme. Secondly, according to the design parameters, I built the model with Solidworks in top-down approach and finished the assembly, constraints, material setting and process param
5、eters setting. Thirdly, MATLAB were applied to draw the scope of locus of the arm extremity to optimize the design parameters. The correct servo motor and decelerator were choose according to the new parameters. The stress and deformation analysis were finished with Simulation component to finish th
6、e optimization. Finally, the joint coordinates of each link were built to complete the description of the position and orientation of virtual prototype with the optimized model. D-H Algorithm were used to achieve the ends and the base transformation to calculate solutions of the movement equation.Ke
7、y words：Virtual Prototyping Technology; Six-Axes Industrial Arm；Optimized Design; Static Simulation; D-H Algorithm; Inverse Solution. 专业.专注 .目 录前 言21 绪 论31.1工业机械手简介31.2工业机械手选题背景31.3工业机械手研究意义61.4研究内容62. 低负荷六自由度工业机械手方案设计72.1机械手设计定位72.2机械手设计方案准备72.2.1与机械手有关的概念82.2.2机械手分类82.2.3传动方案设计112.4确定设计参数123. 样机设计
8、与优化143.1虚拟样机技术简介143.2 Solidworks软件及其插件介绍143.3机械手方案设计与分析153.3.1 初步建立机械手模型153.3.2传动部分的计算193.4电机与减速器的选择213.5机械手结构分析与优化233.5.1静应力分析233.5.2有限元分析与结构优化253.6机械手轨迹优化284. 基于MATLAB的六自由度机械手运动学方程求解294.1确定D-H坐标系304.2确定广义连杆坐标系的连杆参数304.3建立六自由度机械手数学模型314.4六自由度机械手求解314.4.1机械手位姿描述与转换基础324.4.2机械手运动分析334.4.3求解机械手的逆解355.
9、 总结与展望36参考文献37附 录38致 谢39低负荷六轴工业机械手设计与仿真前 言工业自动化经过最近40多年的迅速发展,许多工业发达国家都开始广泛地采用工业机械手和自动化生产线,工业机器人技术作为先进制造业的典范,已成为一个国家制造业和科技水平的重要标志.通过查阅王兴松教授大量机器人技术教学视频和熊有伦教授早年大量文献资料和对机器人技术进行更加系统性的学习,通过对新松、ABB和KUKA多种型号的工业机械手的学习与分析,对国内外机器人现状有了比较深入的认识和详细的了解.在这样的基础上,结合低负荷通用六自由度工业机械手的设想,实现六自由度机械手方案创成、模型设计、静力学分析、仿真优化、底层算法设
10、计.由于作者水平有限的,难免有错误和遗漏指正,请多多指正. 1 绪 论1.1工业机械手简介工业机械手可以模仿人的手臂,而且能够实现各种工业作业任务.这种具有多关节连结结构并允许在平面内或者三维空间进行运动或使用线性位移移动的机器人系统,由机械手部分、控制器部分、伺服系统部分、感应器部分构成,由控制系统根据作业需求设定指令动作,完成工业作业任务,其中六自由度工业机械手是最典型、应用广泛的工业机械手之一. 图1-1为KUKA公司的KR 16-2 CR机械手, KR 16-2用处广泛、操作灵便,几乎可以应用于全部行业的作业任务,比如物料的搬运与装卸、零件的安装、工件的装夹、原料的置入、部件的固定、物
11、料的分拣、尺寸的测量和检测等,该机械手是典型的低负荷(5kg-16kg)通用六自由度机械手.图1-1 KUKA公司KR 16-2 CR机械手1.2工业机械手选题背景经过20世纪80年代初的工业机械手产品化历程,许多工业发达国家都开始广泛地采用工业机械手和自动化生产线, 在车辆工业、弱电和强电工业、机械加工工业、塑胶加工工业、食品加工、物流分拣运输等领域都得到广泛的使用,工业机器人技术作为先进制造业的典范,已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志.截止2008年年底,全世界已经100万台左右不同类型的工业机械手. 国际机器人联合会(IFR)在2014年3月的报告披露,2013年全球机器人
12、销售量168000台,是空前纪录的销售量.1随着新兴应用领域的不断发展,预计到2015年需求量如图1-2所示将达到 210000台.目前世界上工业机械手拥有量最多国家是日、美和德,这三个国家所安装的工业机器人占全世界安装数目的50%以上,其中汽车工业是工业机器人需求最为强劲的行业,在亚洲紧随其后的是电子与电气工业,在欧洲排在第二位的是橡胶和塑料行业2.图1-2 全球机器人新装机量及预测与此同时,我国工业机器人密度较低,如图1-3根据IFR数据显示,仅为25%,低于世界平均水平55%.随着我国制造业的升级、人口老龄化趋势和全球机器人产业的强劲发展,中国将成为工业机器人行业发展最快的地区,其年销售
13、额约占全球市场的20%,增速或达30%.图1-3 全球制造业工业机器人密度2012年,我国60岁以上人口比例已超过9.4%,接近80年代的日本,我国进入老龄化社会,与此同时,工人平均工资快速提升,数据显示2012年制造业人均工资3.6万,是2000年的4倍.长三角、珠三角地区频现用工荒,劳动力成本飙升和劳动力供应减弱也将推进我国工业机械手技术推广。随着我国制造业大国地位的确立和巩固,工业机器人需求必将日益增加.我国拥有200多个专业机器人研发机构, “九五”期间,国家“863”计划确立以新松为龙头的智能机器人主题产业化基地.除此之外大连组台机床所、东风汽车公司等单位也在从事活跃的机器人技术项目
14、.此外,科研机构和大学的研发工作也在进行.但是相对于技术领先、实力雄厚的安川、发那卡、酷卡、ABB,研发实力突出的川崎、现代重工、科马、不二越、松下,我国的新松、博实、首钢莫托曼(合资)等公司就显得创新不足、技术短缺.图1-4 国内机器人竞争格局近几年,我国工业机器人相关产品的年产销额已过十亿.我国的机器人研究与应用已经拥有一定的基础,但是我们在技术、研发、数量上都有巨大差距.如图1-4所示,我国在运行的工业机器人中,本土企业的销售额仅有4%.随着国家工业结构的调整和战略转型,对工业机器人系统的需求越来越大,我国的机器人工业会面对新机遇和新挑战,因此我们需要看准方向、增加对机器人技术的研发、投
15、入和政策扶持,自主发展机器人技术,解决产业化前期的关键技术、形成具有竞争实力的产业链条.积极推进我国工业自动化进程. 1.3工业机械手研究意义提高自动化程度.工业机械手可以用来取代或帮助人们实现各种重复性作业,取代工人实现抓、握、按、拉插、挫、磨、刨等动作,实现了零件的运送、焊接、喷涂、装配的自动化,从而大大提高了工程的自动化程度.改善劳动条件,避免作业事故.在繁重、危险、恶劣的生产环境下,例如高温、高压、低温、低压、辐射、噪声、有毒的环境中,工业机械手可以部分或者全部取代工人的作业,减少环境对人体的伤害,同时避免因疲劳和疏忽造成的人身伤害事故.减轻人力劳动,提高生产效率.在机械加工工业、化工原料生产、包装、输送、土建工程、极端环境作业、凿岩采矿、食品加工等许多领域工业机械手被广泛使用,利用机械手取代人力劳动可以在一方面减少工业生产环节人的参与,另一方面,由于机械手可以持续24小时作业,便于生产控制,从而大大提高生产效率.低负荷的工业机器人在工业生产,特别是劳动密集型工业中,应用最为广泛.ABB、KUKA都有大量低负荷工业机械臂系列
