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機(jī)械制造自動(dòng)化論文I機(jī)械制造自動(dòng)化論文專業(yè)機(jī)械制造及其自動(dòng)化機(jī)械制造自動(dòng)化論文II摘要本設(shè)計(jì)以水平四自由度裝配機(jī)器人大小手臂為研究對(duì)象，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用UG的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真功能，對(duì)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。仿真分析結(jié)果可以指導(dǎo)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整零件的材料的選擇。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)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(jī)器人整體的模型，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(duì)水平二連桿機(jī)器人大小手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究。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UG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。以上信息的取得對(duì)于機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)可以起到支持作用。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；仿真機(jī)械制造自動(dòng)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(jī)械制造自動(dòng)化論文IV目錄第一章緒論-11.1工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概括-11.1.1工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概況-11.1.2世界工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況-11.1.3我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況及主要研究?jī)?nèi)容-31.2虛擬樣機(jī)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(jī)器人的總體設(shè)計(jì)情況-122.1水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案-122.1.1總體設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思-122.1.2大臂和小臂模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思-162.1.3Z軸模組的設(shè)計(jì)構(gòu)思-182.2裝配工業(yè)機(jī)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)-202.3.1第一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-202.3.2第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-212.3.3第三、第四關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-22第三章水平四自由度裝配工業(yè)機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析-294.1在X-Y平面內(nèi)建立二連桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模型-294.2二連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-304.2.1二連桿機(jī)構(gòu)在X-Y平面內(nèi)的空間示意圖-30機(jī)械制造自動(dòng)化論文V4.2.2二連桿機(jī)構(gòu)在X-Y平面內(nèi)位置和姿態(tài)的數(shù)學(xué)描述-304.2.3齊次坐標(biāo)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析-324.4.1機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)-324.4.2機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)-324.5運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析-334.5.1廣義坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)曲線-364.5.2速度約束方程和時(shí)間的函數(shù)曲線-364.5.3加速度約束方程和時(shí)間的函數(shù)曲線-37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-375.1二連桿機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)方程的建立方法-385.1.1速度的計(jì)算-385.1.2動(dòng)能的計(jì)算-395.1.3動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)-405.2二連桿機(jī)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)力學(xué)仿真-415.2.1二連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)能變化關(guān)系-425.2.2二連桿機(jī)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(xiàn)-47機(jī)械制造自動(dòng)化論文1第一章緒論1.1工業(yè)機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)和發(fā)展概況1.1.1工業(yè)機(jī)器人技術(shù)概況工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)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)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。虛擬樣機(jī)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(jì)算機(jī)上對(duì)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)（VirtualPrototype），并對(duì)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。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。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。1.1.2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)合起來的機(jī)械制造自動(dòng)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(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，60年代工業(yè)機(jī)器人發(fā)展較慢；進(jìn)入70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(cè)，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(chǎng)前景2看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)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(chǎng)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(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(zhǎng)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8.7萬臺(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(zhǎng)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(zhǎng)率平均在10左右。2004年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的20。其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)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)