新型裝夾工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
大摘要
隨著中國老齡化日益嚴(yán)重，用工荒越演越烈，很多企業(yè)都難以招聘足夠的技術(shù)操作工人。企業(yè)對(duì)裝備自動(dòng)化的要求越來越迫切。自動(dòng)化生產(chǎn)線的核心裝備是機(jī)械手。目前，通用型工業(yè)機(jī)械手的研發(fā)設(shè)計(jì)主要是歐美和日本的一些企業(yè)，例如ABB、KUKA、MotoMan，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人起步晚，目前基本還沒有可以批量生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)。
本文根據(jù)企業(yè)的要求，提出了通用型工業(yè)機(jī)器人的解決方案。研究了國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)，分析了本文設(shè)計(jì)的意義，給定了本文的總體方案設(shè)計(jì)。
本文從鑄造類企業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款PUMA型的工業(yè)機(jī)械手。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，基于UGNX6本文自上而下的設(shè)計(jì)了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)、機(jī)械手的控制系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，著重從機(jī)械手結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜剛度對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了深入的研究，提出了一套可行的設(shè)計(jì)方案。
本文首先設(shè)計(jì)了機(jī)械手的腕、小臂、大臂、腰身的結(jié)構(gòu)，利用UG對(duì)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，利用MSC.ADAMS/VIEW對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了仿真，虛擬測(cè)試了各個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力矩，依次設(shè)計(jì)了各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)形式，并對(duì)其進(jìn)行了整體的動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證。
本文對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了深入的研究。選取了適合本設(shè)計(jì)的研究方法有限元理論，基于NX.NASTRAN利用有限元對(duì)大臂和小臂進(jìn)行了梁的擾度分析，對(duì)大臂和小臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形分析，最終給出了在允差范圍以內(nèi)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)機(jī)械手的動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行了研究。由于大臂和小臂的跨度較長(zhǎng)，因此采用了多柔體動(dòng)力學(xué)理論作為基礎(chǔ)，利用UG和ANSYS對(duì)小臂和大臂對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，并將大臂和小臂的柔性化文件以.MNF文件輸出，在MSC.ADAMS中導(dǎo)入部件，將剛性件和柔性件配后加載負(fù)載進(jìn)行了剛?cè)狁詈戏治?，?duì)其模態(tài)導(dǎo)出為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本文對(duì)機(jī)械手的路徑和插補(bǔ)進(jìn)行了研究，利用D-H表示法給出了本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，給出了各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)，研究了機(jī)械手的正逆解。
本文設(shè)計(jì)了機(jī)械手控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，利用ACR9000和伺服控制系統(tǒng)構(gòu)建了機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件，并利用VC++和MATLAB引擎技術(shù)完成了機(jī)械手控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)機(jī)械手的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償分析實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)設(shè)定的條件，本文虛擬測(cè)試了機(jī)械手各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)力的大小，從夾持機(jī)構(gòu)到腰身完成了自頂向下的機(jī)械設(shè)計(jì)，選定了各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)形式及驅(qū)動(dòng)的具體產(chǎn)品型號(hào)。機(jī)械手的大臂和小臂的靜剛度測(cè)試結(jié)果，變形量并未超過許用值。同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)剛度測(cè)試，給出了大臂和小臂的7-20階模態(tài)頻率。本文給出了本機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的算法，并設(shè)計(jì)了計(jì)算軟件。本文機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程完整，目標(biāo)明確，數(shù)據(jù)具體真實(shí)，為樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
本文的創(chuàng)新性表現(xiàn)在多個(gè)方面。首先，腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)采用了液壓同步驅(qū)動(dòng)方式，減小了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)了夾持的自鎖性能，非常適合狹小空間運(yùn)動(dòng)的要求。其次結(jié)構(gòu)上重量大為降低，利用有限元和多體剛?cè)狁詈侠碚撛跈C(jī)械手的設(shè)計(jì)中，大大縮減了機(jī)械手本體機(jī)構(gòu)的重量。最后對(duì)于機(jī)械手的控制系統(tǒng)利用了一套電液伺服和交流伺服系統(tǒng)，減小了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)的重量和尺寸。
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手，具備體積小、重量輕，價(jià)格低廉，適合企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用，具有推廣價(jià)值。
本文的后續(xù)工作將開展對(duì)PUMA型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的研究，提出滿足實(shí)時(shí)性要求的動(dòng)力學(xué)算法，開展對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能的虛擬測(cè)試，準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)器人工作過程中的慣量。同時(shí)，進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃的新方法的研究，提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的計(jì)算能力，開展對(duì)機(jī)器人插補(bǔ)運(yùn)算的研究，提出針對(duì)不同工況的插補(bǔ)算法。對(duì)于樣機(jī)，還需要開展具體的誤差補(bǔ)償分析。
關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)械手；虛擬樣機(jī)；有限元分析；剛?cè)狁詈希?MATLAB引擎；

New clamping industry manipulator design
Abstract

The situation of labor shaotage is more and more serious with population aging in China, and many enterprises are hard to enroll enough technological operation worker. So enterprises need more equipment automation. The core of automation is industrial manipulator. At present, most of enterprises witch can design and produce manipulators are in Europe and American and Japan for example ABB and KUKA and MotoMan. Civil manipulator industries are of later beginning, there are not enterprises can do mass production until now.
From demand of the enterprise, this paper proposes a solution of general industrial manipulator. This studies domestic and international development of status, and analyzes designing meaning, and give a general plan.
This paper devises an industrial manipulator PUMA according to needs of casting enterprise. Based on design requirement, this adopts top-down modeling design based on UGNX6, devises structures and transmission of manipulator, designs controller and motion control systems. This intensively studies static and dynamic stiffness of manipulator and do dynamic simulation verification.
This primarily devises structures of wrist and short arm and main arm and waist of the manipulator, dynamically simulates mechanics using MSC.ADAMS, virtually tests driving moment of joints, successively devises transmission systems of all joints, and dynamic simulates integrity.
Also this intensively studies structures and dynamics performance, selects suitable method called finite element method, analyses flexibility of main arm and short arm based on finite analysis of NX.NASTRAN, analyses deformation of main arm and short arm, ultimately devises mechanisms satisfied in allowance. This simultaneously do some research about dynamic rigidity. As span of main arm and short arm is too long, this bases on flexible multi-body dynamic theory, makes finite mesh generation based o..