本科毕业论文---五轴机器人主体结构设计及运动仿真.doc
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1、五轴机器人主体结构设计及运动仿真摘要工业机器人是一种集多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装 备,随着科学与技术的发展,工业机器人的应用领域也在不断扩大。虽然近年来我国工业机器人的需求量逐年增加,但目前国产的机器人大多还需要进口,这与我国快速的发展的工业水平不相适应。本文以FESTO柔性生产线装配工作站的三菱工业机器人为基础,针对五轴工业机器人的主体结构进行设计,其中包括各运动关节电机和传动机构的选型设计;机器人主体机构三维建模;机器人关键零部件的三维建模和工程图绘制;通过机器人手腕、前臂、后臂、立柱和底座这几部分的结构设计及运动仿真,探讨在solidworks软件环境下, 建立了机械
2、手臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟和干涉检查,并运用solidworks的motion模块进行机械手臂的运动仿真,实现Solidworks软件环境下机械手臂的虚拟设计。本设计的工业机器人采用交流伺服电机及带传动的工作方式,机器人传动环节减少,结构简单,提高了系统的精度,减少维护工作量,同时也简化了生产工艺,降低了生产成本。关键词:工业机器人、结构设计、仿真模拟、solidworksIV五轴机器人主体结构设计及运动仿真AbstractThe industrial robot is a set of advanced technologies in the integration of mul
3、tidisciplinaryimportant modern manufacturing equipment, with the development of science and technology, theindustrial robot applications are constantly expanding. Although in recent years the demand robot ofour country increases year by year, but at present homebred robot also need to be imported, a
4、nd thisdoes not suit to Chinas rapid industrial development level.This paper is based on the Mitsubishi industrial robot of FESTO flexible manufacture systemassembly workstation based on five axis robot, structure design, including the movement of eachjoint motor and transmission mechanism design of
5、 the robot body mechanism; 3D modeling; robotkey parts of the 3D modeling and engineering drawing; through the robot wrist, forearm, arm acolumn and a base, the parts of the structure design and the movement simulation, discusses in theSolidWorks software environment, to establish a mechanical arm o
6、f the 3D solid modeling, virtualassembly, dynamic simulation and interference check, and by using the SolidWorks motion modulefor mechanical arm movement simulation, implementation of Solidworks software environment forvirtual design of mechanical arm. The design of the industrial robot driven by AC
7、 servo motor andbelt transmission mode, the robot transmission link is reduced, and has the advantages of simplestructure, improve the precision of the system, reduces the maintenance workload, but also simplifiesthe production process, reduce the production cost.Key words: industrial robot, structu
8、re design, simulation, SolidWorksV五轴机器人主体结构设计及运动仿真目录第一章 绪 论 .1 1.1 选题背景 .11.2 国内外研究综述 .21.3 研究现状 .41.4 研究意义 .7第二章 设计选型 .8 2.1 机构选型 .82.1.1 运动机构 . 8 2.1.2 传动机构 .10 2.1.3 控制机构.11 2.2 电机选型 .13第三章 机械部分设计 .18 3.1 设计内容 .183.1.1 机器人手腕设计 .183.1.2 机器人前臂设计 .203.1.3 机器人后臂设计 .223.1.4 机器人立柱设计 .243.1.5 机器人底座设计 .2
9、7 第四章 机器人装配及运动仿真 .294.1 机器人装配 .294.2 机器人运动仿真 .42第五章 市场前景 .445.1 市场分析 .44第六章 总结与展望 .456.1 总结 .456.2 展望 .45致 谢 .46参考文献 .47VI五轴机器人主体结构设计及运动仿真第一章 绪 论1.1 选题背景工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。我国工业机器人研究开始于20世纪80 年代中期,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,已经基本实现了实验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展1。但随
10、着我国门户的逐渐开放, 国内的工业机器人产业面临着越来越大的竞争与冲击。虽然我国机器人的需求量逐年增加,但目前生产的机器人还很难达到所要求的质量,很多机器人的关键部件还需要进口。所以目前来说,我国还处在一个机器人消费型的国家。我国现有的机器人研究开发和应用的工程单位超过200家,其中从事工业机器人研究和应用的超过80 家。基本掌握了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,开发出弧焊、点焊、装配、搬运等机器人,目前生产的各类工业机器人中有90%以上用于生产中2。近年,我国机器人市场保有量将增至48600 台,年销售额约90 多亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程
11、和工业机器人产业化发展趋势预测,到2015 年,我国机器人市场容量将达十几万台套3。现代制造业中, 自动化程度要求非常高, 各种机械手臂在现代自动化生产线中扮演着十分重要的角色。例如, 挖掘机本身就是一个液压驱动的机械手臂、汽车生 产 过 程 中 的 喷 漆 机 器 人 、 海 洋 水 下 生 产 系 统 安 装 时 用 到 的 ROV(RemotelyOperated Vehicles)等, 各种设备中机械手臂的设计成为关键技术4。在机械手臂的设计及控制过程中, 机械手臂的运动轨迹及作业空间是关键的参数, 目前求解的方法主要有解析法、图解法、数值法等。解析法表达式过于复杂,直观性不强, 不适
12、于工程实际应用;图解法采用正投影原理, 把机械手的作业空间问题转化为平面几何问题来处理, 得到的是作业空间的各类剖截面或剖截线。这种方法直观性强, 但受到自由度数目的限制, 当关节数较多时图解过程就变得非常复杂, 必须进行分组处理;数值法首先计算机械手作业空间边界曲面上的特征点,然后用这些点构成的线表示机械手的边界曲线, 最后用这些边界曲线构成的面来1五轴机器人主体结构设计及运动仿真表示机械手的边界曲面, 此方法通用性强,但计算量非常大5。本文以五自由度机械手臂为例, 探讨在solidworks软件环境下, 建立机械手臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟、干涉检查, 并运用solidworks
13、的motion模块进行机械手臂的运动仿真, 以期仿真出机械手臂的运动轨迹及作业空间, 实现Solidworks软件环境下机械手臂的虚拟设计。1.2 国内外研究综述随着工业机器人发展的深度和广度, 以及机器人智能水平的提高,工业机器人已在众多领域得到了应用。自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人以后,工业机器人就显示出它极大的生命力,在短短50 年的时间中,工业机器人技术得到了迅速的发展6。目前,工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中,弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、
14、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高,功能也越来越强,正在向着成套技术和装备的方向发展7。随着科学与技术的发展, 工业机器人的应用领域也不断扩大。目前也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。如,水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人。即工业机器人的应用向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化扩展8。随着人们生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩, 未来的机器人将为提高人类的生活质量发挥越来越重要的作用。在国内,工业机器人产业势头十分强劲。首先是我国汽车工
15、业的高速发展,对汽车制造装配提出了大量的需求。2000 年开始,受国家宏观调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业发展进入了一个历史性的高速增长期9。针对这种局面,国内汽车自主品牌生产厂家纷纷加大研发和投资力度。工业机器人是汽车生产中的一种主要的自动化设备, 在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷漆、搬运、涂胶等工艺中有大量应用,整个行业的增产扩能增加了对工业机器人的需求。除了汽车行业,IT 行业、材料处理等行业的发展也给工业机器人发展提供者巨大的动力。2五轴机器人主体结构设计及运动仿真其次是我国的劳动力成本的变化。随着我国经济持续的增强,劳动力供应格局已经开始发生变化。劳动力由供远大于求向供求
16、平衡发展, 工人对薪资和工作条件提出了更高的要求。这种转变促使企业认识到必须通过改进机器设备,提高技术和资金的密集度以尽量减少用工量, 其中工业机器人成为应对这一转变的主要手段10。最后是提高产品质量的需求。持续的经济强劲增长,尤其是对外出口以及国内外资企业对质量的严格要求, 逼迫产业界开始重视工业机器人在提高生产效率同时提高产品质量中所起的巨大作用。所以近年来许多企业越来越重视生产中工业机器人的使用,从而提高了企业的竞争力。近年来,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
17、些行业与制造业相比,其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性,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11。(1)水下机器人:美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采,海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面,形成了有缆水下机器人(remote operated vehicle)和无缆水下机器人(autonomous under water vehicle)两大类。(2)空间机器人:空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大
18、等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojourner等。Sojourner是一辆自主移动车,重量为11.5kg,尺寸480630mm,有6个车轮,它在火星上的成功应用,引起了全球的广泛关注。(3)核工业用机器人:国外的研究主要集中在机构灵巧,动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手,以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统,如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器,加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统,德国的C7灵巧手等。(4)地下机器人:地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为:机械结
19、构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人,各种采机器人及自动化系统正在研制中。3五轴机器人主体结构设计及运动仿真(5)医用机器人:医用机器人的主要研究内容包括:医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科(telepresence surgery)的研究,用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科(telematics)计划、袖珍机器人(biomed)计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究,并已
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