低負荷六軸工業(yè)機械手的設計與仿真 - 圖文-

1、低負荷六軸工業(yè)機械手的設計與仿真摘要隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化進程的加速,工業(yè)機械手的使用變得更加普遍.本文結合機器人技術和虛擬樣機技術,實現(xiàn)對機械本體的設計與優(yōu)化、靜力學仿真和樣機的底層算法設計.首先,針對機器人技術和ABB、KUKA低負荷類工業(yè)機械臂實例進行大量知識儲備和學習研究,確定多項設計參數(shù),確定總體設計方案、傳動方案.其次,根據(jù)設計的參數(shù)和方案,利用Solidwork軟件以自上而下建模方式構建虛擬樣機,并實現(xiàn)完整的裝配、約束、材質(zhì)設定、工藝參數(shù)設定.再次,根據(jù)三維模型利用MATLAB 仿真出末端的工作范圍,并對設計參數(shù)進行優(yōu)化.根據(jù)新的參數(shù)確定電機、減速器設計參數(shù),并利用Simulat

2、ion插件對模型關鍵部件做應力和變形分析,實現(xiàn)模型再優(yōu)化.最后在優(yōu)化后的模型基礎上,建立各個連桿對應的坐標系,完成虛擬樣機的位姿描述,建立D-H方程, 實現(xiàn)末端與底座的位姿變換.根據(jù)D-H算法推算運動方程的解.關鍵詞:虛擬樣機技術;六軸工業(yè)機械手;優(yōu)化設計;靜力學仿真;D-H算法;逆解The Design and Simulation of Low-Payload 6-DOF Industrial ArmABSTRACTAlong with the acceleration of the process industrial automation, industrial arms are ut

3、ilized 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 ABB and KU

4、KA 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 parameters setti

5、ng. 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 the optimizat

6、ion. 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.Key words:Vir

7、tual Prototyping Technology; Six-Axes Industrial Arm;Optimized Design; Static Simulation; D-H Algorithm; Inverse Solution目錄前言 (31.緒論 (41.1工業(yè)機械手簡介 (41.2工業(yè)機械手選題背景 (41.3工業(yè)機械手研究意義 (61.4研究內(nèi)容 (72. 低負荷六自由度工業(yè)機械手方案設計 (72.1機械手設計定位 (72.2機械手設計方案準備 (82.2.1與機械手有關的概念 (82.2.2機械手分類 (92.2.3傳動方案設計 (122.4確定設計參數(shù) (133. 樣

8、機設計與優(yōu)化 (143.1虛擬樣機技術簡介 (143.2 Solidworks軟件及其插件介紹 (153.3機械手方案設計與分析 (153.3.1 初步建立機械手模型 (153.3.2傳動部分的計算 (203.4電機與減速器的選擇 (213.5機械手結構分析與優(yōu)化 (243.5.1靜應力分析 (243.5.2有限元分析與結構優(yōu)化 (263.6機械手軌跡優(yōu)化 (294. 基于MATLAB的六自由度機械手運動學方程求解 (304.1確定D-H坐標系 (314.2確定廣義連桿坐標系的連桿參數(shù) (314.3建立六自由度機械手數(shù)學模型 (324.4六自由度機械手求解 (324.4.1機械手位姿描述與轉換

9、基礎 (334.4.2機械手運動分析 (344.4.3求解機械手的逆解 (365. 總結與展望 (37參考文獻 (39附錄 (40致謝 (46低負荷六軸工業(yè)機械手設計與仿真前言工業(yè)自動化經(jīng)過最近40多年的迅速發(fā)展,許多工業(yè)發(fā)達國家都開始廣泛地采用工業(yè)機械手和自動化生產(chǎn)線,工業(yè)機器人技術作為先進制造業(yè)的典范,已成為一個國家制造業(yè)和科技水平的重要標志.通過查閱王興松教授大量機器人技術教學視頻和熊有倫教授早年大量文獻資料和對機器人技術進行更加系統(tǒng)性的學習,通過對新松、ABB和KUKA多種型號的工業(yè)機械手的學習與分析,對國內(nèi)外機器人現(xiàn)狀有了比較深入的認識和詳細的了解.在這樣的基礎上,結合低負荷通用六自

10、由度工業(yè)機械手的設想,實現(xiàn)六自由度機械手方案創(chuàng)成、模型設計、靜力學分析、仿真優(yōu)化、底層算法設計.由于作者水平有限的,難免有錯誤和遺漏指正,請多多指正.1.緒論1.1工業(yè)機械手簡介工業(yè)機械手可以模仿人的手臂,而且能夠?qū)崿F(xiàn)各種工業(yè)作業(yè)任務.這種具有多關節(jié)連結結構并允許在平面內(nèi)或者三維空間進行運動或使用線性位移移動的機器人系統(tǒng),由機械手部分、控制器部分、伺服系統(tǒng)部分、感應器部分構成,由控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)需求設定指令動作,完成工業(yè)作業(yè)任務,其中六自由度工業(yè)機械手是最典型、應用廣泛的工業(yè)機械手之一.圖1-1為KUKA公司的KR 16-2 CR機械手, KR 16-2用處廣泛、操作靈便,幾乎可以應用于全部行

11、業(yè)的作業(yè)任務,比如物料的搬運與裝卸、零件的安裝、工件的裝夾、原料的置入、部件的固定、物料的分揀、尺寸的測量和檢測等,該機械手是典型的低負荷(5kg-16kg通用六自由度機械手. 圖1-1 KUKA公司KR 16-2 CR機械手1.2工業(yè)機械手選題背景經(jīng)過20世紀80年代初的工業(yè)機械手產(chǎn)品化歷程,許多工業(yè)發(fā)達國家都開始廣泛地采用工業(yè)機械手和自動化生產(chǎn)線, 在車輛工業(yè)、弱電和強電工業(yè)、機械加工工業(yè)、塑膠加工工業(yè)、食品加工、物流分揀運輸?shù)阮I域都得到廣泛的使用,工業(yè)機器人技術作為先進制造業(yè)的典范,已成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標志.截止2008年年底,全世界已經(jīng)100萬臺左右不同類型的工

12、業(yè)機械手. 國際機器人聯(lián)合會(IFR在2014年3月的報告披露,2013年全球機器人銷售量168000臺,是空前紀錄的銷售量.1隨著新興應用領域的不斷發(fā)展,預計到2015年需求量如圖1-2所示將達到 210000臺.目前世界上工業(yè)機械手擁有量最多國家是日、美和德,這三個國家所安裝的工業(yè)機器人占全世界安裝數(shù)目的50%以上,其中汽車工業(yè)是工業(yè)機器人需求最為強勁的行業(yè),在亞洲緊隨其后的是電子與電氣工業(yè),在歐洲排在第二位的是橡膠和塑料行業(yè)2. 圖1-2 全球機器人新裝機量及預測與此同時,我國工業(yè)機器人密度較低,如圖1-3根據(jù)IFR數(shù)據(jù)顯示,僅為25%,低于世界平均水平55%.隨著我國制造業(yè)的升級、人口

13、老齡化趨勢和全球機器人產(chǎn)業(yè)的強勁發(fā)展,中國將成為工業(yè)機器人行業(yè)發(fā)展最快的地區(qū),其年銷售額約占全球市場的20%,增速或達30%. 圖1-3 全球制造業(yè)工業(yè)機器人密度2012年,我國60歲以上人口比例已超過9.4%,接近80年代的日本,我國進入老齡化社會,與此同時,工人平均工資快速提升,數(shù)據(jù)顯示2012年制造業(yè)人均工資3.6萬,是2000年的4倍.長三角、珠三角地區(qū)頻現(xiàn)用工荒,勞動力成本飆升和勞動力供應減弱也將推進我國工業(yè)機械手技術推廣。隨著我國制造業(yè)大國地位的確立和鞏固,工業(yè)機器人需求必將日益增加.我國擁有200多個專業(yè)機器人研發(fā)機構, “九五”期間,國家“863”計劃確立以新松為龍頭的智能機器

14、人主題產(chǎn)業(yè)化基地.除此之外大連組臺機床所、東風汽車公司等單位也在從事活躍的機器人技術項目.此外,科研機構和大學的研發(fā)工作也在進行.但是相對于技術領先、實力雄厚的安川、發(fā)那卡、酷卡、ABB,研發(fā)實力突出的川崎、現(xiàn)代重工、科馬、不二越、松下,我國的新松、博實、首鋼莫托曼(合資等公司就顯得創(chuàng)新不足、技術短缺. 圖1-4 國內(nèi)機器人競爭格局近幾年,我國工業(yè)機器人相關產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已過十億.我國的機器人研究與應用已經(jīng)擁有一定的基礎,但是我們在技術、研發(fā)、數(shù)量上都有巨大差距.如圖1-4所示,我國在運行的工業(yè)機器人中,本土企業(yè)的銷售額僅有4%.隨著國家工業(yè)結構的調(diào)整和戰(zhàn)略轉型,對工業(yè)機器人系統(tǒng)的需求越來越大

15、,我國的機器人工業(yè)會面對新機遇和新挑戰(zhàn),因此我們需要看準方向、增加對機器人技術的研發(fā)、投入和政策扶持,自主發(fā)展機器人技術,解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術、形成具有競爭實力的產(chǎn)業(yè)鏈條.積極推進我國工業(yè)自動化進程.1.3工業(yè)機械手研究意義提高自動化程度.工業(yè)機械手可以用來取代或幫助人們實現(xiàn)各種重復性作業(yè),取代工人實現(xiàn)抓、握、按、拉插、挫、磨、刨等動作,實現(xiàn)了零件的運送、焊接、噴涂、裝配的自動化,從而大大提高了工程的自動化程度.改善勞動條件,避免作業(yè)事故.在繁重、危險、惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下,例如高溫、高壓、低溫、低壓、輻射、噪聲、有毒的環(huán)境中,工業(yè)機械手可以部分或者全部取代工人的作業(yè),減少環(huán)境對人體的傷害,同

16、時避免因疲勞和疏忽造成的人身傷害事故.減輕人力勞動,提高生產(chǎn)效率.在機械加工工業(yè)、化工原料生產(chǎn)、包裝、輸送、土建工程、極端環(huán)境作業(yè)、鑿巖采礦、食品加工等許多領域工業(yè)機械手被廣泛使用,利用機械手取代人力勞動可以在一方面減少工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)人的參與,另一方面,由于機械手可以持續(xù)24小時作業(yè),便于生產(chǎn)控制,從而大大提高生產(chǎn)效率.低負荷的工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn),特別是勞動密集型工業(yè)中,應用最為廣泛.ABB、KUKA都有大量低負荷工業(yè)機械臂系列產(chǎn)品.1.4研究內(nèi)容通過查閱大量教學視頻、文獻資料和對機器人技術的系統(tǒng)性學習,對國內(nèi)外機器人現(xiàn)狀有了比較深入的認識和詳細的了解.在這樣的基礎上,實現(xiàn)低負荷通用六自由度工

17、業(yè)機械手的設想,解決問題如下:(1六自由度機械手方案創(chuàng)成.首先根據(jù)低載荷的設計要求,查閱大量資料,參考技術參數(shù),完成低負荷六自由度機械手的設計參數(shù)、總體設計、傳動方案. (2樣機的設計.根據(jù)設計的參數(shù)和方案,基于 Solidworks自上而下建模方式構建樣機.(3樣機的仿真優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機仿真出末端的工作范圍,并對設計參數(shù)進行優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機的參數(shù)和設計參數(shù)確定電機、減速器設計參數(shù),并利用simulation插件對模型關鍵部件做應力和變形分析,對模型進行優(yōu)化.(4在完成的機器人結構的基礎上,建立各個關節(jié)對應的坐標系,完成虛擬樣機的位姿描述,建立D-H方程, 實現(xiàn)位姿變換.根據(jù)D-H算法確定

18、六軸機械手的位姿變換,對機械手進行運動學分析,并計算方程的正解和逆解.2. 低負荷六自由度工業(yè)機械手方案設計2.1機械手設計定位在我國工業(yè)生產(chǎn)過程中,大部分作業(yè)任務由人工完成,工作環(huán)境危險,勞動強度大、效率低,無法滿足競爭日益激烈的工業(yè)生產(chǎn)的要求,為了提高效率,降低成本,滿足現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,應該根據(jù)生產(chǎn)流程,結合生產(chǎn)線實際情況,利用工業(yè)機器人技術,實現(xiàn)部分或者全部作業(yè)的自動化.低負荷六自由度工業(yè)機械手尤其適用于負荷較輕的作業(yè),如搬運與裝卸、包裝與分揀、安裝、置入、裝夾、測量、檢測或檢驗、固定、部件檢測、打磨、拋光及粘接作業(yè),應用廣泛,適合大部分工廠的產(chǎn)品裝配、部件搬運、性能檢測等

19、流水線作業(yè)任務.基于以上結論,進行機械手的設計.2.2機械手設計方案準備工業(yè)機械手是完成工業(yè)領域作業(yè)任務的多關節(jié)自動執(zhí)行裝置,依靠自身控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各種功能.機械手的控制需要通過預先編排相應的程序和設置相應的傳感器來來實現(xiàn).本文主要討論機械手的機械部分設計優(yōu)化和運動控制過程中的底層控制算法.機械主體、驅(qū)動部分和控制部分三大基本功能模塊構成機械手.主體即機械手的基座和執(zhí)行機構,一般定義為機械手的臂部、腕部和手部,通用型機械手一般具有6個自由度,其中一般將三個自由度分配給臂部,三個自由度分配給腕部,手部一般通過氣動、電動、液壓等方式控制,且不計入總的自由度中.圖1-2為KUKA 公司ARC系列機械

20、手,該系列機械手主要用于實現(xiàn)自動焊接,屬于典型的腕部3個自由度,臂部3個自由度結構. 圖2-1 KUKA公司ARC HW VARIANT機械手2.2.1與機械手有關的概念自由度:桿件在沒有約束的狀態(tài)下可以沿著固接于其上的坐標系三個方向移動,也可以沿著三軸轉動,我們稱之為有6個自由度.工業(yè)機械手由多個關節(jié)連接,主要是移動和轉動,我們將主動關節(jié)的數(shù)量叫做機械手的自由度數(shù)目.由于剛體在空間內(nèi)有6個自由度,機器人要完成任意的空間作業(yè),也最少要有6個自由度.運動副:兩桿之間相對運動時,面接觸構成低副,線接觸或點接觸構成高副.如圖1-3所示,其中旋轉副、移動副和螺旋副具有1個自由度,圓柱副具有2個自由度,

21、平面副和球面副具有3個自由度.其中工業(yè)機械手最常用的關節(jié)種類是旋轉關節(jié)、移動關節(jié). 3 2.2.2機械手分類機械手分類的方法多種.(1按照機械手插補方式分類點位控制型:機器人被控制的運動形式是按照由一個位置目標向另一個位置移動.最常見的應用是點焊機器人.圖2-2 六種低副機構連續(xù)軌跡控制型:機器人的各個組成關節(jié)同時被控制,導致末端產(chǎn)生連續(xù)軌跡的曲線運動,并且需要各個關節(jié)獲得控制部分發(fā)出的角位移信號和角速度信息.最常見的應用是弧焊機器人.(2按照機械手坐標形式分類機械手前3關節(jié)起到定位作用.下面來討論這幾種不同組合類型的名稱.其中P表示移動關節(jié),R表示轉動關節(jié).表2-1 機械手形式機械手關節(jié)關節(jié)

22、關節(jié)旋轉關節(jié)數(shù)直角坐標系P P P 0圓柱坐標系R P P 1球坐標系R R P 2關節(jié)式R R R 3SCARA R R P 2 直角坐標系機械手,如圖2-3-a所示,這種機械手外形輪廓和數(shù)控鏜銑床或者三坐標測量儀相似,3個移動的關節(jié)相當于笛卡爾坐標系的X,Y,Z軸.這種結構的各個關節(jié)相互獨立,不耦合,運動學求解過程容易,無奇異狀態(tài);缺點是安裝過程中占地面積比較大,動作范圍小,掌控不靈活.圓柱坐標系機械手,是以(,z 組成的坐標系,末端p 的位置坐標是(,p f z =,其中是手臂的徑向長;是手臂繞水平方向旋轉的角度,z 表示垂直軸高.此種型號的機械手,占地小,結構簡單,如圖2-3-b 所示

23、,.球坐標系機械手,以(,y 為坐標,位置可以表示成(,p f y =,如圖2-3-c 所示,該種機械手空間定位簡單,手臂收回過程中容易與物體相碰,移動關節(jié)不宜保護.關節(jié)式機械手,這種機器人依靠肩關節(jié)和肘關節(jié)來定位,依靠腕關節(jié)定向,兩個肩關節(jié)用來旋轉和俯仰,如圖2-3-d 所示,.這種機構的優(yōu)點是控制靈活,工作范圍大,結構緊湊、占地少,干涉小,關節(jié)部位旋轉關節(jié)易密封,達到較好的防塵,機械手運動學較復雜 .進行控制時計算量比較大. 圖2-3六種不同坐標形式的機器人(a直角坐標機器人(b圓柱坐標機器人(c球坐標機器人(d多關節(jié)機器人e平面多關節(jié)機器人SCARA 機械手,常被稱為平面多關節(jié)機械手,其

24、結構特點是旋轉關節(jié)的軸線相互平行,其移動關節(jié)用來實現(xiàn)控制末端在垂直平面的位置,手腕參考點的位置由兩旋轉關節(jié)12,和移動關節(jié)z 決定,即12(,p f z =,如圖2-3-e 所示,該機械手的優(yōu)點是結構輕便、響應速度快,適合裝配過程中用來在平面內(nèi)完成打螺絲的工作.4(3按照機器人的驅(qū)動方式不同分類機械手按驅(qū)動方式可分為電動、液動和氣動.電氣驅(qū)動最常用,可使用的電機有交流伺服電機、交流伺服電機和交流伺服電機.對于要求高速和重載的搬運常采用液壓元件來驅(qū)動,可以實現(xiàn)平穩(wěn)大負載傳動.(4按照機器人的功能不同分類工業(yè)機械手可用于搬運、裝配、焊接、切削、噴涂等,可以依此分類.(5機器人控制方式差異分類集中控

25、制:在一臺計算機上完成所有的控制功能,可以降低成本但延遲時間長,反應不靈敏.主從控制:采用一級控制和兩級兩層處理器達到控制目的.總控制器運行管理、位姿變換、運動軌跡生成和系統(tǒng)診斷等程序;從控制器實現(xiàn)所有關節(jié)的旋轉角度、角度加速度等運動控制.主從控制系統(tǒng)優(yōu)點是實時性好,反應迅速,缺點是系統(tǒng)不便于擴展,故障不容易維修.分散控制方式:分散控制是當前的主流控制方式,其特征是根據(jù)不同的控制任務和特征分模塊控制,每個模塊任務不同.控制方式的實時性好,精度高 ,易于擴展,智能化.2.3機械手設計方案通過查閱ABB公司和KUKA公司的低負荷機械手產(chǎn)品參數(shù),和查閱大量文獻,初步確定低負荷六自由度機械手的設計參數(shù)

26、、總體設計方案、傳動方案.2.3.1總體方案設計該機械手可用于制造、裝配、焊接過程中以取代繁重的人工勞動等.為了實現(xiàn)被加持物多種姿態(tài),設計機械手自由度為6,采用交流伺服電機控制,設計負重16kg.旋轉關節(jié)與平移關節(jié)相比,結構更加小巧、質(zhì)量更小、可操作空間更大 ,關節(jié)設計實現(xiàn)過程中更加易于密封防塵.本設計綜合多種工業(yè)機械手造型,使用了六個旋轉關節(jié),機器人自由度的分配如圖2-4所示,其前后三個關節(jié)分別控制末端的位置和姿態(tài). 圖2-4 六自由度機械手總體設計方案2.2.3傳動方案設計根據(jù)總體結構方案,作機器人結構圖.參考多種傳動系統(tǒng)的設計,畫出不同的傳動方案.方案1如圖2-5-a所示,腰部結構設計簡

27、明,方便應用重力進行力矩平衡,兩臂的結構都很復雜,適用于高負荷機械手、設計難度大、傳動鏈長,誘導運動多.方案2如圖2-5-b所示,第1自由度采用蝸桿傳動,對于蝸桿傳動,能得到一部分傳動比,結構設計緊湊,傳動穩(wěn)定、低噪、可自鎖以防止滑動,雖然傳動效率較低,在低負荷的設計要求下仍然可以滿足要求;為了減磨耐磨,齒圈用青銅制造.第3自由度則采用平行四邊形連桿機構傳動,使兩臺電機和減速器均衡分布,穩(wěn)定性高.綜上所述,方案2整體設計大臂結構簡單、綜合低負荷的設計要求,最后確定方案2為較優(yōu)方案,根據(jù)該方案完成設計. (a (b圖2-5 六自由度機械手傳動系統(tǒng)方案原理圖2.4確定設計參數(shù)機械手包括底座、驅(qū)動臂

28、座、大手臂、小手臂、手腕、手爪和驅(qū)動部件.六個自由度,依次為臂座回轉、大手臂俯仰、肘關節(jié)俯仰、小手臂回轉、手腕俯仰,手腕回轉.機械手采用電動機驅(qū)動.電機驅(qū)動的特點是構造簡單、方便控制、容易更換、不污染環(huán)境等.電動機可以選擇伺服電機或交流伺服電機.伺服電機可以形成閉環(huán)控制,更加方便控制,但是成本較高,一般使用伺服電機.6個關節(jié)都使用伺服電機驅(qū)動,.直接使用電機驅(qū)動,要求電機輸出扭矩巨大.考慮到低速運行的電機扭矩很小,無法達到機械手的扭矩要求, 角加速度的控制需要較大的扭矩,所以在每個電機部位使用減速器以增大扭矩.常用的機械臂減速器有諧波減速器和行星減速器.諧波減速器利用可控的柔性元件實現(xiàn)傳動,精

29、度高,傳動平穩(wěn),體積不大、負載高、質(zhì)量小,已廣泛應用在現(xiàn)代機器人中.因此在上述關節(jié)處使用了諧波減速器.現(xiàn)代機器人結構常用交叉滾子軸承和環(huán)形軸承.設計簡單,精度高、剛度大,承載能力好和安裝方便.但這些軸承價格昂貴,而使用普通的球軸承也能滿足低負荷的設計要求,所以在機械手的結構中運用球軸承.參考KUKA和ABB的低負荷工業(yè)機械手設計參數(shù),初步確定工業(yè)機械手的設計參數(shù)如表2-2所示.表2-2 機械手設計參數(shù) 3. 樣機設計與優(yōu)化根據(jù)設計的參數(shù)和方案運用虛擬樣機軟件Solidworks進行樣機3D模型建立,并根據(jù)虛擬樣機仿真出末端的工作范圍,對設計參數(shù)進行優(yōu)化.根據(jù)虛擬樣機的參數(shù)和設計參數(shù)確定電機、減

30、速器設計參數(shù),并利用simulation插件對模型關鍵部件做應力和變形分析,對模型進行優(yōu)化.3.1虛擬樣機技術簡介虛擬樣機技術在是80年興起,其概念尚處于發(fā)展中.這種數(shù)字化設計方法, 整合各個領域CAx/DFx(計算機輔助/面向產(chǎn)品生命周期技術.虛擬樣機技術融合了先進的計算機輔助設計、輔助制造、輔助工程、輔助過程控制、面向制造的設計、面向裝配的設計、面向性能的設計、綠色設計技術,將應用于這些技術完成產(chǎn)品的虛擬化全方位設計分析評估.基于虛擬樣機技術的設計可以極大的減少產(chǎn)品設計時間,減少設計過程中的錯誤,避免浪費,優(yōu)化產(chǎn)品性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量.3.2 Solidworks軟件及其插件介紹SolidW

31、orks是最著名CAD軟件品牌之一,Solidworks功能強大、容易學習方便使用.SolidWorks可以減少設計過程中的錯誤,優(yōu)化出高質(zhì)量產(chǎn)品.Solidworks不僅自身插件很多,而且合作兼容的外部接口也很多,以下為Solidworks部分插件介紹:Simulation插件可以實現(xiàn)簡單的初步分析.包括靜態(tài)受力分析、桿件靜態(tài)扭矩、非線性分析、扭曲分析、容積壓力測試、疲勞測試、設計分析與優(yōu)化、熱力分析、線性動態(tài)分析等.Motion插件可以通過完整的運動性建模來實現(xiàn)計算零部件運動.分析彈簧、阻尼、馬達及摩擦的模型中的力.同時可以生成動畫運動算例,用來顯示零件在機械裝置中的移動.Sustaina

32、bility 插件可以評估設計在產(chǎn)品整個生命周期過程中對環(huán)境的影響,并顯示如何降低零件對環(huán)境的影響.3.3機械手方案設計與分析為了保證機械手運轉平穩(wěn),裝配方便,提高壽命,減少噪聲,實現(xiàn)互換性,根據(jù)機械設計手冊,按照金屬切削機床設計機械手傳動部分齒輪的傳動精度為7級.從工藝角度分別建立機械手樣機.3.3.1 初步建立機械手模型裝配樣機如圖3-1所示,其中等效連桿0-6分別對應圖2-5中的連桿.連桿的尺寸構成如表3-1所示,此過程將抽象的連桿參數(shù)轉化為具體的構件參數(shù). 圖3-1六軸機械手裝配方案等效連桿0對應底座部分,等效連桿1對應腰部回轉部分,等效連桿2對應大手臂部分,等效連桿3對應小手臂部分,

33、等效連桿4對應手腕部分,等效連桿5對應末端執(zhí)行器.表3-1 連桿構件組成 各部件組成和功能描述如下:(1底座部分底座部分由以下幾部分組成,共計16個零件(如圖3-2:安裝底座、旋轉渦輪箱、電機、底盤旋轉渦輪軸、底盤旋轉渦輪軸上油封、底盤旋轉渦輪軸上法蘭、底盤旋轉渦輪軸上法蘭軸承16032、底盤旋轉軸承51315、底盤旋轉渦輪軸下法蘭軸承6215(兩個、底盤法蘭盤、底盤旋轉渦輪和底盤旋轉蝸桿、底盤旋轉下法蘭、底盤旋轉蝸桿電機法蘭、底盤旋轉蝸桿軸承法蘭.上述零件中,旋轉渦輪箱外殼用于支撐和保護,油封由橡膠材料制成用于密封防塵.底部采用的軸承分兩類,一類是平面推力球軸承,如底盤旋轉軸承51315,平

34、面推力球軸承可以承受軸向負荷.另一類是最常用的深溝球軸承,如底盤旋轉渦輪軸上法蘭軸承16032、底盤旋轉渦輪軸下法蘭軸承6215.深溝球軸承設計簡單,是使用范圍最廣的一類標準件軸承.可以用來承受徑向載荷和一定的軸向載荷.和尺寸相似的其他類軸承相比,該軸承的特點是摩擦因數(shù)小,轉速高.對于底座部分,采用HT150鐵素體珠光體灰鑄鐵,該鑄鐵的特點是性能優(yōu)秀,工藝簡單,時效應力小,不用人工時效,具有機械強度高,減震性良好,常用于一般機械制造中的鑄件.蝸輪蝸桿傳動部分,采用阿基米德圓柱蝸桿,模數(shù)均選為5.0,傳動比為6,渦輪Z1=10,渦輪選用Z2=60.由于蝸桿渦輪嚙合過程中相對滑動速度較大,摩擦大,

35、磨損嚴重,傳動效率不高,易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象,所以蝸輪的輪緣要使用耐磨材料,硬度要低些,使用型號為ZQAl9-4的鑄鋁鐵青銅,蝸桿使用45#鋼調(diào)質(zhì)處理.除標準件外,本部分其余材料選用強度良好的#45鋼. 圖3-2 底盤透視裝配圖(2腰部回轉部分腰部回轉部分是驅(qū)動臂座,該部分的精度對機械手末端精度影響很大,需要選用耐磨高強度材質(zhì)鑄造完成.如圖2-7所示,為了增加驅(qū)動臂座剛度,在臂座的兩耳設置肋板.材質(zhì)為高強度的耐磨鑄鐵,即 MTCrMoCu-235,材料抗拉強度為、是235 MPa,硬度為200250HBS,該鑄鐵常用用于活塞環(huán)、機床床身、卷筒、密封圈等耐磨零件. 圖3-3 驅(qū)動臂座(3大手臂部分大手

36、臂部分主要包括手臂、減速器、安裝法蘭.手臂和安裝法蘭選用材質(zhì)為高強度的鑄造碳鋼.為了提高手臂抗變形那能力.分別設計加強筋如圖3-4所示,采用焊接工藝焊接完成. 圖3-4 驅(qū)動臂座(4肘關節(jié)部分肘關節(jié)部分主要包括連桿電機減速器、安裝法蘭、連桿減速器、連桿軸承套、連桿軸傳動軸、連桿、連桿軸承蓋、連桿軸承蓋2、小手臂關節(jié)軸心、小手臂關節(jié)軸承、小手臂關節(jié)軸心1、小手臂關節(jié)軸承2,如圖3-5所示.非標準件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵. 圖3-5 肘關節(jié)部分(5小手臂部分小手臂部分包括腕部電機齒輪箱、手腕電機1、手腕電機2、手腕電機3、手腕減速器1、腕部直齒4<3>、腕部直齒3<1>、腕部中

37、心軸2<1>、手腕6002軸承、手腕6002軸承、小手臂旋轉法蘭軸承隔套、手腕減速器2、手腕電機齒輪連接軸、手腕直齒4<1>、手腕直齒1<1>、腕部中心軸3<1>、手腕61902軸承、手腕61902軸承、手腕小齒、腕部中心軸前端鎖帽、腕部中心軸前端鎖帽<2>、前爪固定盤、前爪法蘭、手腕大齒2<1>、手腕大齒2<1>、小手臂旋轉軸承法蘭、小手臂骨架油封、61908軸承、61908軸承、手腕減速器3、手腕電機齒輪連接軸2<1>、手腕直齒4<2>、手腕直齒2<1>、小手臂旋轉后法蘭

38、、腕部中心軸、手腕61908軸承<3>、手腕61908軸承<5>、手腕61908軸承<4>、手腕61908軸承<2>、小手臂旋轉法蘭、軸承1<1>、軸承1<2>,如圖3-6所示.非標準件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵. 圖3-6 手腕部分(6手腕為實現(xiàn)不同的功能,具有拾取不同形狀的物體功能,設計不同的末端執(zhí)行器.在抓取功能的實現(xiàn)中在指尖的平面上貼傳感器片,進行抓力大小的控制.手腕組成為手腕小齒、手腕軸1、手腕軸1、16011軸承、手臂前端旋轉法蘭、前爪法蘭側盤、小手腕旋轉齒輪、小手腕錐齒輪旋轉中心軸、6007軸承、手腕前端錐齒、手腕前

39、端錐齒、腕部前端中心軸、前爪法蘭側板金盤、16011軸承、手腕前爪連接軸、6204軸承、手腕前端軸承頂套、手腕61907軸承、手腕61907軸承、腕部中心軸骨架油封.非標準件的材質(zhì)選用耐磨鑄鐵.3.3.2傳動部分的計算傳動部分采用多種傳動方式,包括直齒輪傳動、錐齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動.為了提高電機扭矩,達到設計目的,還安裝了不同類型的減速器,主要包括RV減速器和諧波減速器.RV減速機由行星齒輪減速器的一部分和擺針減速器的一部分構成,特點是結構小,傳動比大,可以實現(xiàn)自鎖,噪聲小、耗能少.鋼度大.諧波減速器性能與RV減速器相似. 圖3-7 末端執(zhí)行部分透視圖對于機械手本體齒類零件傳動的計算,根據(jù)傳

40、動鏈,繪制出每個自由度的傳動簡圖,并給出傳動參數(shù),如表3-1所示,為了方便表示,將各傳動部件重新編號.對于齒輪工藝參數(shù)的確定,因為機械手臂是一般機械,大小齒輪都采用45號鋼,使用軟齒面,小齒輪做調(diào)質(zhì)處理,使用八級精度.表3-1 傳動鏈參數(shù)統(tǒng)計 對于壓力角,根據(jù)我國國標,對于一般用途的齒輪傳動桂東的壓力角=20.對于齒數(shù)的選擇,當中心距a相同,提高齒輪齒數(shù),可以提高齒輪嚙合的重合度、提高齒輪傳動平穩(wěn)性,減小模數(shù)降低齒輪高度,節(jié)省制造費用.同時降低齒高還可以減小滾動速度,減低磨損膠合的可能.隨之模數(shù)的減小,齒輪厚度也會變薄,要求降低齒輪的彎曲程度,綜上,當承載力取決于接觸強度時,在一定Z范圍內(nèi),應

41、該增大齒數(shù).對于渦輪蝸桿傳動,如圖3-8所示,由于齒輪以軟齒面開式傳動,不會導致齒面點蝕.參照其他機械手的設計確定齒輪設計參數(shù),并按照齒根疲勞強度校核齒輪傳動的主要參數(shù)和尺寸. 圖3-8 底盤渦輪蝸桿3.4電機與減速器的選擇電機和減速器的選擇主要參考伺服電機功率和轉矩兩方面的性能參數(shù),由于機械手在位姿不同,其轉動慣量不同,需要的電機轉速和轉矩都不相同,所以選取機械手最惡劣的工作姿態(tài)5,計算電機功率或者扭矩,此時的扭矩或功率滿足要求,則選取的電機可以滿足要求.首先要求出模型各個部分的質(zhì)量,綜合負載才能進行計算.利用Solidworks 質(zhì)量屬性,可以計算出裝配圖的質(zhì)量屬性報告,為了更加逼真的反映

42、轉動過程中的轉動慣量,分別設置第二、三電機質(zhì)量為10KG,第二、三減速器的質(zhì)量為6KG,第四、五、六電機的質(zhì)量為3.2kg,第四、五、六減速器的質(zhì)量為2KG,得到裝配體質(zhì)量300.16KG,利用同樣方法求出機械手各部分質(zhì)量,如表3-2所示.表3-2 機械手各部分轉動過程的等效質(zhì)量 第一軸電機的選擇,在機械手最惡劣的狀態(tài)下(接近伸直,設驅(qū)動臂部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大負載繞各自重心軸的轉動慣量分別是:1G J 、2G J 、3G J 、4G J ,通過機器人靜力學知識,得到環(huán)繞第一軸轉動的最大等效轉動慣量:1J = 2222112233441234G G G G M l M

43、 l M l M l J J J J +=222250*0.4724*0.6617*1.1321*1.40+ =84.3667 2KG m 其中,所以在質(zhì)量參數(shù)的基礎上取1M ,2M ,3M ,4M (50,24,17,21分別為驅(qū)動臂座部分、大手臂部分、小手臂部分、手腕部分(包含最大負載的等效質(zhì)量,1l 、2l 、3l 、4l 分別表示各重心到第一關節(jié)原點的距離,其值大致為470 mm 、660mm 、1130mm 、1400mm,1G J 211M l ,2G J 222M l ,3G J 233M l ,3G J 244M l 可忽略不計.故1J =222211223344M l M l

44、 M l M l +=84.372Kg m 電機轉矩111T J =,w 1=2.72 rad/s ,取t=1s ,則1=2.72 rad/s 2.111T J =229.5N m 考慮到蝸輪蝸桿摩擦力的存在,取安全系數(shù)為1.6,則1T =367N m .考慮到第一軸存在傳動比為10i =6的渦輪蝸桿傳動,設渦輪蝸桿傳動效率為70%,該關節(jié)最大轉速為12r/min,則減速減速器輸入轉速為72 r/min,由于傳動比為30時沒有合適扭矩的減速器,選取帝人RV-20E -57 -25T 型號減速器,傳動比為57.則電機輸出扭矩T 1電機=87.4/57*0.8=2.0N m ,其中減速器傳動效率,

45、是80%.對于伺服電機的選擇,根據(jù)功率n /9549P T =837w,(n=4000輸出轉矩T 1電機=87.4/57*0.8=2.0N m 兩個參數(shù)確定伺服電機的型號南京華興110ST-M04030,帶電磁制動器, 使用南京華興SD15M 伺服控制器, 額定功率1200W,轉速3000rpm,額定扭矩4Nm.其余各個軸的電機和減速器的選擇方法,通過運算分別選擇各個軸的伺服電機的型號電機.第二軸以驅(qū)動臂座和大臂的連界面為原點,最大加速度去 2.72,安全系數(shù)1.5分別求出各個關節(jié)的最大扭矩,第六關節(jié)最大扭矩確定第二關節(jié)和第三關節(jié)選用RV-20E 減速器,額定轉速是3000rpm,減速比100

46、,伺服電機選用南京華興110ST-M05030,SD15M 適配器,額定扭矩4N m ,額定功率4kw ;第四關節(jié)、第五關節(jié)和第六關節(jié)選取帶電磁制動器,減速比i=m wn n = 300042.26=63的XB25-63型號的諧波減速器. 交流伺服電機分別選用南京華興110ST-M04030、南京華興110ST-M02030和南京華興110ST-M02030.3.5機械手結構分析與優(yōu)化機械手的結構在大臂、肘部、手腕接近水平位置時候最容易損壞,通過對機械手所受靜應力分析,確定大手臂、小手臂的受力狀況和所受扭矩情況.然后在Solidworks 的Simulation 插件中通過固施加扭矩、施加約束

47、和受力分析,得出結構的應力、變形云圖,并驗證是否符合設計要求.3.5.1靜應力分析分別對機械手的大手臂和小手臂受力和扭矩分析,由于第三關節(jié)的最大負向轉角為-20.,并不能使大手臂以上的部件處于同一水平線,但是此時大手臂所受靜力最大,如圖3-8所示,2U F 和2D F 分別表示大手臂所受到的其他兩桿對于大手臂的上作用力和下作用力,2U M 和 2D M 分別表示上下作用扭矩,3456G 表示肘關節(jié)、小臂、腕關節(jié)、手爪的重力之和 、456G 表示小臂、腕關節(jié)、手爪的重力之和 ,G 表示最大負載的重量, 2G 表示大臂的重量, 0L 、1L 、2L 、 3L 分別表示其重物重心與大手臂上端距離,小

48、臂、腕關節(jié)、手爪重心與大手臂上段距離,上作用力與下端之間的距離,大手臂重心與下端之間的距離. 圖3-8 大手臂靜力分析圖分別對大手臂和大手筆上端部分做受力分析得到下式,經(jīng)過計算后得到大手臂所受上端作用力為990N.下端作用力為1490N,上段扭矩為262*N m ,下端扭矩為1065*N m .23456830160990U F G G N N N =+=+=;2229905001490D U F F G N N N =+=+=;245610*830*0.2160*0.6262*U M G L G L N m=+=+=;222223*262990*0.66500*0.31065*D U U M

49、 M F L G L N m=+=+=. (式3.1 圖3-9 小手臂靜力分析圖依據(jù)同樣的方法,對小臂做受力分析,如圖3-9所示,得到小手臂所受上端作用力為750N.下端作用力為990N,上段扭矩為91*N m ,下端扭矩為562*N m . 3456590160750U F G G N N N =+=+=;333750240990D U F F G N N N =+=+=;345610*590*0.1160*0.291*U M G L G L N m =+=+=;333334*91750*0.5240*0.25526*D U U M M F L G L N m=+=+= . (式3.23.5

50、.2有限元分析與結構優(yōu)化Solidworks 自帶的Simulation 插件與ANSYS 有限元分析內(nèi)核相同.可以通過導入模型,設置零部件約束、材質(zhì)、所受作用力和扭矩、劃分表格密度、計算實現(xiàn)模型的有限元分析,直觀的反映零件的應力、應變、形變量和形變方式,從而方便用戶對材質(zhì)和模型進行優(yōu)化.對于此六軸工業(yè)機械手,大臂和小臂的形變位移直接影響到整機的精度,其應變也影響整機性能的穩(wěn)定.首先,設置兩關節(jié)處的兩個受力和兩個扭矩,確定大手臂的受力狀況,其次要設置零件材質(zhì),設置約束,劃分網(wǎng)格,如圖3-10所示. 圖3-10 大手臂網(wǎng)格化分云圖運算后得到大手臂的應力和應變云圖,紅色部分表示應力較大部位,如圖3

51、-11,其變形效果為放大1200倍后的狀況,最大應力處于手臂上部,為34018704PA,應力反映材料內(nèi)部受壓情況,應變量和綜合位移反映材料變形情況.大手臂應變最大值為1.29*10-4(如圖3-12,綜合位移最大為0.06804mm(如圖3-13,應力值遠遠低于材料的屈服力275742000PA,可以滿足設計要求. 圖3-11 大手臂應力云圖 圖3-12 大手臂應變云圖 圖3-13 大手臂總位移云圖小手臂的有限元分析過程,與大手臂相同,通過Simulation的計算,可以直觀的看到,最大應力15MPA(如圖3-14所示,最大應變4.7*10-5(如圖3-15所示,最大綜合位移0.1438mm

52、(如圖3-16所示,其應力值遠遠低于材料的屈服力241MPA,設計滿足要求 圖3-14 小手臂應力云圖 圖3-15 小手臂應變云圖 圖3-16 小手臂綜合位移云圖由于前一部分控制機械手的加速度值和最大轉速,機械手的靜力學分析在很大程度能夠體現(xiàn)工業(yè)過程中機械手的受力情況.通過對機械手應力集中部件的靜態(tài)受力分析,總體反映了機械手的硬件設計情況,運用同樣的方法對其余部件進行,對于應力較大的部件可以采取更換屈服強度大的材料或者增加厚度,圓角過度、設置筋等方式優(yōu)化設計.雖然Solidworks自帶的Simulation插件與ANSYS有限元分析內(nèi)核相同.但是在仿真過程中容易因為倒角、圓角、分界線出現(xiàn)無法

53、劃分網(wǎng)格的現(xiàn)象,可以將零件或者裝配體轉化為IGS格式,重新配置,問題容易得以解決.3.6機械手軌跡優(yōu)化首先,根據(jù)設計參數(shù)和連桿參數(shù),使用MATLAB,按照每個自由度1.8度/秒的速度運動,做出機械手末端運動軌跡如下圖所示,由于Y軸方向第六自由度末端可以達到的最低高度過高,導致機械手工作范圍非常狹小,機械手設計不合理,對第二自由度轉動范圍進行修正,使其正向可以達到的最小范圍為120度,修正后仿真,其作用范圍更大,如圖3-17(b所示,較修正前更加合理. (a (b圖3-17 手腕末端Y-Z平面運動范圍根據(jù)優(yōu)化后的運動范圍,做出機械手的空間運動范偉示意圖,如圖3-10所示. 圖3-18 機械手末端

54、運動范圍4. 基于MATLAB的六自由度機械手運動學方程求解在完成的機器人結構的基礎上,建立各個關節(jié)對應的坐標系,完成虛擬樣機的位姿描述,建立D-H 方程, 實現(xiàn)位姿變換.根據(jù)算法確定六自由度機械手對機械手進行運動學分析,并推算運動方程的逆解.六軸機械手的位姿變換可以簡單看作7連桿由6關節(jié)串聯(lián),每個關節(jié)對應一個自由度,通過旋轉各個關節(jié)從而實現(xiàn)到達指定的空間點的目的,首先在各個關節(jié)分別建立六個坐標系,然后利用坐標之間的變換描述末端位姿,三個轉動關節(jié)用來實現(xiàn)旋轉變換. 4.1確定D-H 坐標系常用的機器人坐標系建立方式有矩陣變換法、D-H 法等,D-H 法由Denavit 和Hartenberg

55、提出,是一種相對位姿的矩陣方法.本文按照通用方式建立D-H 坐標變換模型,按照右手坐標系方式,在每個桿件上建立一個坐標系,坐標軸和連桿參數(shù)定義如下:表4-1 D-H 方法下坐標軸和連桿參數(shù)定義i Z 沿著1i +關節(jié)的運動軸.i X 沿著i Z 和1i Z -的公法線,指向離開1i Z -的方向. i Y 按照右手直角坐標系的法則制定.i a 連桿長度,即i Z 和1i Z -兩軸心線的公法線長度. i 連桿扭角,即i Z 和1i Z -兩軸心線的夾角.i d兩連桿距離 ,相鄰兩桿三軸心線的兩條公法線間的距離.i i X 和1i X -兩坐標軸的夾角.4.2確定廣義連桿坐標系的連桿參數(shù)在連桿的

56、各項參數(shù)中0i 表示機械手處于機械手零點時各個關節(jié)轉角的參數(shù),i 表示為了達到目標位置,各個關節(jié)需要轉動的轉角.其中除i 是未知數(shù)外,其余各項參數(shù)均已知.表4-1 連桿參數(shù)ii a i d i 0i 關節(jié)轉角范圍i 連桿參數(shù)1 0 0 -90. 90. -185,+.185. 2a =181.05 3a =699.55 2d =0 4d =169.85 6d =02 2a 2d.-45,+.120.3 3a0 90.90.-20,.+.45.4 0 4d -90. 0. -350,+.350.5 0 090. 0. -100,+.100. 66d-350.,+350.4.3建立六自由度機械手數(shù)學模型根據(jù)坐標軸和連桿參數(shù)的定義(如表4-1所示以及六自由度機械手模型建立以下六個坐標系(如圖4-1所示 6,其中Z 6表所在的坐標系示末端夾持機構的坐標,不再畫出. 圖4-1 六自由度機械手各個自由度坐標的建立4