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机械制造自动化论文I机械制造自动化论文专业机械制造及其自动化机械制造自动化论文II摘要本设计以水平四自由度装配机器人大小手臂为研究对象，采用虚拟样机技术对机械系统进行设计，利用UG的运动学和动力学仿真功能，对水平四自由度装配机器人手臂的运动学和动力学特性做了深入研究。仿真分析结果可以指导零件的结构设计或调整零件的材料的选择。虚拟样机技术的应用对于提高工业产品的品质，降低产品开发和生产成本具有很大的作用。首先建立了水平四自由度装配机器人整体的模型，并依据以上模型建立了水平二连杆机器人手臂的运动学和动力学方程，从理论上对水平二连杆机器人大小手臂的运动学和动力学规律进行研究。在机器人手臂的运动学和动力学仿真分析方面，利用UG做运动学和动力学仿真，可以得到各杆件的任一点的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各连杆的动能和机械手的总动能等。以上信息的取得对于机器人手臂的设计可以起到支持作用。关键词：水平四自由度装配机器人；运动学分析；动力学分析；仿真机械制造自动化论文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机械制造自动化论文IV目录第一章绪论-11.1工业机器人及其相关技术的发展概括-11.1.1工业机器人技术概况-11.1.2世界工业机器人技术发展概况-11.1.3我国工业机器人技术发展概况及主要研究内容-31.2虚拟样机技术的重要作用-71.3本课题研究的意义和目的-91.3.1课题的意义-91.3.2课题的目的-101.4本课题的研究的方法-10第二章水平四自由度装配工业机器人的总体设计情况-122.1水平四自由度装配工业机器人的设计方案-122.1.1总体设计方案的构思-122.1.2大臂和小臂模组的设计构思-162.1.3Z轴模组的设计构思-182.2装配工业机器人的外形尺寸和工作空间-192.3水平四自由度装配工业机器人的机械结构方案设计-202.3.1第一关节结构设计-202.3.2第二关节结构设计-212.3.3第三、第四关节结构设计-22第三章水平四自由度装配工业机器人的建模-243.1建立各装配部件3D模型-243.2建立总装配3D模型-26第四章水平四自由度装配工业机器人的运动学分析-294.1在X-Y平面内建立二连杆的运动学算法模型-294.2二连杆机构运动学分析的数学基础-304.2.1二连杆机构在X-Y平面内的空间示意图-30机械制造自动化论文V4.2.2二连杆机构在X-Y平面内位置和姿态的数学描述-304.2.3齐次坐标变换-314.3物体的变换与逆变换-314.3.1物体的位置描述-314.3.2齐次变换的逆变换-314.3.3变换方程初步-314.4UG的水平四自由度装配工业机器人的运动学分析-324.4.1机器人正向运动学-324.4.2机器人逆向运动学-324.5运动学仿真分析-334.5.1广义坐标和时间的函数曲线-364.5.2速度约束方程和时间的函数曲线-364.5.3加速度约束方程和时间的函数曲线-37第五章水平四自由度装配工业机器人的动力学分析-375.1二连杆机器人手臂动力学方程的建立方法-385.1.1速度的计算-385.1.2动能的计算-395.1.3动力学方程的推导-405.2二连杆机构的点到点动力学仿真-415.2.1二连杆机构动能变化关系-425.2.2二连杆机构转矩变化关系-42第六章总结-45致谢-46参考文献-47机械制造自动化论文1第一章绪论1.1工业机器人及其相关技术和发展概况1.1.1工业机器人技术概况工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。虚拟样机技术（VirtualPrototypingTechnology）是利用软件所提供的各零部件的物理和几何信息，直接在计算机上对机械系统进行3D建模和虚拟装配；从而获得基于产品的计算机数字模型即虚拟样机（VirtualPrototype），并对其进行仿真分析。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案，直至得到最优化结果，从而大幅度缩短了开发周期，减少了开发成本。因此，利用虚拟样机技术进行工业机器人机械系统的设计可以实现降低开发成本的目的。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。因此，各国都很重视工业机器人技术的发展和工业机器人技术在生产中的应用。1.1.2世界工业机器人技术发展概况近代工业机器人的原型可以从1948年算起，当时美国原子能委员会的阿贡研究所为适应核技术发展的需要开发了处理放射性材料的主从机械手1。1954年，乔治.德沃尔提出了“通用重复操作机器人的方案”并研制出了第一台通用工业机器人(Engelberberger)，这是一台将遥控操作器的连杆机构与数控铣床的伺服轴结合起来的机械制造自动化论文2设备。1962年，乔治.德沃尔与Engelberberger合作创建的美国万能自动化(Unimation)公司的第一台工业机器人Unimate在美国通用汽车公司(GE)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生12。由于历史条件和技术水平的关系，60年代工业机器人发展较慢；进入70年代后，焊接，喷漆机器人相继在工业中应用和推广。到1980年全世界约有2万台工业机器人在工业中应用，而到1985年底就达到了1000万台。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景2看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。全世界工业机器人的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的，15年来已经出现3次马鞍形曲线。第一次在80年代中期(19851987)，那是由于第一代工业机器人在一些发达国家汽车工业中的应用渐达饱和，以及日元不断升值所至。1988年后，随着电子行业工业机器人的大量应用及日本经济的复苏，工业机器人增长率开始回升，1990年达到高峰。19921994年又出现了第二次马鞍形，由1990年的最高纪录年产8.1万台降为1994年的5.3万台，主要原因还是日本经济不景气的影响。1995年开始复苏，1997年新安装8.7万台，创历史最高纪录，而1998年实际订货7.1万台，销售额比上一年下降16%，出现了第三个马鞍形，是由于日，韩两国销售额大幅下降所致。1999年回升，主要原因是北美和欧洲订单的增长3。进入21世纪，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。随着电子计算机，自动控制技术的发展和工业生产的需要，工业机器人技术在一些国家发展起来了。在普及第一代工业机器人的基础上，目前第二代工业机器人已推广成为主流安装机型；第三代智能机器人也已发展起来。现代工业机器人技术的发展具有如下特点：机械结构方面：以关节型为主流，80年代开发的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/3；控制技术方面：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴；采用通用机器人编程语言，基于PC的开放结构的控制系统已经成为一股潮流；驱动技术方面：80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术，在远程