（机械制造及其自动化专业论文）高速、轻型并联机械手关键技术的研究.pdf

中文摘要 本文以开发高速、轻型、低成本并联机械手为目标，研究可实现二平动自 由度并联机构的运动学模型、轨迹规划、实体模型的建造与运动仿真以及技术 经济分析等关键技术。主要研究内容如下： 口基于d i a m o n d 构型运用矢量法构建闭环方程，并推导出了两平动自由度机 械手的位置的正、逆解解析模型，以及速度、加速度模型。 口在比较不同运动规律的控制函数对机构速度、加速度影响的基础上，通过 计算机仿真方法确定采用修正梯形运动规律作为规划机构轨迹方法。 口 采用p r o ew i l d f i r e 建立该混联装备的三维实体虚拟样机，在此基础上实现 了其运动学仿真。 口基于技术经济学分析理论，选择四种经济评价模型对d i a m o n d 机构与d e t l a 机构作出了经济评价。分析表明d i a m o n d 机构具有更优的性能价格比。 关键词：并联机械手，轨迹规划，虚拟样机，技术经济分析 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e du p o nt h ed e v e l o p m e n to fac o m p l e t et h e o r e t i c a l p a c k a g ei nt e r m so ft h ek i n e m a t i ca n a l y s i n g ，t r a j e c t o r yp l a n n n i n g ，s o l i dm o d e l i n ga n d k i n e m a t i c s i m u l a t i n g ，t e c h n i c a l a n d e c o n o m i c a l a n a l y s i n g o fan o v e l2 - d o f 仃a n s l a t i o n a lp a r a l l e lr o b o tf o rh i g h s p e e d ，l i g h t w e i g h ta n dl o w - c o s to p e r a t i o n s t h e f o l l o w i n g w o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e d 口 口 口 口 b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r a 】c b a r a c l e r j s t i c so f an o v e l2 - d q fw a n s l a f i o n a jp a r a l l e l r o b o tu n d e rc o n s i d e r a t i o na n d a c c o r d i n g t ot h ev e c t o rt h e o r y , a n a l y t i c a l r e p r e s e n t a t i o n so fi n v e r s ea n df o r w a r dk i n e m a t i c sa r ef o r m u l a t e di nc o n j u n c t i o n w j mt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o na n a l y s i s t h eg r a d eo fi n f l u e n c eb e t w e e nt h ee o n t r o lf u n c t i o n sa n dv e l o c i t ya sw e l la s a c c e l e r a t i o ni s e v a l u a t e d f u r t h e r m o r e ，w i t ht h e a i do ft h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h em o t i o nr u l eo fm o d i f i e dt r a p e z o i d a la c c e l e r a t i o ni s u s e di nt r a j e c t o r yp l a n n i n g u s i n gc a d c a ms o f t w a r eo ft h ep r o e n g i n e e r t h es o l i dm o d e lo ft h e t r a n s l a t i o n a lh y b r i dr o b o ti sb u i i t a n dk i n e m a t i cs i m u l a t i o ni sr e a l i z e di nt h e m o d e l u t i l i z i n gt i et h e o r yo ft h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a l f o u rk i n d so ft h em o d e l s a r ea p p l i e dt oe c o n o m i ce v a l u a t i o no f t h ed i a m o n da n dd e t l am e c h a n i s m i th a s b e e ns h o w nt h a tt h ed e v i c ei so fs i m p l es t r u c t u r e 1 0 wc o s t a n de x c e l l e n t p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p a r a l l e lr o b o t ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；s i m u l a t i o n ；t e c h n i c a la n d e c o n o m i c a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨凄盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名 【龟隔叼 3 n 速专减速专静止，所以，动平台的运动规律应为双停留运动 瞄线。 此轨迹函数的起止点的连续条件是： 当t = - o 时，s = o ，v = o ，口= 0 ；( 3 - 1 ) 当t = - t 时，s = h ，v = o ，a = o 式中，t 、s 、v 、a 分别是轨迹函数的时间、位移、速度和加速度，“是走完每段 轨迹的总行程时间，h 是每段轨迹的总行程。 由凸轮设计理论2 1 知，存在若干满足上述要求的位移运动规律可资利用， 如正弦加速度、修正正弦、修正梯形，以及3 - 4 5 次和4 5 6 7 次多项式等。 运动规律的性能表现在速度最大值。加速度最大值a ，。和跃度最大值 i m 口x 。 ，。：c h 上 “ 口 j m a x ( 3 - 2 ) 其中，c v 、g 、g 称作特征系数。已知摆线、修正正弦、修正梯形，以及 3 - 4 5 次和4 5 6 7 多j 页式等运动规律的特征系数如表3 一j 。 上矿上0 ， c c ， = = 天津大学硕士学位论文 表3 - 1 运动规律的特征参数 名称特征系数 c vc o0 正弦加速度 26 2 8 3 9 5 修正正弦加速度 1 7 65 5 36 9 5 修正梯形加速度 24 8 8 8 16 1 4 3 - 4 5 次多项式 1 8 85 7 7 3 56 0 4 5 6 7 次多项式 2 1 97 5 15 2 5 确定运动规律的选择原则是：在v m a x 、a 。 。尽量小的前提下，选择时间 最短的运动规律。 1 ) 。越大，则动量越大。在手爪运动过程中，过大的动量会导致极大的 冲击力，损坏电池。 2 1 口。越大，惯性力越大。机构的强度和耐磨性要求越高。特别对于高速 机构，为了减小惯性力，更应该使a 尽量小。 3 ) 而。越小，可降低机构的振动。为了防止不平稳的运动将会造成机器人 的部件的迅速磨损，并导致机器手的振动，带来极大的噪音。对高速机 构，一般要求位移运动规律关于时间的一、二阶导数v 和a 连续，三阶 导数一跃度，有限。 4 ) 所用总行程时间t 。越短，效率越高。由式( 3 2 ) 得： ( 3 - 3 ) 由式( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) 可知：选择较小v m a x 、a 。厶。，应首先选择较小的特征系 数c v 、巴、g 。 经初步筛选，修正梯形运动规律和3 4 5 次多项式运动规律的特征值较小， 保证机械手末端件运动过程中冲击和残余振动小。 3 3 2 轨迹函数模型 下面分别给出修正梯形和3 4 5 次多项式两种运动规律控制模型。 若采用修正梯形运动规律，则何移函数、速度函数、加速度函数分别为 互 ，u_ 鲞垡盔兰堡主兰：堡丝塞 s v = s i n ( 塑，) 鲁相z 毒一1 等f 一) 专+ 景一专 等。胁+ z ) 毒一 c o s 弦制 c o s 弦纠 s 隆和jx 8 i i v 一j d 一口 ， 纠 ( o ，；“) 5 ( 8 t h t - 扣 ( “ f t ) 5 ( 3 4 ) ( 3 t h t - 扣( 3 - 5 ) ( 百 一) ( o sr b ) ( 3 - 6 ) l j0 5 8 一 ， “ 3 8 ( -，1，j 一 疗一2 一 ，一 d + 缸 2 ，、l 鳌断 )靠 7 8 一 ， “ 5 8 ，l 。一扫 + 堕 r ，一k ( 斯 +石+ 甜一 ，、【 “ 鳖断 j ) ，弘，融 一 一 f ， 一 ( “ 1 8 盘“一、叫 似 孤 卜 勖 “ “ 砒 至薪 )“ 7 8 一 r 乙 5 8 ( 与屯生靠 断，叶 劲 艺 m ，1 桫等 ) ) 3 8 5 8 一 一 r f “ “ 一8 3 8 ( ( 加 “ 7 8 一 “ “ “ 。n 0 。 新一“ l 天津大学硕士学位论文 田瓦【j 。4 ) 叫以n - 出，1 嗲止佛彤幽裂悬分- n 幽烈。母腹锣l 进楚血殿个 日j 帮l 她 的拟合。 由式( 3 3 ) 得出总行程h 所用的时i 日3 n ： ，r 。f 4 盯8 。8 。8 l h ( s 一) 若采用3 - 4 5 次多项式，则位移函数、速度函数、加速度函数分别为： ；刀a m “。，f 。2 一s c 旁4 “印( 3 - 8 ) v 一丽q m a x “s 。印2 “。( 。( 触 ( 3 。) a 2 丽a m a x 6 。( 毒) - 1 8 。( t 丢- ) 2 + 1 2 0 ( t ) t h 3 】( 3 - l 。) 3 4 计算机仿真 在满足平稳性要求的前提条件下( 即动平台的速度、加速度函数连续) ，以 时间最短为目标确定最优轨迹函数。在计算机上仿真主动关节的转角、角速度、 角加速度的轨迹曲线。其结果为电机参数的确定、机构的虚拟样机仿真及控制 系统的研究提供重要的理论依据和数据。 表3 3 是d i a m o n d 机构的几何尺寸参数【2 ，表3 3 是两种轨迹函数的运动 参数。 表3 - 2 几何参数单位：m ，1 已 h 水平。门竖直m x 胃 0 2 4 0o 5 】00 0 60 6o 1 5 o 。4 3 5 表3 - 3 运动函数特性比较 运动规律特性 口( m ，s 2 )特征值c 。 v m a x ( m l s ) 瓦，“( s ) 修正梯形 6 048 8 8 l5 4 2 6 30 4 1 4 5 3 - 4 5 次多项式 6 05 7 7 3 546 7 8 20 4 2 9 7 图3 。2 、图3 3 、罔3 - 4 、图3 - 5 和图3 - 6 分别给山了采用修正梯形运动规律 和3 - 4 5 次多项式规律时，动平台运动路径、速度和加速度的仿真皓线。 丞生盔堂堡主主垡丝苎 ( b ) 图3 2 在最大工作空间内，动平台位移曲线 ( a ) 3 - 4 5 次多项式( b ) 修正梯形 厂、； 一7 弋! k i | o ，? “s ) ( a ) a 、 ， 、 | j j 3 “s ) ( b ) 图3 3 在最大工作空间内，动平台竖直方向 速度曲线( a ) 3 - 4 5 次多项式( b ) 修正梯形 心j | | f f “s ) ( a ) _、 | 、 | ； | f | ， | 图3 - 4 在最人上作空问内，动平台水平方向 述度 1 线( a ) 3 - 4 5 次多项式( b ) 修正梯形 2 1 5o403o ”t( 2o0o 6 5 4 3 2 o 差越鞠叵忪*姐届 天津大学硕士学位论文 h 。)q 耐 ( a ) ( b ) 图3 5 在最大工作空间内，动平台竖直方向的 加速度曲线( a ) 3 - 4 5 次多项式( b ) 修正梯形 扩、 i l f j ! ； 夕 ； yl 7l ； i m ! i 【s )h s j ( a ) ( b ) 图3 - 6 在最大工作空间内，动平台水平方向的加 速度曲线( a ) 3 - 4 5 次多项式( b ) 修正梯形 图3 2 、图3 - 3 、图3 - 4 、图3 - 5 和图3 - 6 仿真结果表明在动平台运动路径完 全相同时，最大加速度一样的情况下，采用修正梯形运动规律比3 4 5 次多项式 规律动平台的运动速度要快，即所用时间更短，扣除电池的抓起和放下时间， 分拣速度可达到每分钟7 2 个。 表3 - 4 在最大工作空间下拐角合成为弧度前后的比较 台成前台成后 运动规律 总行程时间分拣速度总行程时间分拣速度 修正梯形 0 4 4 2 i s6 7 个r n i n0 4j 4 5 s7 2 个m i n 3 4 5 次多项式 0 4 8 0 5 s 6 2 个m i n 0 4 2 9 7 s 6 9 个m i n 图3 5 、图3 - 6 、图3 7 是在给定的轨迹下，采用修止梯形规律作为电机控 制运动函数情况下，两主动臂的角度位移、角速度和角由速度曲线。 一1 2 天津大学硕士学位论文 m 对 图3 7 在最大工作空间内 主动臂角度位移曲线 “s 1 图3 - 8 在最大工作空间内 主动臂角速度曲线 “耐 图3 - 9 在最大工作空间内 主动臂角加速度曲线 从图中可以看出，在初始和终止位置主动臂的角速度和角加速度都为0 ，当 动平台运行到工作空间中点左右两侧0 0 5 4 8 m 时，两主动臂获得最大角速度 d = 2 4 0 3 4 2 r a d s ；动平台运行到工作空间中点左右两侧0 0 6 7 7 m 时，两主动 臂获得最大角加速度日。= 6 7 4 0 6 8 8 t a d s 2 。 仿真结果表明，动平台的最大加速度在整段轨迹上没有超过设定值，而所 用的时间减小了，在保证动平台平稳的条件下，采用修正梯形规律作为电机控 制运动函数可以提高动平台的运行速度。 3 5 本章结论 探讨了机械手轨迹控制的基本方法，在分析比较电机1 i 同运动规律f f i 线对动 平台运动影响的情况卜j ，确定修e 梯形运动规律作为电机控制曲线。 2 3 一 p世兰避毂与孵舡嫩嚣州 天津大学硕士学位论文 计算机仿真结果表明，在同样的位移和加速度条件下，修正梯形完成一次抓 放操作用时o 4 1 4 5 s ，分拣速度可达到每分钟7 2 个：3 - 4 5 次多项式用时 o 4 2 9 7 s ，分拣速度可达到每分钟6 9 个。采用修正梯形运动规律可进一步减 小机构的运动时间，提高工作效率。 天津大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章三维实体模型的建造与运动仿真 以计算机支持的仿真技术，模拟系统的几何运动特性和力学特性，在产品 开发的初期解决设计、生产和装配中的问题，从而大大节约新产品的开发投资、 缩短开发周期，实现第一次设计即为最佳设计的目标，进而更经济地组织生产。 本章将在运动学模型建立，轨迹规划完成的基础上，根据机构工作情况和基本 尺度参数，建造电池分拣机构三维实体模型，检验各个零件设计和装配之间关 系，以及机构外形和谐及美观程度；并运用运动学仿真技术，模拟该机构的运 动过程，检验是否出现机构干涉情况，进一步避免在产品制造过程中可能出现 的错误。本章以p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 为软件开发平台，实现对电池分拣机构 的三维实体模型的建造与运动仿真。 4 2 机构特点 在运用软件建模和仿真之前，需要根据工作情况和基本尺度参数及电机参 数分析电池分拣机构的结构和运动部件的关系。 4 2 1 机械结构组成 该机构是由两个子机构串接组成。其一是可实现曲自由度半动的平面并联 机构；另一个子机构是由伺服电机一丝杠螺母副所组成的直线驱动机构。 一、并联机构 并联机构部分由静平台、两条结构相同的支链和动平台构成，每条支链由 主动杆、一副主动杆、三根从动杆所组成，其中主动杆与副主动杆、三根从 动杆平行且等长，主动杆、从动杆和动、静平台问均采用共面转动铰连接。伺 服电机装在静j i i 台l 。 - 2 5 ， 天津大学硕士学位论文 静平台 一主动杆 并 联杆组1 副主动杆 一从动杆i 机 _ 一从动杆j 构 铰链 u 从动杆 动平台 + | 从动杆i 图4 - l 并联机构组成 1 、静平台 静平台通过丝杠和光杠副安装在直线传动部件上，其上提供两个伺服电机 驱动主动臂、杆组和动平台，提供平面内的两维运动。 2 、杆组 杆组包括主动杆组和从动杆组。主动杆组设计成平行且等长的主动杆和副 主动杆，从动杆组采用两根内从动杆分别与根外从动杆构成平行四边形结构， 增强了机构的刚度。 3 、铰链 主动杆与从动杆、主从动杆与静平台、主从动杆与从动杆、从动杆与动平 矧4 - 2 直线传动机构分析 天津大学硕士学位论文 台之间的连接全部用铰链连接。 4 、动平台 动平台与对称的从动杆组以铰链连接，上面装有执行手爪可以抓取工件。 二、直线传动部分 顶板与丝杠基础板用来承载机构，丝杠基础板固定在项板上，静平台滚珠 丝杠螺母和丝杠安装在直线步进部件上。 4 2 2 机构的运动特点 该机构在电池分拣的实际工作中运动情况为：在垂直于丝杠螺母副平面内， 伺服电机驱动主动杆，实现动平台在两个方向上的平动。首先动平台将电池抓 起，竖直上升，到最高点处，动平台水平运动，至相应传送带处，将电池放下， 这就实现了一个电池的分拣工作。将该平面内的电池分拣完毕后，经步进的伺 服电机驱动，静平台沿丝杠前进一个电池格的距离，进行下一行电池的分拣工 作。如此循环，直至将整盒电池分拣完毕。 并联机构部分由两个伺服电机驱动，可实现两自由度平动。在同一平面内， 伺服电机、静平台，杆组及动平台，作为一个整体沿着丝杠作单自由度运动。 可见在机构中，并不是所有的零件有相对运动。需要有相对运动的只是工作台、 静平台、主动杆组、从动杆组、铰链以及动平台。这些部件之问全部为转动铰 链连接。 与并联机构串联的直线驱动部分由步进电机驱动。丝杠与步进电机的关系 为同轴转动。 并联机构部分和直线驱动部分之间的相对运动可分为两种情况：丝杠与静 平台通过螺旋连接，实现平移；光杠与静平台之间实现的是滑动。 4 3p r o e n g i n e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司白1 9 8 9 年推出的机械设计自动化软件， 已成为业界最普及的c a d c a e c a m ，其特点为高度体化、功能强大、易学 天津大学硕士学位论文 易用等。它可运行于w i n d o w s n t p 等平台上，可以提供从产品概念设计、产 品造型、产品仿真、产品测试、产品加工直至逆向工程的全部功能。本次采用 该公司于2 0 0 3 年推出代号为“野火( w i l d f i r e ) ”的最新版本，其功能更加完善。 在本次设计中要完成以下任务： l 、三维的零件实体造型 将已经设计好的二维零件图和装配图，经过简单的拉伸、旋转等方法构造 成简单的三维实体模型，并在其上进行再加工，如打孔、倒角、作拔模斜度等， 以构造出更复杂的零件模型。 2 、零件装配 可以由零件模型按照装配关系组装创建装配模型。整个装配模型也是全参 数化的、可以修改的，当零件模型改变时，装配模型自动更新。可以进行装配 体误差分析，自动进行装配模型的干涉检查。 3 、机构运动仿真 通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。 4 4 三维实体模型的建立 三维实体建模过程分为两个大步骤：机构的部件设计和装配。d i a m o n d 机 构比较复杂，为了便于管理，提高工作效率应注意以下几点：( 1 ) 在建模前应 设置工作目录，工作目录可通过上一节机构分析中的层级关系建立，目录中还 可以设置子目录( 2 ) 本机构中有许多相同或相似结构的零件( 如标准件) ，应 建立零件库。可以通过一个原型零件建立建立一系列的零件。( 3 ) 简化零件结 构。根据建模和仿真目的，只需按外形尺寸创建各个零件，内部结构不予考虑。 如电机、铰链、螺栓上的螺纹等。 4 4 1 零件的实体造型 零件的设计过程如图4 3 。 建立基本特征首先要进行草图设计。草图设计是绘制零件主要结构的平面 图，经过拉伸、旋转等变成三维图。要注意的是：首先要定义草图，才能对其 操作。其过程如图4 - 4 ： 建立二维 草图平面 图4 - 3 零件设计基本流程图 绘制截面的轮廓：直线、 圆、圆弧、椭圆、多义线 定义截面约束：几何 约束和尺寸约束 图4 4 零件的草图设计过程 草图设计完毕，就可以进行特征设计了。对拉伸、旋转好的三维图，进行 进一步加工。因为经草图直接拉伸、旋转过来的三维模型，只是极其简单的圆 柱体或长方体等简单图形。必须对其进行打孔、切割等一系列操作才能使其符 合要求。零件的特征设计过程如图4 - 5 所示： 草图特征：拉伸、旋转、 扫掠、放样和面分割蔷亍蔷轰勰蠹爿三竺竺 圆、倒角或曲面切割j l 二一 图4 - 5 零件的特征设计过程 按照此步骤，绘制出所有零件。 设计复杂零件时，参考以下几点：( 1 ) 充分利用零件的对称性，并可以采 用高级特征命令进行实体建模。如扫描混合、螺旋 = l 描、边界混合等。本机构 中的丝杠就是采用螺旋扫描完成的。( ”具有多个相同特征f 1 9 i l 、槽等可进行 - 2 9 天津大学硕士学位论丈 阵列操作。本机构法兰中的孔应用了旋转阵列。阵列对于装配体同样适用。( 3 ) 使用关系式可以控制零件模型中尺寸之间存在的依赖关系，当完成零件关系式 的编辑后，如果改变其中某一尺寸，则与该尺寸存在关系式的其他尺寸做相应 的变化。如静平台支撑板设计中，若定义丝杠与光杠孔距为光杠孔直径的一半， 伺服电机轴孔距等于1 4 0 m m ：则光杠孔直径或电机轴j l 改变时，相应的丝杠与 光杠孔距随之变化，而电机轴孔距不变。关系式对于装配体同样适用。 4 4 2 机构零件装配成部件 零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的，该装配约束是实 际环境中零件之间的装配关系在虚拟设计中的映射。在p r 加n g i n e e rw i l d f i r e 版中零件的装配约束共有匹配、对齐、插入、坐标系、相切等九种类型。本机 构采用的装配方式是首先将一些零件建立成子装配体或部件，然后再对这些零 部件进行总装配。 图4 - 6 表示由零件装配成为子部件的过程。 组织装配零部件 上 添加装配约束 上 管理装配的零部件 土 装配分析 ol 裂淼。雾鬻晶赫釜冀 图4 6 零件装配成子部件 图4 7 表示固定从动杆与铰链的法兰装配示意图。 图4 。8 表示静平台的装配过程示意图。 3 0 天津人学硕士学位论文 图4 7 法兰盘的装配过程 幽4 - 8 静平台的裟配过群 3 1 天津大学硕士学位论文 图4 - 9 由部件装配成d i a m o n d 机构的过程 零部件之间装配完成后，使用干涉检查工具( i n t e r f e r e n c e ) 检查各零部件之 3 2 天津大学硕士学位论文 间是否干涉。选取两个零部件，再选择干涉检查( i n t e r f e r e n c ev o l u m e ) 、干涉和 间距检查( i n t e r f e r e n c ea n dc l e a r a n c ev o l u m e ) 、间距检查( c l e a r a n c e ) 中的任一个操 作来检测结果。若存在干涉，则根据实际调整方案，利用修改( m o d i f y ) 或重 新定义( r e f i n e ) 命令重新生成新的零部件。 4 4 3 机构的总装配 由机构结构分析得知机构各部件之间的装配关系，将机构部件的装配体之 间添加装配约束。在装配杆组时，要特别注意保证主动杆与主从动杆，内从动 杆与外从动杆必须平行且等长。装配完之后，通过预览外形尺寸和干涉检验需 要对装配体进行修改操作，以满足设计要求。n o e n g i n e e rw i l d f i r e 提供了强 大、快捷的修改功能：( 1 ) 可以修改装配体。在装配模式下，通过“编辑”菜 单中“定义”、“特征操作”等命令选项或模型树中的快捷菜单任意选取零件、 组件进行尺寸、移动等修改，还可以替换零件或组件；( 2 ) 可以修改装配体结 构。在装配模式下，通过“编辑”菜单下“重新构建”命令来重新调整装配体 模型的结构，将零件从子装配体中移到总装配体中，或将总装配体中的零件移 到子装配体中。注意装配模型中的主体零件不能进行移动调整操作；( 3 ) 可以 修改装配设计意图。在装配模式下，通过“编辑”菜单下“元件操作”命令选 取“隐藏”、“恢复”、“重新排序”以及“插入模式”等命令重新定义装配关系、 重新调整零件顺序等操作来达到修改装配设计意图的目的。 完成d i a m o n d 机构的总装后，还可以利用渲染功能对三维实体模型进行色 彩、材质、光照等处理，以增强模型的真实感，以便对造型进行评价或修改。 图4 9 表示d i a m o n d 机构虚拟样机总装配过程。 4 5 机构运动仿真 4 5 1 仿真的总体方案 利用p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 自带的功能“m e c h a n i s m ”进行运动仿真。根 据所使用的仿真模块的特点及其基本工作过程，确定d i a m o n d 机构的运动仿真 总体方案如图4 一1 0 所示。 天津大学硕士学位论文 建立该装备的零件实 体模型 根据位置逆解方程求 出轨迹点对应的关节 变量值 4 5 2 添加柔性约束 在装配模块环境 下完成总装配 由关节变量值和己添 加的约束驱动模型 实现机床的运 动学仿真 图4 1 0 仿真总体方案 刨设机构设计环 境 在机构设计环境下修 改和添加约束 由零件得到的装配体，其内部的零部件之间没有相对运动。因此，需要创 建机构，即将装配体应用“元件放置”对话框中的“连接”功能联接机构中的 各个构件，使其产生一定的相对运动。在p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 版中，机构的 连接方式有刚性、销钉、滑动杆、球等九种类型。每一种类型根据指定面或点、 线等实现不同的约束。本机构中，静平台携带杆组及动平台相对于丝杠滑动， 应选择“同轴”连接。主动杆与静平台之间有相对转动，主动杆与主、从动杆 之间的铰链有相对转动，主、从动杆之间的铰链与从动杆之间有相对转动，从 动杆与动平台之间有相对转动，应设置为“销钉”连接。 4 5 3 驱动关节与驱动方式 完成机构的创建后，需要在“m e c h a n i s m ”菜单下定义驱动器。d i a m o n d 机构的驱动参数为两个主动杆与放置在静平台上的两个伺服电机的转动副的转 动角度。在伺服电动机驱动属性中可选用不同的驱动方式。d i a m o n d 机构采用的 是样条值，即根据动平台手爪在操作空删轨迹，通过逆解模犁求得各驱动参数 的数值。第三章轨迹规划中已通过m a t l a b 完成了求位。将m a t l a b 中的m 函数的 一3 4 天津大学硕士学位论文 运行结果，即两个主动杆的转动角度及对应的时间，保存为t x t 格式。将 “m e c h a n i s m ”一“伺服电动机”一“轮廓”一“规范”设置为“位鼍”；“模” 设置为“表”；“插值”设置为“样条拟合”，并导入所保存的救t 文件。如图4 - 1 1 。 幽4 - 1 1 伺副服电机的定义 d i a m o n d 机构分拣电池时，呈现不同的工作姿态。如图4 一1 2 。 ( a ) ( b ) 天津大学硕士学位论文 ( d )( e ) 图4 1 2d i a m o n d 机构在最大 ：作空间内，分拣电池时的：i ：作姿 态( a ) 抓取电池时( b ) 将电池竖直提升到最高点( c ) 水平移 到i ：作中点( d ) 移到放下电池位置的最高点( e ) 放下电池 4 6 本章结论 本章主要讨论了建立三维实体模型及其运动学仿真的基本方法，得到以下 结论： 采用p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 建立了该机构的三维实体模型。总结了建二维 实体模型的一般方法。 总结了使用p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 自带仿真功能m e c h a n i s m 实现运动学仿 真的一般方法，并在三维实体模型的基础上实现了该机构的运动学仿真。 3 6 天津大学硕士学位论文 5 1 引言 第五章技术经济分析 技术经济分析是伴随着工程实践问题而产生和发展起来的，是以经济学中 有关价值、费用、效益等方面的理论为基础，对各种技术方案的经济效益进行 计算、分析、比较和评价，从而选择出技术上先进、经济上合理的最优方案的 一种科学方法。随着我国市场经济体制的建立和完善，一项新的技术成果是否 具有经济效益已经成为人们关心的问题。技术经济分析正是解决这一问题的有 效手段，如今它已在工程实践的各个领域得到了广泛的应用，已经成为政府和 企业做出科学决策的必不可少的方法之一。 本章将利用技术经济分析的方法，综合比较所设计的d i a m o n d 机构同瑞典 a b b 公司生产的i r b3 4 0f l e x p i c k e rd e l t a 机构在经济性方面的优劣，并对所设 计的d i a m o n d 机构做出技术经济评价。 5 2 市场需求分析 5 2 1 电池市场前景 据统计，2 0 0 0 年世界电池销售收入已达3 5 0 亿美元，近几年均以5 以上的 增速增长。人均消费达6 只，发达国家人均消费量超过2 0 只。其中镍氢电池作 为绿色环保电池更是具有广阔的市场前景，每年需求增长速度达到3 0 ，尤其 是我国制造镍氢电池所用的稀土资源非常丰富。自9 0 年代以来，我国正日趋成 为世界上最大的电池生产国和最大的电池消费国。到2 0 0 0 年底，我国电池产量 达1 4 0 亿只。 5 2 2 国内外电池分拣设备市场分析 在镍氢电池生产过程中，电池经充液、封口和化成处理后需要将电池根 据充电量大小分成不同的质最等级。氏期以来，电池生产企、i k 直采用手工分 拣，虽然部分生产线已采用自动化，但由于投资巨大，或性能不稳定，不能适 一3 7 - 天津大学硕士学位论文 应电池大规模生产的要求。因此，电池分拣设备市场存在很大的缺口。 5 _ 2 _ 3 其它行业的需求 在电子、轻工、食品和医药等行业中，通常需要以很高的速度完成诸如插 装、封装、包装、分检等操作，相应的操作对象一般具有体积小、重量轻的特 征。为了提高自动化程度和保证产品质量，上述操作通常需要高速机械手来完 成。d i a m o n d 机构可通过更换末端执行器便可完成不同产品类型的作业，具有极 强的生产适应能力和柔性。在高速物流传输方面，与d i a m o n d 机构有比较性的 为瑞典a b b 公司生产的i r b3 4 0f l e x p i e k e r d e l t a 机构。 5 3 技术优势分析 采用d i a m o n d 机构分拣机械手具有如下性能特点： 采用由二自由度平动并联机构与纵向单自由度进给机构组成的混联构型。在 可充电电池质量分拣工序中，待分拣电池以阵列形式排放在长方形随行夹具 中，机械手负责将电池放在与夹具平行布置的传送带上。分拣过程采用逐行 分拣的方式，即机械手快速对每行电池按顺序逐个分拣，一行分拣完毕后， 机械手前移一个行距分拣另行电池。上述操作要求机械手在一个平面内做快 速平动，而在与该平面垂直的方向做长距步进运动。在这种情况下，采用 d i a m o n d 机构显然比三自由度的d e l t a 机构更适宜。 采用小倾角球铰链替代部分转动铰以减小装配误差和采用消极约束以消除 铰链间隙的措施，以及一种可有效消除动平台姿态误差的装配工艺，进而有 效地保证了机构的装配质量，并在两内从动臂间设置交叉预紧钢丝以增强机 构刚性的措施，实现了机构的轻量化设计。工程实践表明，上述措施可有效 地提高系统的几何精度和动、静刚度。 以p l c + c p u 和多轴运动控制单元为核心搭建出机械手的硬件平台。该系统 具有可靠性高、操作简便、实时性强等优点。 在上述工作基础上，针对研制开发可充电电池质量分拣装备的需求，建造出 基于d i a m o n d 机构的可充电电池质量高速自动分拣系统产品化样机。该样 机采用高速逐行分拣模式替代传统的阵列滤波分拣模式，具育结构简单、制 造成本低、生产率高、柔性慢等优点。实际运ij ：结果表明，机械手爪的最高 天津大学硕士学位论文 速度可达4 5m s ，最大加速度达6 0m s 2 ，点点定位精度达0 0 5m m ，分 拣a a a 电池的速度可达每分钟6 0 个。 从技术性能角度看，应用于电池分拣操作的d i a m o n d 机构比d e l t a 机构更具 有优势。 5 4 经济性分析 5 4 1 选用的经济分析方法 经济分析方法按照是否考虑资金的时间价值可以分为动态评价方法和静态 评价方法两大类。在本章所进行的经济分析中，将采用考虑资金的时间价值的 动态评价方法。 在对多个方案的经济性进行比较时，常采用的方法有：净现值法和净现值 率比较法、差额投资内部收益率比较法、费用现值比较法、等值等额年费用比 较法，静态差额投资回收期比较法及最小折算费用比较法等。 设产品产量相同、加工精度相同、年收益相等，在采用不同的方案获得相 同的收益其初投资和年运行费用是不同的，费用最少的方案最优。本文研究中 选用等值等额年费用比较法、资金化费用比较法、投资现值费用比较法及差额 投资内部收益率比较法对选用两种机械手的积极性进行评价。等值等额年费用 比较法是将各个方案的初投资和年运行费用，按基准收益率换算成方案在其使 用年限内每年等值等额的费用，对不同的方案进行比较，费用少的方案为优； 资金化费用是比较更新设备所需要的资金，费用少的方案为优：投资现值费用 比较法是将年均运行成本折算为现值与初投资之和，费用少的方案为优；差额 投资内部收益率法，是指在原始投资额不同的两个方案的差量净现金流量a n c f 的基础上，计算差额投资内部收益率i r r ，并据以判断方案优劣的方法。在此 法下，当差额投资内部收益率指标大于或等于基准收益率或设定折现率时，原 始投资额大的方案较优；反之，则投资少的方案为优。 5 4 2 经济参数的确定 由于各个地区的资源费用各有不同，为了统一经济评价的标准，以天津地 区的价格为准。 天津大学硕士学位论文 电费按非、普工业电价0 7 7 6 元k w h 。 基准收益率i 取1 5 。 税率r 按3 3 计。 工人工资按1 0 0 0 0 元人年。 班制：当大批量时采取两班制，1 5 小时；小批量时采取一班制，8 小时 一年按2 5 1 天计算。本文按大批量计算。 5 4 3 经济分析中使用的指标 初投资：指机械加工设备各种投资的总和。包括：设备购置费，安装费及 其它费用( 包括调试费和不可预见费用) 。 年运行费用：指机械设备在其运彳亍过程中的各种费用( 以年计) 。包括：电 费，设备折旧费，设备维修费( 包括大修费，日常维修费，材料费，人工费等) 及工人工资。 5 5 经济指标的计算 5 5 1 设备初投资费用 设备初投资k 包括设备购置费、安装费和其他费用。 设备购置费用由设备原价和设备运杂费构成。设备运杂费按设备原价的百 分比计算。对于天津地区，国内设备运杂费占设备原价按5 计算，进口设备运 杂费按到岸价格的1 - 1 5 计算，本章按l + 5 计算。 设备安装费，机械加工车间取l 一2 计算，本章按1 5 计算。 其他费用包括调试费与不可预见费用按占设备购置费的1 计算。 5 5 2 设备经济寿命的确定 设备的经济寿命即设备的最佳使用年限有两种方法可以确定设备的经济寿 命。 1 静态重置模式 该方法不考虑资金的时间价值囚素，利用年均总费用求极值的方法算出经 济寿命。这时的年均总费用a c 包括电费、设备折旧费、设备运行费用及工人工 天津大学硕士学位论文 资。 设备年电费= 全部电机耗电量( k w ) 电价机组年运行时间( h ) 。 机械加工车间所需的生产工人人数的确定，一班制下工人的年时基数为 2 0 0 8 小时，机器设备的年时基数为2 3 5 0 小时；睡班制下工人的年时基数为2 0 0 8 小时，机器设备的年时基数为4 6 0 0 小时。 圪：掣( 5 - 1 ) - 托 式中p l ：机械加工车间所需的生产工人数； f c 设备的年时基数； 磊生产设备数，本章中 厶取1 ： 尼设备负荷率，本章中k 。取l ； f 工人的年时基数； k 多机床管理系数，本章中k 取1 。 设备折旧费采用直线折旧法，它是将设备原值减去残值后，再除以设备的 使用年限。该方法的年折旧额相等，折旧速度相同，是一种经常采用的折旧费 计算方法。计算公式如下： d ：! e 兰f 5 2 1 ，z 式中驴一设备折旧费( 元年) ； 设备购置费( 元) ； 设备残值，按设备购置费的5 计算( 元) ； ，r 一设备预计使用年限。 设备运行费用包括大修费、日常维修费、材料费、人工费等。随着设备使 用年限的增加，设备的年运行费用也必然随着设备的磨损和老化而逐年增加。 因此，引入年使用劣化值这个经济参数来衡量包括维护和维修费用及燃料动力 的超额支出等。为了简化模型采用年使用劣化值按线性增加的计算方法，假设 这种低劣化每年以五的数值增加，由于年使用劣化值难于计算，为方便计算将丑 按占设备购置费的4 考虑。 若设备使用”年，则第”年时年运行成本为 天津大学顺士学位论文 c 。= c o + ( h 一1 ) 丑 式中g 一年运行成本的初值，包括电费和工人工资。 挖年内年度使用费用的平均值为 c 。：c 。+ ( 掣) 五 ( 5 - 3 ) ( 5 4 ) 这时设备的年均总费用可表示为 们：盟+ c o + 掣五( 5 - 5 ) z 图5 - 1 表示了年度总费用，折旧费和n 年内年度使用费用的平均值三者之间 的关系。 0 h 图5 一1 年度总费用，折旧费，年度平均使用费三者关系 由图5 - 1 可以看出，年度总费用存在一个最小值，即存在设备的最佳使用年 限。由此，公式( 5 5 ) 对n 求导得 驴罕 p e ， 2 动态重置模式 动态重置模式考虑资金的时间价值因素。这时设备的年均总费用可表示为 三】掣( 5 - 7 ) ( 1 + 叫7 ( 1 + i ) ”一1斋 。h + 0 k = c 爿 中式 天津大学硕士学位论文 岛一设备购置费用 q 一筋年( ，) 的运行费用，百去厂和署 茅告分别为现值系数和回收系数 经济寿命”。是使a c 为最小值的n 。 5 6 设备制造成本核算 本节使用的所有零部件价格均由厂家或其代理商提供。 5 6 1d i a m o n d 机构 表5 1d i a m o n d6 0 0 资金统计表 项目类别名称及型号实际( ￥)各注 伺服电机s i e m e n s l f t 5 0 4 4 7 2 6 5 8 o o 刘青阳 1驱动 ( o 6 4 k w ) 减速机p 3 1 2 s g n 0 2 0 0 m 2 2 0 0 00 0 包庆华 多轴控制卡p c i