毕业论文-7自由度工业机器人静刚度分析

摘 要 本文介绍了7自由度工业机器人，工业机器人的发展及其广泛的应用前景。7自由度工业机器人作为新型的机器人具有更大的优势。 本文主要是运用Ansys软件进行静刚度分析和模态分析，利用UG软件对7自由度工业机器人进行三维建模，对腕部回转关节进行设计计算。还介绍了7自由度机器人的优点和使用价值，ansys软件的用途的优点。 通过UG创建三维模型，导入Ansys 软件进行静刚度分析及模态分析，可以比较清楚地掌握被分析对象的受力情况，从而为整体结构的改进及设计提供了可靠的理论依据，并能在满足应力和变形的情况下获得最小的结构尺寸，从而设计出尽可能大的工作空间。模态分析的结果可以为动态分析提供有利的数据支持。 关键词 ：7自由度工业机器人， Ansys，三维建模，静刚度 I7 自由度工业机器人静刚度分析 自由度工业Abstract This paper introduces the 7 dof industrial robots, and the development of industrial robots and its wide application prospect. 7 dof industrial robots as a new robot has more advantages. This paper is mainly using Ansys software, the static stiffness analysis and modal analysis，using UG software for 7 dof industrial robots 3d modeling， turn on the wrist joint design calculation. Also introduces the advantages of 7 degrees-of-freedom robot and use value，the use of ansys software. Through creating 3d model of UG，import Ansys software, the static stiffness analysis and modal analysis， can quite clearly grasp by analyzing the object， so as to improve the whole structure and design provides the reliable theory basis，and can satisfy the stress and deformation of the structure to acquire the minimum size，Thus designed as much work space. The modal analysis results can provide beneficial for dynamic analysis of the data. Key words： 7 dof industrial robots，Ansys ，3d modeling ，Static stiffen II目 录 第一章 绪 论 .1 1.1选题背景 . .1 1.2研究意义 2 1.3工业机器人的发展 . 4 1.3.1 工业机器人的发展 . 4 1.3.2 工业机器人的应用 . 6 1.4课题主要研究内容 . .7 1.4.1 7 自由度机器人总体结构分析 . .7 1.4.2 7 自由度机器人静刚度分析 . 7 1.4.3 7 自由度机器人模态分析 . 8 第二章 总结方案设计 . .9 2.1结构分析 9 2.2有限元分析 . 11 2.3本章小结 . 11 第三章 机械结构设计 . 12 3.1UG软件创建机器人三维模型 .12 3.2T腕部回转关节传动设计 . 19 3.2.1 减速器的选择 .20 3.2.2 电机的选择 .20 3.2.3 同步齿形带传动设计的选择 .21 3.3UG创建T腕部关节传动部分三维建模 .24 3.3.1 SGMPH-01A-YR 电机模型 .24 3.3.2 同步带三维建模 .26 3.3.3 减速器的三维建模 .27 3.3.4 传动装配 .27 3.4本章小结 .28 第四章 7自由度机器人的静刚度分析 .29 4.1ANSYS软件简介 .29 4.1.1 有限元分析 .29 4.1.2 软件使用方法 .29 4.2有限元模型创建 .30 4.2.1 模型的转换 .30 4.2.2 模型的导入 .31 4.2.3 细节处理 .33 4.2.4 定义材料属性 .34 4.2.5 网格划分 .36 4.2.6 施加自由度和压力静载荷 .37 4.2.7 进行求解 .40 4.2.8 分析结果 .41 4.3本章小结 .47 第五章 7 自由度机器人的模态分析 .48 III7 自由度工业机器人静刚度分析 5.1模态分析介绍 .48 5.2模态分析 .48 5.2.1 模态分析设置 .48 5.2.2 求解分析 .51 5.3本章小结 .53 第六章 结论与展望 .54 6.1结论 54 6.2技术经济分析报告 .54 6.3展望 55 参 考 文 献 .56 致 谢 .57 声 明 .58 IV7 自由度工业机器人静刚度分析 7 自由度工业机器人静刚度分析 第一章 绪 论 1.1 选题背景 机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。当前，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。是当代十分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包扩对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究1。 美国是机器人的诞生地,早在 1961 年,美国的 ConsolideControlCorp 和 AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。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。 广泛的应用工业机器人,可以逐步改善劳动条件,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代,提高生产效率和保证产品质量 ,消除枯燥无味的工作,节约劳动力,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度 ,减少劳动风险,提高机床,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存,提高企业竞争力。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面2。 本次设计7自由度机器人，因为高速高精度轮廓型7自由度工业机器人系统与6自由度机器人相比，可以提供更多的灵活性和多用途，能够做出更为接近人“手臂”的复杂动作。如果采用7自由度机器人通过机器人工作臂的回转避免干扰，即使从工件的上方进行焊接，焊枪也能取最佳焊接姿势，因此，可将机器人配备在架或定位器之上。与设置在侧面位置相比，设备面积可减少到原来的1/2，该类机器17 自由度工业机器人静刚度分析 人应用前景广阔。下面介绍一种7自由度机器人的结构图（如图1所示）。 什么是静刚度？静刚度就是指零件在静力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。ANSYS软件对静刚度的分析也应用于很多机械设计中，例如：机器人、数控机床、机床、轴等方面。 有限元方法发展到今天，已经成为一门相当复杂的实用工程技术。Ansys是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件 可广泛应用于航空航天、机械、汽车交通、电子等一般工业及科学研究领域。Ansys软件功能强大，体系结构开放，用户可对其进行二次开发，完善其在某一专业领域的功能。但对于初学者来说，Ansys又是一门比较难学的软件。一方面，要求学习者要有一定的力学理论基础，对Ansys的计算结果能作出一个比较准确的预测与判断；另一方面，ANSYS的上百种单元类型和材料模型也常常使学习者左挑右选,不知如何抉择,因此,常常有初学者觉得应用Ansys的一大难题就是入门难3，4。图1 7自由度机器人结构图 1.2 研究意义 在锻、铸行业以及生产自动化程度较高的汽车制造、动力机械制造等行业中，操作机和机械手早已获得普遍的应用。随着电子技术的发展，从六十年代开始，数控技术和数控机床逐渐进人了工业界，数控技术的应用为机械手演变为工业机器人创造了条件。控制论、信息科学、仿生学、现代控制理论、人工智能学等现代学科 的兴起和发展，为机器人技术提供了理论基础。大规模集成电路，微型计算机的迅速发展为机器人的研究、生产和推广应用提供了重要条件。机器人集这些现代科学27 自由度工业机器人静刚度分析 技术于一身，是科学发展的必然产物5。 高速高精度轮廓型7自由度工业机器人系统与6自由度机器人相比，可以提供更多的灵活性和多用途，能够做出更为接近人“手臂”的复杂动作。如果采用7自由度机器人通过机器人工作臂的回转避免干扰，即使从工件的上方进行焊接，焊枪也能取最佳焊接姿势，因此，可将机器人配备在架或定位器之上。与设置在侧面位置相比，设备面积可减少到原来的1/2，该类机器人应用前景广阔。 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。发达国家的使用经验表明:使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力，平均故障间隔期达60000小时以上，比传统的自动化工艺更加先进。采用工业机器人具有如下优点: 第一，改善劳动条件，逐步提高生产效率； 第二，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代； 第三，提高零件的处理能力与产品质量； 第四，消除枯燥无味的工作，节约劳动力； 第五，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险； 第六，减少机床损耗； 第七，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存； 第八，提高企业竞争力。 在面临全球性竞争的形势下，制造商们正在利用工业机器人技术来帮助生产价格合理的优质产品。一个公司想要获得一个或多个竞争优势，实现机器人自动化生产将是推动业务发展的有效手段。 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。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。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器37 自由度工业机器人静刚度分析 人市场也会越来越大，这就给工业 机器人研究、开发、生产者带来巨大商机。然而机遇也意味着挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场，依靠自身优势，提高自主创新，寻求发展道路，是中国工业机器人生产企业在激烈市场竞争中需面对的问题。 1.3 工业机器人的发展 1.3.1 工业机器人的发展 随着科技的不断进步,工业机器人的发展过程可分为三代,第一代,为示教再现型机器人,它主要由机器手控制器和示教盒组成,可按预先引导动作记录下信息重复再现执行,当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人,如有力觉触觉和视觉等,它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力,目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人它具有感知和理解外部环境的能力,在工作环境改变的情况下,也能够成功地完成任务,它尚处于实验研究阶段。 美国是机器人的诞生地,早在 1961 年, 美国的 Co nsolidedControlCorp 和 AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过 40多年的发展,美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。日本在 1967 年从美国引进第一台机器人,1976 年以后,随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加,日本当时劳动力显著不足,工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎,使其日本工业机器人得到快速发展,现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一,素有“机器人王国”之称。德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年,但战争所导致的劳动力短缺 国民的技术水平较高等社会环境 却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外,在德国规定,对于一些危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。目前,德国工业机器人的总数占世界第二位,仅次于日本。法国政府一直比较重视机器人技术,通过大力支持一系列研究计划,建立了一个完整的科学技术体系,使法国机器人的发展比较顺利。在政府组织的项目中,特别注重机器人基础技术方面的研究,把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及,从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。英国纪 70 年代末开始,推行并实施了一系措施列支持机器人发展47 自由度工业机器人静刚度分析 的政策,使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早,并曾经取得了早期的辉煌。然而,这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振,在西欧几乎处于末位。近些年,意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求,发展速度非常迅速。目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 C0毗 U及奥地利的工 GM公司。 瑞典ABB公司是世界上最大的机器人制造公司之一。1974 年，ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域6。我国工业机器人起步于 20 世纪 70 年代初期,经过 30 多年发展,大致经历了 3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和 90年代的应用化期。随着 20世纪 70年代世界科技快速发展,工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮,在这种背景下,我国于 1972年开始研制自己的工业机器人。进入 20世纪 80年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的冲击下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持“,七五”期间,国家投入资金,对工定机器人及零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制 出了喷漆,点焊,弧焊和搬运机器人。1986年,国家高技术研究发展计划开始实施,经过几年研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。从 20 世纪 90 年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步,先后研制了点焊弧焊,装配,喷漆,切割,搬运,码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批工业机器人产业化基地为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比,我国工业机器人还有很大差距。目前,我国工业机器人公司主要有中国新松机器自动化股份有限公司。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长迅速。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外57 自由度工业机器人静刚度分析 比有差距。图1-1为世界主要国家工业机器人的配置状况。 图 1-1 世界各主要工业国家配置工业机器人的状况 1.3.2 工业机器人的应用 机器人技术正有效地应用到包装工业中，用来代替人类做一些简单、重复或危险的工作。理论上，机器人可以不停地工作、高效率和不会受伤。 如Pepperidge Farm工厂在1988年安装了数个机器人系统。其中1个系统有16条臂负责夹产品，另外1个系统有18条臂负责包装，直至现在2个系统除了间中的维修，已经累计运作了5万小时11。图1-2工业机器人在包装工业中的应用。 图 1-2 工业机器人在包装工业中的应用 67 自由度工业机器人静刚度分析 工业机器人在世界各主要汽车生产集团的工厂内得到了最广泛的应用。汽车生产的各主要工艺环节，冲压车间、车身焊接、油漆、发动机和变速箱制造以及总装作业等车间均大量使用工业机器人。工业机器人在汽车制造厂中除总装车间以外的其他车间已经在绝大多数工位上取代了人工作业，实现了无人作业。 汽车零部件行业的生产具有生产产量大、质量要求高的特点，世界上主要汽车零部件供应集团均采用工业机器人取代人工作业。 机械加工行业是具有悠久历史的传统行业，包括铸造、锻造、金属切削加工、表面处理等许多方面，由于存在工作环境恶劣甚至危险的情况。许多制造商也大量使用工业机器人。 在电子行业这些新兴的行业中，由于制造柔性要求高和生产告诉性的要求，工业机器人的使用也是必不可少的12。 1.4 课题主要研究内容 1.4.1 7 自由度机器人总体结构分析 首先是 7自由度工业机器人机械结构的的确定，在对机器人进行三维实体建模我所选用的是 UG6.0三维造型软 件，该软件功能强大，操作容易、使用方便、可动态修改的特点。其次是在三维建模完成的前提下，利用 ANSYS软件完成模型分析。 1.4.2 7 自由度机器人静刚度分析 利用有限元分析软件 ANSYS ，可以预估机构整个工作空间内的静刚度性能，分析结构参数对机构性能的影响。使 用有限元分析方法分析机械手的静刚度，基本步骤如下： 1. 前处理 前处理是分析的关键，这个步骤需要 定义求解所需要的数据，包括选择坐标、单元类型、定义实常数、材料特 性、划分网格、定义耦合自由度和约束方程13。 2. 单元选择 合理地选用单元类型可以使模型简化 ，提高运算速度，对于机构的主要部件可以选用不同的元素。 77 自由度工业机器人静刚度分析 3.铰链的模拟 在铰链点的位置定义关键点( keypoint)和硬点(hardpoint)， 使划分网格时可以在指定的位置产生节点。要考虑铰链本身的变形。 4.求解 ANSYS的求解 设置主要是施加载荷和选择求解器。在静刚度分析中，需要施加两种载荷，即立柱底部的自由度载荷和动平台受力点的点载荷。载荷设置完成后，可选择结构静态分析 求解器进行求解，这是A NSYS分析计算的内核部分，不需要用户干涉14。 5.后处理 ANSYS有两个 后处理器，即通用后处理器PO ST1和时间历程处理器P OST2。利用它们可访问分析结果数据库，以图 形显示和数据列表方式输出结果，在静刚度分析中可以求出指定节点的应力、 位移等结果，并可以输出文件作进一步处理15。 1.4.3 7 自由度机器人模态分析 通过静刚度分析时所建立的FEA模型， 还有分析计算的数据，可进行进一步模态分析。模态是机械结构的固有振 动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这 些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。 模态分析所的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据16。 87 自由度工业机器人静刚度分析 第二章 总体方案设计 2.1 结构分析 课题基于安川电机于2008年6月21日推出的7轴电弧焊机器人“MOTOMAN- VA1400”（图2-1）进行结构分析。采用7轴结构，不仅可提高生产效率，还可节省空间。 图 2-1 7 轴电弧焊机器人“MOTOM AN- VA1400” 构成第7轴的旋转轴（轴）位于下臂的中间部位（图2-2）。由于可借助轴做出工作臂回转姿势，因此，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。可对大型工件以及从夹具的各个方向以最佳的姿势进行焊接。进入工件内部以及内面焊接也都更容易。 此外，动作范围扩大到最大1434mm。各轴的动作速度也比以前机型最多提高了5。搬运重量为3kg，重复定位精度为0.08mm。 97 自由度工业机器人静刚度分析 图 2-2 下臂的中间部位 以前，焊接汽车车架以及车座框架之类的长型、大型、复杂形状工件时，是在工件定位器的侧面位置设置机器人，并且1道工序设置数台机器人，将作业分割成多道工序来进行的，以避免干扰以及确保正确的焊接姿势。通过7轴控制，可在维持焊枪最佳姿势的同时，避免与工件及夹具的干扰。而VA1400通过机器人工作臂的回转避免干扰，即使从工件的上方进行焊接，焊枪也能取最佳焊接姿势，因此，可将机器人配备在架或定位器之上。与设置在侧面位置相比，设备面积可减少到原来的1/2。 由于很容易避免配置在近处的机器人之间的工作臂干扰，因此，不仅可在狭窄空间内设置多台机器人，而且用1台机器人即可处理原来需2台机器人负责的2个工序的工作。因此，设备面积以及机器人台数可比原来减少。 与原来机型相同，焊枪以及焊枪电缆内置在机器人工作臂中。由于动作时不干扰邻近的机器人、外围设备以及电缆，因此，容易进入狭窄场地。另外，VA1400将焊接接地电缆、瓦斯软管以及空气软管内置在机器人的基座里，提高了易用性和易维修性。 了解机械结构后，用UG6.0创建三维模型并装配。 107 自由度工业机器人静刚度分析 2.2 有限元分析 通过UG6.0创建三维模型，导入ansys软件，进行有限软分析，导出分析结果，再用origin软件进行画图。 2.3 本章小结 本章对机械结构进行了简介，说明了课题的主要步骤，为下面具体建模和分析提供总纲。 117 自由度工业机器人静刚度分析 第三章 机械结构设计 3.1 UG 软件创建机器人三维模型 构造虚拟样机必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能达到仿真时对可信度的要求。 基于7 轴电弧焊机器人 “MOTOMAN-VA1400”的技术参数，对机器人各个部件进行分析和命名。“MOTOMAN-VA1400” 的技术参数如图3 -1。 图3-1 “MOTOMAN-VA1400” 技术参数 127 自由度工业机器人静刚度分析 按图3-1 中的关节转动及所标注的字母命名7自由度机器人的各个关节，如下： （1）S腰部回转关节 电机安装在底座上面，其输出轴先经过齿轮传动，再经减速器减速后，由第一关节输出轴带动整个S腰部在基座上回转。 （2）L小臂摆动关节 电机安装在S腰部和L小臂连接处，其输出轴先经过齿轮传动，再经减速器减速后，由第二关节输出轴带动L小臂摆动。 （3）E大臂回转关节 电机安装在E大臂里，其输出轴先经过齿轮传动，再经减速器减速后，由第三关节输出轴带动E大臂回转。 （4）U臂部俯仰关节 电机安装在E大臂和U臂部连接处，其输出轴先经过齿轮传动，再经减速器减速后，由第四关节输出轴带动U臂部俯仰。 （5）R腕部扭转关节 电机安装在U臂部里，其输出轴先经过齿轮传动，再经减速器减速后，由第五关节输出轴带动R腕部扭转。 （6） B 腕部俯仰关节 电机安装在R腕部里，其输出轴连接滑轮，先经过同步带传动，再经过减速器减速后，由第六关节输出轴带动B 腕部俯仰。 （7）T腕部回转关节 电机安装在R腕部里，其输出轴连接滑轮，先经过同步带传动，再经过减速器减速后，由第七关节输出轴带动T腕部回转。 用UG6.0软件对各个零件进行三维建模，得到图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6、图3-7、图3-8。 137 自由度工业机器人静刚度分析 图3-2 S腰部回转关节图3-3 L小臂摆动关节 147 自由度工业机器人静刚度分析 图3-4 E大臂回转关节 图3-5 U臂部俯仰关节 157 自由度工业机器人静刚度分析 图3-6 R腕部扭转关节 图3-7 B腕部俯仰关节 167 自由度工业机器人静刚度分析 图3-8 T腕部回转关节 完成这些零部件后，就可以进行装配工作。在UG软件中，任何一个.prt文件都既可以作为零件文件，也可以作为装配文件，通常将.prt文件称为部件。当新建零件文件时，要选择下拉式菜单Appl ication中的Modeling选项，新建装配文件时，要选择Application中的Assemblies选项。装配建模的大概过程如下： 选择下拉式菜单Application中的Assemblies 选项后，在图形区域的下方就会出现装配工具条，点击Add Existing Component图标，向新打开的装配文件中添加第一个已创建的零件模型，重复第二步，向装配文件中添加第二个零件模型，点击Reposition Component 图标，在进行装配操 作前，先按正确的装配位置给第二个零件重新定位并隐藏不需要显示的曲线、草图、对称轴和坐标系等，点击Mate Component 图标，选择正确的装配类型进行装配，重复 B，C，D，E步骤，直至将所有的零件装配完全。图3-9为7自由度机器人的装配图。 177 自由度工业机器人静刚度分析 图3-9 7自由度机器人的装配图 对于刚性物体用 ANSYS 建立有限 元模型时，不必过分追求构件几何形体的细节部分是否同实际完全一致，可以简化模型。因为从程序的求解原理来看，只要仿真构件的几何形体质量、质心位置，惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果便是等价的。也就是说，只需保证各个运动构件之间的相对尺寸正确就可以了。这样既可获得较满意的ANSYS仿真结果，又可节约大量的几何建模时间。 由于图3.9过于复杂，导入ansys软件分析错误过多，切计算量过大，所以该建模必须简化，按照尺寸等参数简化得图3-10 187 自由度工业机器人静刚度分析 图3-10 简化装配图 3.2 T 腕部回转关节传动设计 腕部旋转由电机通过同步带和减速器机构驱动。设 T 腕部回转关节的最大当量回转半径 ，焊具的总重量 200Rm= m g3mk= ，则其转动惯量 212212130.220.03JmRkg m= (3-1) 设机器人手部角速度从 0 加速到 610 s 所需时间 0.11ts= ，则其角加速度 2180610180 0.1196.7watrads=(3-2)负载启动惯性矩（静摩擦力矩忽略不计） 197 自由度工业机器人静刚度分析 11.0.03 96.72.9TJaNm=(3-3) 考虑到机器人的各部分的转动惯量及摩擦力矩，选择减速器工况系数 ，则减速器所需要的输出额定转矩 1.3k =(3-4) .1.3 2.93.77 .TKMNM=3.2.1 减速器的选择 由于同步带、减速器与交流伺服电机相连，其输入转速可调，工作条件为“恒扭矩”，则按最高转速选择机型。 设同步带传动装置的传动比为03i = ， T 腕部回转关节角速度 610ws= o ，由于每一个关节选择 3000 minnr= ，该关节总传动比 1i13606066 3000 61029.530niwnw= =(3-5) 所以，减速器减速比 为 i1330310ii =(3-6) 综合考虑，选择如下减速器，安川机械手 专用减速器，额定输出转矩： ；减速比： 。 3.77 .Nm 10i=3.2.2 电机的选择 取同步带、减速器传动的传动效率均取 0.95 = ，交流伺服电机应输出的力矩： 207 自由度工业机器人静刚度分析 1.3.7730 0.950.132 .outTTinNm=(3-7) 电机转速260nw= 电机额定功率 p .2 0.1323000600.041outpTwkw=(3-8) 综合考虑，选择如下电机：型号 SGMPH-01A-YR；额定输出转矩： 0.318 ；额定功率 100 ；额定转速： 3000 。 .Nmw ;200rpm V3.2.3 同步齿形带传动设计的选择 从动轮转速：2101.67 minnr= ，主动轮转速：102. 305.01 minnin r= = ，同步带输入转矩 ，输入最高工作角速度（主动轮）0.132 .TN= m 31.95rads = ，则同步带传递的名义功率 可表示为： p.0.132 31.594.2174PTwW=(3-9) 1） 求设计功率dp 由文献机械设计手册中表 14.1-55 中17，查得载荷修正系数 ，因为未使用张紧轮，故附加修正系数均为零。则， 2.0AK =.2.0 4.21748.4348dAPKPW=(3-10) 2） 选择带型和节距bp 根据 和8.4348dPW=1305.01minrn = ，由机械设计手册中图 14.1-14 确定为 XL 型，对应节距为 。 5.08bPm= m3） 小带轮齿数 1z根据带型 XL 和小带轮转速 ，由机械设计手册表 14.1-56 查得小带轮的最小齿数 ，在此处取1nmin 10Z = 1 12Z = 。 4） 小带轮的节圆直径 1d217 自由度工业机器人静刚度分析 1112 5.0819.4bZPdmm=(3-11) 由机械设计手册表 14.1-60 查得其外径 11219.4 0.50818.9addmm= =(3-12) 5） 大带轮齿数 2z2131236ziz= =(3-13) 6） 大带轮节圆直径 2d2236 5.0858.24bZPdmm=(3-14) 由机械设计手册表 14.1-60 查得其外径 22258.24 0.50857.732addmm= =(3-15) 7） 带速 v1160 100019.4 305.0160 10000.31dnvms=(3-16) 8） 初设轴距：因为 () ( )12 0 120.7 2dd a dd+ +且054.348 155.28a ，所以初设轴距 。 0100am= m9） 带长及其齿数 227 自由度工业机器人静刚度分析 212 210002()()224(19.4 58.24) (58.24 19.4)2 1002 4 100325.67dd ddLaamm+=+ + = + +=(3-17) 由机械设计手册表 14.1-51 查得应选用带长代号为 130 的 XL 型同步带，其节线长 ，节线上的齿数330.20PL= m 65z = 。 10） 实际轴间距 a此结构的轴间距可调整 002330.20 325.641002102.28pLLaamm+=+=(3-18) 11）小带轮啮合齿数 mz112122()2212 5.08 12(36 12)2 2 102.2866bmpzzzent zzaentent= = =(3-19) 12）基本额定功率0p ()201000aTmvvp= (3-20) 由机械设计手册表14.1-58查得 50.17aTN= , 0.022mkgm= 由公式 (3-20)得 ( )2050.17 0.022 0.31 0.3110000.0156pkw=(3-21) 13）所需带宽sb 1.1400dZs sPbbKP=(3-22) 由机械设计手册表 14.1-57 查得 H 型带09.5sbmm= ， z 6m= ；因为 时， 6mz 237 自由度工业机器人静刚度分析 1zk = 。 1.145.540.0843489.50.0156smmb =(3-23) 由机械设计手册表 14.1-52 查得，应选带宽代号为 025 的 XL 型带，其。 6.4sbm= m14）带轮结构和尺寸 选用同步带的130XL025；小带轮齿数112z = ，小带轮的节圆直径 ，其外径 ；大带轮119.4dm= mm119.892ad=236z = ，大带轮节圆直径 其外径258.24d= mm257.732adm=3.3 UG 创建 T 腕部关节传动部分三维建模 因为T腕部关节传动的主要部件都在B腕部俯仰关节中，在B腕部俯仰关节中有电机、同步带、减速器，在T腕部关节中有由斜齿轮等机械结构传递转速，最后，使连接焊具的套筒转动。 下面是电机、同步带、减速器等UG建模。 3.3.1 SGMPH-01A-YR 电机建模 根据安川电机给出的数据参数，下面图3-11为 SGMPH-01 的尺寸参数。 247 自由度工业机器人静刚度分析 图 3-11 电机尺寸参数 根据图3-11的数据可以创建UG三维模型，图3-12为电机的三维模型。 图 3-12 电机的三维模型 257 自由度工业机器人静刚度分析 3.3.2 同步带三维建模 根据3.2部分的设计计算，得到同步带的尺寸，用UG三维建模，得到图3-13同步带大齿轮三维建模、图3-14同步带小齿轮三维建模、图3-15同步带。 图 3-13 同步带大齿轮三维建模 图 3-14 同步带小齿轮三维建模 267 自由度工业机器人静刚度分析 图 3-15 同步带 3.3.3 减速器的三维建模 根据 7 自由度机器人的装配尺寸设计减速器的尺寸，图 3-16 为减速器的三维模型。 图 3-16 减速器的三维模型 3.3.4 传动装配 为了更直观的理解7自由度机器人T腕部回转关节在B腕部俯仰关节中的传动部分，对B腕部俯仰关节装配。图3-17为传动装配。 277 自由度工业机器人静刚度分析 图 3-17 传动装配 3.4 本章小结 本章主要是机器人关节命名和尺寸等参数的分析，通过技术参数对机器人用UG 软件进行三维建模，叙述了三维建模的基本步骤。简述了 ansys 软件的分析等价原理，并根据此原理对机器人的三维图形进行简化。针对T腕部回转关节的主要传动部件进行设计计算并绘制三维模型。 287 自由度工业机器人静刚度分析 第四章 7自由度机器人的静刚度分析 4.1 ANSYS 软件简介 4.1.1 有限元分析 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。 它是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元 组合而成。有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据数学模式，进而得到该有 限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。随着计算机技术的迅速发展，有限 元方法现在已经广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工 程等领域，已成为现代设计理论中强有力的设计方法之一。其中以ANSYS 为代表 的有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增 加产品和工程的可靠性、采用优化设计、降低材料的消耗和成本。 有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，已成为现代机 械产品设计中的一种重要工具，应用该方法，可以对复杂受力情况下结构进行应力 应变分析，并且分析的结果与实际情况比较符合，因而在实际中可以很好地指导和 优化设计。随着电子计算机技术的飞速发展，从而为ANSYS 的推广应用创造了更 为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。 4.1.2 软件使用方法 应用ANSYS 软件对产品进行模拟和分析时， 要经历前处理、求解计算和后处理。 前处理这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。ANSYS 程序提供了两 种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个 模型的最高级图元，如球、棱柱，程序则自动定义相关的面、线及关键点，用户利 用这些高级图元直接构造几何模型；自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图 元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后再生成相关的线、面和体。无论 使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算（如相加、相减、相 交、分割、粘结和重叠）将各个独立的实体模型适当地连接在一起，从而创建出一 个实体模型。ANSYS 提供了两种使用便捷、高质量的网格划分方法：即自由网格 划分和映射网格划分。自由网格对于单元形状无限制，并且没有特定的准则。 ANSYS程序的自由网格划分功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分。与自297 自由度工业机器人静刚度分析 由网格相比，映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。如果想要这种网格类型，必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。 加载是用边界条件数据描述结构的实际情况。计算模型的边界条件处理，是为了使所建的模型能够逼真地模拟所分析结构的安装、固定以及其与周围其他结构之间的相互关系，同时能准确地模拟结构在各种工况下的受力情况。ANSYS 程序提供了两种加载方式，一种是在实体模型上加载；另一种是在有限元分析(FEA)模型上加载。无论采取何种加载方式，ANSYS 求解前都将载荷转化到有限元模型上，即加载到实体上的载荷将自动转化到经过网格划分后其所属的节点或单元上。ANS- YS的求解就是解方程。ANSYS通过各类求解器，求解由有限元方法建立的联立方程组，其结果是得到节点的自由度解，并进一步得到单元解。 用ANSYS 软件处理有限元问题时，建立有限元模型并求解后，并不能直观地 显示求解结果，必须用后处理器以图形形式显示和输出。 4.2 有限元模型创建 4.2.1 模型的转换 在UG中建模的模型需要导入到Ansys中进行分析，本文中采用的中间类型是Parasolid类型，通过UG把Prt文件转换成X_T类型，在导入到Ansys中。 点击文件导出parasoli d，弹出窗口，点击编辑选择全选确定。得到操作过程图4-1和结果图4-2。最后命名文件保存即可。 307 自由度工业机器人静刚度分析 图4-1 操作过程 图4-2 结果 4.2.2 模型的导入 转换完成之后就要把文件导入到Ansys中。打开ansys软件，点击文件导入选择文件确定，就能得出结果图图4-3。 317 自由度工业机器人静刚度分析 图4-3 导入结果图 由于导入的文件模型是片体，所以得把片体变成实体在