六自由度喷涂机器人关键参数设计与分析

论文摘要

目前,制造业尤其是汽车行业的迅速增长,对研发具有自主知识产权的喷涂机器人成套装备提出了迫切需求。机器人是一个复杂的运动学和力学系统，针对国际主流喷涂机器人工作空间大、灵活性高、运动精度高等技术指标特点，设计中需要综合考虑以上各因素，系统地分析对运动学与动力学性能的影响，对基本的几何与性能参数的选择和确定提出了挑战。主要问题包括：中空手腕的关节与传动系统的合理配置。由于空心手腕所具有的关节轴偏置导致的运动学逆解求解问题。机器人动力学性能的校核以及对操作空间轨迹的影响。本文通过对喷涂工艺的深入分析，根据机器人对工作空间和使用性能要求，通过理论计算和数值仿真提出了六自由度工业喷涂机器人基本参数确定的一般方法，建立了机器人工作空间和使用特性与其结构参数之间的联系，给出了所研制喷涂机器人的功能以及性能参数。在喷涂机器人关键组件（空心手腕）设计方面，通过对现有典型喷涂机器人手腕结构的分析和研究，提出了其主要参数及其关键尺寸的确定方法，进行了结构设计、校核和优化。针对手腕三个旋转关节之间的耦合关系，推导了手腕的驱动－关节空间的运动学模型。通过对Roth、Manocha等提出的运动学逆解算法进行研究，给出了喷涂机器人逆解算法，解决了收敛性、时效性等关键问题。在机器人动力学分析中，通过对模型适当的简化，根据牛顿-欧拉递推方法推导了该型机器人运动与受力关系的封闭方程，并进行分析和数值计算，依据所得的结果对关节驱动电机、RV减速机的主要参数进行了校核。对已装配完成的喷涂机器人样机的初步测试结果表明，所提出的基本参数与技术性能指标达到了预期要求，验证了所开展设计与分析结果的正确性，为该喷涂机器人的研发、设计提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景及目的
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文主要难点及研究步骤
• 2 喷涂工艺及对机器人的要求
• 2.1 喷涂工艺
• 2.2 喷涂的主要工序和技术要求：
• 2.3 喷涂过程中的缺陷
• 2.4 喷涂中的安全防爆
• 2.5 汽车喷涂工艺对机器人的要求
• 3 喷涂机器人基本尺寸的确定
• 3.1 关节形式
• 3.2 关节布局
• 3.3 机器人大、小臂长度
• 3.4 关节转角范围的确定
• 3.5 基座几何参数的确定
• 3.6 设计实例
• 3.7 小结
• 4 空心手腕分析与设计
• 4.1 基本尺寸的初确定
• 4.2 机器人整体数值解反解分析：
• 4.3 手腕传动比的计算
• 4.4 手腕工作空间分析
• 4.5 内部管路受弯情况分析
• 4.6 手腕结构设计流程
• 4.7 传动及连接形式
• 4.8 结构形式
• 4.9 小结
• 5 机器人动力学分析与减速机、电机校核
• 5.1 机器人结构简化
• 5.2 速度雅可比矩阵
• 5.3 根据机器人参数要求估算关节转速
• 5.4 静力学分析
• 5.5 机器人动力学方程
• 5.6 关节空间和操作空间动力学
• 5.7 电机减速机校核
• 5.8 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1：攻读学位期间发表的学术论文