钢丝网架焊接机械手的运动轨迹规划及运动学分析研究

论文摘要

钢丝网架珍珠岩夹芯板是一种新型墙体材料,它以其自重轻、隔热、隔音、抗震能力高、施工方便、价格低廉等优点,广泛应用于工业建筑与民用建筑框架结构中的非承重墙体和防火要求高的防火通道、防火墙等部位。为了实现钢丝网架珍珠岩夹芯板的生产设备自动化,本文对钢丝网架原有生产线最后一道工序—焊接工艺进行分析,并根据现场实际工作要求进行焊接机械手的方案结构设计、运动学分析、轨迹规划和仿真分析。本文所完成的工作如下：（1）根据生产现场的方案要求,实现了各个关节的设计、传动机构设计和驱动方式的选择,完成了焊接机械手的结构设计,并通过三维实体建模软件Pro-E建立了焊接机械手的结构模型。（2）采用D-H法建立了该机械手的运动学模型,并在连杆坐标系简图的基础上,利用齐次坐标变换求解了机械手运动学的正问题和逆问题；同时利用特定位置下的机械手验证了运动学正解和逆解的正确性。（3）分析了焊接作业的实际工作空间,在此基础上建立了工作空间正逆问题的数学模型,并采用带约束的非线性规划方法对此模型进行优化,设计出最小包容工作空间的主连杆几何参数。（4）确定了路径方案并将轨迹分段,同时研究一定约束条件下的轨迹规划问题,并阐述了用三次多项式曲线建立机械手的轨迹方程。（5）分析并推导焊接机械手运动的动力学方程,可用来推算机械手的动力控制以及估算以一定速度和加速度驱动机械手时各关节所需的驱动力。（6）在ADAMS中建立机械手的模型,依次添加约束和驱动函数后,仿真检验焊枪的轨迹是否按照预期在夹芯板上完成焊接作业。然后利用Measure工具和后处理程序测量机械手各关节的运动学参数。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 相关领域的国内外研究现状
• 1.4 本文主要工作和结构安排
• 第2章 焊接机械手的总体方案设计
• 2.1 方案要求
• 2.2 机械结构装置设计
• 2.2.1 机构选型
• 2.2.2 自由度的确定
• 2.2.3 机座设计
• 2.2.4 肩关节与肘关节设计
• 2.2.5 腕关节设计
• 2.3 传动机构设计与驱动方式选择
• 2.3.1 传动机构的设计
• 2.3.2 驱动方式的选择
• 2.4 整体结构图
• 2.5 本章小结
• 第3章 焊接机械手的运动学分析
• 3.1 D-H法建立坐标系
• 3.1.1 D-H方法
• 3.1.2 D-H法建立连杆坐标系
• 3.2 运动学正解
• 3.3 运动学逆解
• i'>3.3.1 求解θ_i
• 3.3.2 运动学逆解的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 工作空间分析与机械手主尺寸优化
• 4.1 工作空间概述
• 4.2 焊接作业的空间
• 4.3 工作空间的正问题
• 4.4 主尺寸优化设计
• 4.4.1 目标函数
• 4.4.2 约束条件
• 4.4.3 Matlab程序的编写
• 4.5 本章小结
• 第5章 焊接机械手的轨迹规划
• 5.1 轨迹规划
• 5.2 工作路径规划
• 5.2.1 运动路径
• 5.2.2 运动轨迹时间分段
• 5.2.3 焊点处的转角值
• 5.2.4 三次多项式曲线的应用
• 5.3 轨迹方程的建立
• 5.3.1 最短时间轨迹规划
• 5.3.2 分段的轨迹函数
• 5.4 本章小结
• 第6章 焊接机械手的动力学分析
• 6.1 多刚体动力学
• 6.2 动力学分析
• 6.2.1 连杆上的速度
• 6.2.2 连杆的伪惯量矩
• 6.2.3 机械手连杆的拉格朗日函数
• 6.3 本章小结
• 第7章 ADMAS仿真
• 7.1 建立模型
• 7.2 添加约束和驱动
• 7.3 焊枪的轨迹验证
• 7.4 运动学分析
• 7.4.1 各关节的转角仿真
• 7.4.2 各关节的角速度仿真
• 7.4.3 焊枪速度的仿真
• 7.4.4 焊枪加速度的仿真
• 7.5 动力学分析
• 7.5.1 各关节驱动的扭矩仿真
• 7.5.2 各连杆的动能仿真
• 7.6 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录