打磨机器人手臂的三维设计与静动态分析

论文摘要

机器人是一种典型的机电一体化设备,集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬软件技术、控制理论、传感器技术、人工智能理论等科学及技术于一体,广泛应用于工业生产、太空和海洋探索、国防技术等领域。在固体火箭发动机壳体制造过程中,壳体内部由于制造工艺的限制,有一层很薄的脱粘层,而该脱粘层必须清除,以避免影响以后的加工过程。传统的打磨工作是手工完成的,不仅打磨效率极为低下,而且粉尘对工作人员的健康极为不利。为了提高生产效率及改善作业环境,我们研制了打磨机器人,以实现打磨过程的自动化、智能化。打磨机器人是一台四自由度的移动机器人。本体设计由轮式移动机构设计和机械臂设计组成,其中本论文不涉及轮式移动机构设计。机械臂模仿人的手臂设计成三个自由度,末端执行器采用柔性与刚性相结合的结构,通过调整各关节角可使机器人对空间一定范围内的目标进行打磨。首先,对机器人自动规划技术进行了研究,以“打磨机器人”规划系统为例,详细阐述了机器人操作任务和工作环境模型的表述,操作任务分解原理,子任务的求解与实现方法。并对机器人进行运动学分析,确定了臂部的关键参数。其次,以Pro/E软件为基础,对打磨机器人手臂结构进行设计,包括关键参数的确定与优化,分别建立了大臂、小臂和腕部的实体模型,对小臂和腕部的传动方式进行选择,并最终确定为链传动。最后,为了检验机器人手臂各部分结构设计和规划结果的合理性,将Pro/E建立好的实体模型导入ANSYS中,进行强度、刚度分析,分别确定应力最大和变形量最大发生的部位。接着在ANSYS中对手臂进行动力学分析,包括模态、谐响应和瞬态分析,确定手臂的固有频率和手臂在受到不定载荷激励下的振动及变形情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 机器人发展概况与基本组成
• 1.2.1 机器人发展概况
• 1.2.2 机器人基本组成
• 1.3 机器人设计的总体要求和实现目标
• 1.3.1 机器人的设计要求
• 1.3.2 机器人研究的实现目标
• 1.4 本论文内容安排
• 第2章 机器人规划技术与运动学分析
• 2.1 机器人规划技术
• 2.1.1 机器人规划的基本概念
• 2.1.2 机器人高层规划
• 2.1.3 机器人底层规划
• 2.2 运动学分析
• 2.2.1 机器人运动学建立
• 2.2.2 机器人运动学的逆运算
• 2.3 大臂、小臂和腕部长度的选择
• 第3章 机器人机械系统的设计与三维建模
• 3.1 PRO/ENGINEER软件介绍
• 3.1.1 Pro/E软件的建模原理及其特点
• 3.1.2 Pro/E系统的组成模块及其功能简介
• 3.2 臂部的机械设计及三维建模
• 3.2.1 大臂模型的设计
• 3.2.2 小臂模型的设计
• 3.2.3 腕部模型的设计
• 3.2.4 手部（打磨轮）的设计
• 3.3 传动方式的选择
• 3.3.1 选用间接驱动的理由
• 3.3.2 链传动的设计
• 3.3.3 链条张紧力的调整
• 第4章 打磨机器人手臂的静力学分析
• 4.1 概述
• 4.2 打磨机器人臂部有限元分析原理
• 4.2.1 形状函数
• 4.2.2 单元刚度矩阵
• 4.2.3 单元节点位移
• 4.3 有限元分析步骤
• 4.4 打磨机器人臂部模型的静态求解
• 4.4.1 刚度分析
• 4.4.2 强度分析
• 第5章 打磨机器人手臂的动力学分析
• 5.1 模态分析
• 5.1.1 模态分析的基本思想
• 5.1.2 模态分析的一般过程
• 5.1.3 模态计算结果及分析
• 5.2 谐响应分析
• 5.2.1 谐响应分析的方法
• 5.2.2 谐响应分析的过程
• 5.2.3 谐响应分析的计算结果及分析
• 5.3 瞬态动力分析
• 5.3.1 瞬态动力分析的方法
• 5.3.2 瞬态动力分析过程
• 5.3.3 瞬态动力分析的计算结果及分析
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢