《機械制造自動化論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機械制造自動化論文（52頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、機械制造自動化論文 機械制造自動化論文 專 業(yè) 機械制造及其自動化 摘 要 本設計以水平四自由度裝配機器人大小手臂為研究對象，采用虛擬樣機技術對機械系統(tǒng)進行設計，利用UG的運動學和動力學仿真功能，對水平四自由度裝配機器人手臂的運動學和動力學特性做了深入研究。仿真分析結果可以指導零件的結構設計或調整零件的材料的選擇。虛擬樣機技術的應用對于提高工業(yè)產(chǎn)品的品質，降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本具有很大的作用。 首先建立了水平四自由度裝配機器人整體的模型，并依據(jù)

2、以上模型建立了水平二連桿機器人手臂的運動學和動力學方程，從理論上對水平二連桿機器人大小手臂的運動學和動力學規(guī)律進行研究。 在機器人手臂的運動學和動力學仿真分析方面，利用UG做運動學和動力學仿真，可以得到各桿件的任一點的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各連桿的動能和機械手的總動能等。以上信息的取得對于機器人手臂的設計可以起到支持作用。 關鍵詞：水平四自由度裝配機器人；運動學分析；動力學分析；仿真 Abstract In this article, we aim to design a planar four-DOF ass

3、embly robot arm. Using virtual Prototyping Technology designs mechanism system. We utilize the kinematics and dynamics simulation function of virtual prototype software UG to get the kinematics and dynamics characteristic of the planar four-DOF assembly robot arm. The simulation results of the analy

4、sis can help us modify the material of part and improve the structure design. Applying virtual Prototyping Technology is important for improving the quality of product and decrease the case of product. We first build the model of the planar four-DOF assembly robot; then establish the kinematics and

5、 dynamics equation of the planar four-DOF assembly robot arm, and do some theoretical research on the kinematics and dynamics characteristics of the robot arm. For the two-bar robot arm, we focus merely the whole kinetic energy at horizontal condition, and neglect the change of potential energy due

6、to the bending deflection of the robot arm. In the simulation of the kinematics and dynamics of robot arm, we use UG to get the displacement, speed, acceleration, force, torque, kinetic energy of each link and the whole kinetic energy of robot arm, etc. Such information will support the design of

7、 robot arm. Key word: Planar four-DOF assembly robot; Kinematics analysis; Dynamics analysis, Simulation 目 錄 第一章 緒論---------------------------------------------------------1 1.1 工業(yè)機器人及其相關技術的發(fā)展概括------------------------------------1 1.1.1 工業(yè)機器人技術概況----------------------------------

8、----------1 1.1.2 世界工業(yè)機器人技術發(fā)展概況----------------------------------1 1.1.3 我國工業(yè)機器人技術發(fā)展概況及主要研究內容----------------------3 1.2 虛擬樣機技術的重要作用----------------------------------------------7 1.3 本課題研究的意義和目的--------------------------------------------9 1.3.1 課題的意義----------------------------------------

9、-------9 1.3.2 課題的目的-------------------------------------------------10 1.4 本課題的研究的方法-------------------------------------------10 第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的總體設計情況------------12 2.1 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設計方案----------------------------12 2.1.1 總體設計方案的構思-------------------------------------------12 2.1.2 大

10、臂和小臂模組的設計構思-------------------------------------16 2.1.3 Z軸模組的設計構思-----------------------------------------18 2.2 裝配工業(yè)機器人的外形尺寸和工作空間---------------------------------19 2.3 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械結構方案設計------------------20 2.3.1 第一關節(jié)結構設計---------------------------------------20 2.3.2 第二關節(jié)結構設計---------

11、------------------------------------21 2.3.3 第三、第四關節(jié)結構設計----------------------------------------22 第三章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的建模----------------------24 3.1 建立各裝配部件3D模型------------------------------------------24 3.2 建立總裝配3D模型----------------------------------------------26 第四章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學分析------

12、--------29 4.1 在X-Y平面內建立二連桿的運動學算法模型-----------------------------29 4.2 二連桿機構運動學分析的數(shù)學基礎-------------------------------------30 4.2.1 二連桿機構在X-Y平面內的空間示意圖----------------------------30 4.2.2 二連桿機構在X-Y平面內位置和姿態(tài)的數(shù)學描述--------------------30 4.2.3 齊次坐標變換------------------------------------------------

13、-31 4.3物體的變換與逆變換-------------------------------------------------31 4.3.1 物體的位置描述-----------------------------------------------31 4.3.2 齊次變換的逆變換---------------------------------------------31 4.3.3 變換方程初步-------------------------------------------------31 4.4 UG的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的運動學分析---------

14、----------------32 4.4.1 機器人正向運動學---------------------------------------------32 4.4.2 機器人逆向運動學---------------------------------------------32 4.5 運動學仿真分析-----------------------------------------------------33 4.5.1 廣義坐標和時間的函數(shù)曲線-------------------------------------36 4.5.2 速度約束方程和時間的函數(shù)曲線---

15、------------------------------36 4.5.3 加速度約束方程和時間的函數(shù)曲線-------------------------------37 第五章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的動力學分析--------------37 5.1 二連桿機器人手臂動力學方程的建立方法-------------------------------38 5.1.1 速度的計算---------------------------------------------------38 5.1.2 動能的計算--------------------------------

16、-------------------39 5.1.3 動力學方程的推導---------------------------------------------40 5.2 二連桿機構的點到點動力學仿真---------------------------------------41 5.2.1 二連桿機構動能變化關系---------------------------------------42 5.2.2 二連桿機構轉矩變化關系---------------------------------------42 第六章 總結------------------------

17、---------------------------------45 致謝-----------------------------------------------------------------46 參考文獻------------------------------------------------------------47 47 第一章 緒論 1.1 工業(yè)機器人及其相關技術和發(fā)展概況 1.1.1 工業(yè)機器人技術概況 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機

18、電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology）是利用軟件所提供的各零部件的物理和幾何信息，直接在計算機上對機械系統(tǒng)進行3D建模和虛擬裝配；從而獲得基于產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型—即虛擬樣機（Virtual Prototype）

19、，并對其進行仿真分析。這種方法使設計人員能在計算機上快速試驗多種設計方案，直至得到最優(yōu)化結果，從而大幅度縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。因此，利用虛擬樣機技術進行工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的設計可以實現(xiàn)降低開發(fā)成本的目的。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。因此，各國都很重視工業(yè)機器人技術的發(fā)展和工業(yè)機器人技術在生產(chǎn)中的應

20、用。 1.1.2 世界工業(yè)機器人技術發(fā)展概況 近代工業(yè)機器人的原型可以從1948年算起，當時美國原子能委員會的阿貢研究所為適應核技術發(fā)展的需要開發(fā)了處理放射性材料的主從機械手[1]。1954年，喬治.德沃爾提出了“通用重復操作機器人的方案”并研制出了第一臺通用工業(yè)機器人(Engelberberger)，這是一臺將遙控操作器的連桿機構與數(shù)控銑床的伺服軸結合起來的設備。1962年，喬治.德沃爾與Engelberberger合作創(chuàng)建的美國萬能自動化(Unimation)公司的第一臺工業(yè)機器人Unimate在美國通用汽車公司(GE)投入使用，這標志著第一代機器人的誕生[1][2]。 由于歷史條

21、件和技術水平的關系，60年代工業(yè)機器人發(fā)展較慢；進入70年代后，焊接，噴漆機器人相繼在工業(yè)中應用和推廣。到1980年全世界約有2萬臺工業(yè)機器人在工業(yè)中應用，而到1985年底就達到了1000萬臺。 國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景2看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。全世界工業(yè)機器人的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的，15年來已經(jīng)出現(xiàn)3次馬鞍形曲線。第一次在80年代中期(1985~1987)，那是由于第一代工業(yè)機器人在

22、一些發(fā)達國家汽車工業(yè)中的應用漸達飽和，以及日元不斷升值所至。1988年后，隨著電子行業(yè)工業(yè)機器人的大量應用及日本經(jīng)濟的復蘇，工業(yè)機器人增長率開始回升，1990年達到高峰。1992~1994年又出現(xiàn)了第二次馬鞍形，由1990年的最高紀錄年產(chǎn)8.1萬臺降為1994年的5.3萬臺，主要原因還是日本經(jīng)濟不景氣的影響。1995年開始復蘇，1997年新安裝8.7萬臺，創(chuàng)歷史最高紀錄，而1998年實際訂貨7.1萬臺，銷售額比上一年下降16%，出現(xiàn)了第三個馬鞍形，是由于日，韓兩國銷售額大幅下降所致。1999年回升，主要原因是北美和歐洲訂單的增長[3]。 進入21世紀，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在1

23、0％左右。2004年增長率達到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達43%。 隨著電子計算機，自動控制技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，工業(yè)機器人技術在一些國家發(fā)展起來了。在普及第一代工業(yè)機器人的基礎上，目前第二代工業(yè)機器人已推廣成為主流安裝機型；第三代智能機器人也已發(fā)展起來。 現(xiàn)代工業(yè)機器人技術的發(fā)展具有如下特點： 機械結構方面：以關節(jié)型為主流，80年代開發(fā)的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占總量的1/3； 控制技術方面：大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達27軸；采用通用機器人編程語言，基于PC的開放結構的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一股潮流； 驅動技術方面：80年代發(fā)展起來的AC

24、伺服驅動已成為主流驅動技術，在遠程控制中已采用分布式智能驅動新技術；網(wǎng)絡通訊方式多采用Ether網(wǎng)通訊方式，其它采用RS-232、RS-485等通訊接口； 高速、高精度、多功能化：目前，最快的裝配機器人最小合成速度為16.5m/s，位置重復精度0.01mm； 集成化與系列化：當今工業(yè)機器人技術的另一個特點是從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展，多個機器人與微機、周邊智能設備和操作人員形成一個多智能體； 到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。 在工業(yè)機器人技術發(fā)展方面

25、：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用，工業(yè)機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將工業(yè)機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈式結構，拓展了工業(yè)機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了工業(yè)機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使工業(yè)機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去工業(yè)機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，幾乎可以滿足任何場合的需求[6]。 當前工業(yè)機器人的發(fā)展方向是探索新的高強度輕質材料，進一步提高負

26、載/自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。 在非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)發(fā)展方面：隨著人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術的一個重要發(fā)展方向。 1.1.3 我國工業(yè)機器人技術發(fā)展概況及主要研究內容 1.1.3.1 我國工業(yè)機器人技術發(fā)展概括 我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比有一定的距

27、離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人，約占全球已安裝臺數(shù)的0.4%[4]。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 縱觀目前經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，我國機器人市場增長異常迅猛；從銷售量上更是充分說明了這個不爭的事實。在中國市場上占有35％市場份額的ABB

28、公司2004年在中國賣出了600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了2000臺機器人。專家預測，中國機器人到2010年擁有量將達到17300臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺（套）。據(jù)悉，汽車制造、工程機械及電機、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主。 1.1.3.2 我國工業(yè)機器人技術主要的研究內容： （1） 工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術研究 ① 關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ② 柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服

29、軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。 ③ 焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ④ 弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成像系統(tǒng)，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調控制。 ⑤ 焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。 ⑥ 電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ⑦ 批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。 （2） 智能機器人開發(fā)研究 ①

30、遙控加局部自主系統(tǒng)構成和控制策略研究 包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關系；監(jiān)控系統(tǒng)的結構。 ② 智能移動機器人的導航和定位技術研究 包括導航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構；在結構環(huán)境或非結構環(huán)境中導航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導航的研究。 ③ 面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實

31、系統(tǒng) 包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數(shù)據(jù)的獲??；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。 ④ 人機交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機交互技術；求知模型工件的反示過程中的交互技術；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術。 ⑤ 基于計算機屏幕的多機器人遙控技術 包括三維立體視覺建模

32、；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網(wǎng)絡通訊。 （3） 機器人化機械研究開發(fā) ① 并聯(lián)機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結構實現(xiàn)技術；VMT與RMC關鍵傳動實現(xiàn)技術；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應用軟件開發(fā)；智能化機構、材料機電一體化技術；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發(fā)。

33、 ② 機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備 包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網(wǎng)的遠程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。 （4） 以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng) ① 開放式模塊化裝配機器人 包括通用要素的提??；專用件標準化；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構造的控制器；人機界面方式；網(wǎng)絡功能。 ② 面向機器人裝配的設計技術 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術；產(chǎn)品機器人化裝配規(guī)劃生成技術；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。 ③ 機器人柔性

34、裝配系統(tǒng)設計技術 其中單元技術：供料系統(tǒng)智能化設計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。 ④ 可重構機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術 開展基于任務和環(huán)境的動態(tài)重構機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控制技術及系統(tǒng)各單元體間的協(xié)作規(guī)劃。 ⑤ 裝配力覺、視覺技術 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術；視覺識別與定位技術。 ⑥ 智能裝配策略及其控制 包括裝配狀態(tài)實時檢測和監(jiān)控；裝配順序和路徑智能規(guī)劃及控制技術。 （5） 多傳感器信息融合與配置技術 ① 機器人的傳感器配置在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控

35、制系統(tǒng)中的應用 包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ② 機電一體化智能傳感器 包括具有感知、自主運動、自清污（自調整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現(xiàn)檢測和清污的自主運動；調節(jié)控制系統(tǒng)；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用。 我國的智能機器人和特種機器人在近幾年的發(fā)展中，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開

36、發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品[5]。 1.2虛擬樣機技術的重要作用 隨著計算機技術的日益成熟，近年來在對機械系統(tǒng)進行分析中，出現(xiàn)了虛擬樣機技術。虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology）是一項新生的工程技術；它采用計算機仿真與虛擬技術，在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)產(chǎn)品的

37、仿真和分析。虛擬樣機技術在設計的初級階段---概念設計階段就可以對整個系統(tǒng)進行完整的分析，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，它可以在計算機上方便地修改設計缺陷，仿真實驗不同的設計方案，對整個系統(tǒng)不斷改進，直至獲得最優(yōu)設計方案以后，再做出物理樣機。 虛擬樣機技術的研究范圍主要是機械系統(tǒng)運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析技術進行了機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)及其各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構件運動所需的作用力及其反作用力等。 任何一項技術的產(chǎn)生及廣泛應用都有其

38、原因，其中最重要的是市場的需求和技術本身的成熟程度。虛擬樣機技術的起源有其經(jīng)濟背景。隨著經(jīng)濟貿易的全球化，要想在競爭日趨激烈的市場上取勝，縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質量、降低成本以及對市場的靈活反應成為競爭者們所追求的目標。誰早推出產(chǎn)品，誰就占有市場。然而，傳統(tǒng)的設計與制造方式無法滿足這些要求。 在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，首先是概念設計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設計。在設計完成后，為了驗證設計，通常要制造樣機進行實驗，有時這些實驗甚至是破壞性的。當通過實驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，又要回頭修改設計并再用樣機驗證。只有通過周而復始的設計—實驗—設計過程，產(chǎn)品才能達到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結構復雜的

39、系統(tǒng)。 設計周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應了。樣機的單機手工制造增加了成本。在大多數(shù)情況下，工程師為了保證產(chǎn)品按時投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時便有了先天不足的毛病。在競爭的市場背景下，基于實際樣機上的設計驗證過程嚴重地制約了產(chǎn)品質量的提高，成本的降低和對市場的占有。 虛擬樣機技術的應用貫穿在整個設計過程當中。它可以用在概念設計和方案論證中，設計師可以把自己的經(jīng)驗與想象結合在計算機里的虛擬模型里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當虛擬模型用來代替實際模型驗證設計時，開發(fā)周期縮短，設計質量和效率得到了提高。 1997年7月4日，美國航空航天局（NASA）的噴氣推進實驗室（JPL）

40、成功地實現(xiàn)了火星探測器“探路者”在火星上的軟著陸，成為轟動一時的新聞。但人們并不知道，如果不是采用了該項技術，這個計劃可能要失敗。在探測器發(fā)射以前，JPL的工程師們運用虛擬樣機技術預測到由于制動火箭與火星風的相互作用，探測器很可能在著陸時滾翻并最后6輪朝上。工程師們針對這個問題修改了技術方案，保證了火星登陸計劃的成功。 福特汽車公司在一個新車型的開發(fā)中也采用了虛擬樣機技術，其設計周期縮短了70天。全公司范圍內，由于采用了這項技術，設計費用減少了0.4億美元，制造費用節(jié)省了510億美元。由于設計制造周期的縮短，新車上市早，額外贏利達到其成本的數(shù)倍。 世界上最大的工程機械制造商卡特彼勒公司的工

41、程師們在經(jīng)過幾天培訓后，采用這項技術進行裝載機和挖掘機的工作裝置優(yōu)化設計及分析，在一天時間內，他們對工作裝置進行了上萬個工位的運動及受力分析，很容易地實現(xiàn)了理想的設計。 虛擬樣機技術在技術與市場兩個方面的成熟也與計算機輔助設計（CAD）技術的成熟及大規(guī)模推廣應用是分不開的。首先，CAD中的三維幾何造型技術能夠使設計師們的精力集中在創(chuàng)造性設計上，把繪圖等煩瑣的工作交給計算機去做。這樣設計師就有額外的精力關注設計的正確和優(yōu)化問題。其次，三維造型技術使虛擬樣機技術中的機械系統(tǒng)描述問題變得簡單。第三，由于CAD強大的三維幾何編輯修改技術，使機械系統(tǒng)設計的快速修改變?yōu)榭赡?，在這基礎上，在計算機上的設計

42、實驗和設計的反復過程才有時間上的意義。 虛擬樣機技術是許多技術的綜合。它的核心部分是多體系統(tǒng)運動學與動力學建模理論及其技術實現(xiàn)。作為應用數(shù)學的一個分支的數(shù)值算法及時地提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計算機可視化技術及動畫技術的發(fā)展為這項技術提供了友好的用戶界面。CAD/FEA等技術的發(fā)展為虛擬樣機技術的應用提供了技術環(huán)境。 虛擬樣機技術應當屬于計算機輔助工程（CAE）的一個分支。隸屬于CAE的其他分支有限元技術等。虛擬樣機技術區(qū)別于其他分支之外在于它是從系統(tǒng)的層面來分析系統(tǒng)，而與有限元有關的技術分支所進行的是部件的分析。正由于此，虛擬樣機技術對設計方法和過程的影響要比有限元技術

43、帶來的影響要大。虛擬樣機技術不僅幫助企業(yè)縮短生產(chǎn)周期，降低成本和提高質量，而且改變了產(chǎn)品設計的順序。 過去的設計方式是由下到上：從部件設計到整機設計。這種方式的弊端是設計師往往把注意力集中在細節(jié)而忽略了整體性能。這種事情在我國常發(fā)生，尤其在對國外引進樣機的消化上，在整機性能還沒有吃透的情況下就開始照抄零件。借助于虛擬樣機技術，傳統(tǒng)的設計過程被逆轉了。設計過程先從整機開始，按照由上至下的順序進行。這樣可以避免代價昂貴的在系統(tǒng)設計方面的失誤。當設計工業(yè)機器人時，可以依技術指標，利用虛擬樣機技術確定工作裝置的參數(shù)，優(yōu)化設計在初期設計階段完成。對于初期階段的虛擬樣機的仿真結果可以作為零件設計的參考。

44、 虛擬樣機技術已經(jīng)廣泛地應用在各個領域里：汽車制造業(yè)，工程機械，航空航天業(yè)，國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機的快門，天上的火箭到海上的輪船。在各個領域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機技術都為用戶節(jié)省了時間，降低了成本并提供了滿意的設計方案。 1.3 本課題研究的意義和目的 1.3.1 課題的意義 希望通過本課題的研究，掌握基于虛擬樣機技術的水平四自由度工業(yè)機器人手臂機械系統(tǒng)的設計方法，并將研究成果應用到企業(yè)的生產(chǎn)實際中；同時通過本課題的研究，可以掌握先進的設計方法，并將這些先進的設計方法應用到其它自化設備的開發(fā)當中；最終實現(xiàn)提高產(chǎn)品質量，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)

45、成本。 1.3.2 課題的目的 本課題的研究主要有兩個目的： 目的一、解決本企業(yè)生產(chǎn)中存在的實際問題，為企業(yè)降低成本、增加效益、提高競爭力做出貢獻 1)本企業(yè)運營現(xiàn)狀： 由于國家和地方出臺的各種保護勞動者利益的政策，使企業(yè)人力成本提高； 為了保證產(chǎn)品品質的穩(wěn)定性，企業(yè)有開發(fā)自動化設備來代替人工的需求； 目前，公司自主開發(fā)的自動化設備均為剛性機，只能針對單一產(chǎn)品； 電子產(chǎn)品生命周期越來越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快； 電子產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，人工作業(yè)精度越來越難滿足生產(chǎn)要求； 2)解決對策： 導入泛用型、柔性化、高精度的自動化設備是必由之路；而這種自動化設備最典型的代

46、表就是工業(yè)機器人。 3)生產(chǎn)中成功導入工業(yè)機器人的途徑： 在市場上采購工業(yè)機器人：優(yōu)點：功能強、精度高；缺點：價格貴、對前期培訓和售后服務要求高； 自主開發(fā)：優(yōu)點：價格低、功能滿足企業(yè)實際需求；培養(yǎng)企業(yè)內工程技術人員的開發(fā)能力。缺點：沒有相關開發(fā)經(jīng)驗必須尋求外部資源的協(xié)助；需要較長的開發(fā)周期。 從長遠來看，自主開發(fā)是必由之路! 目的二、通過論文的實施，可以學到先進的設計方法；并把這些設計方法應用在其他自動化產(chǎn)品的開發(fā)中； 1.4 本課題的研究的方法 1、初步確定四自由度機器人的結構； 2、初步確定四自由度機器人的尺寸方案； 3、初步確定四自由度機器人的工作空間合理分布；

47、4、確定四自由度機器人的傳動方式； 建立水平四自由度機器人動力學方程，并利用UG的運動分析模塊 1、水平四自由度機器人的運動學分析； 2、水平四自由度機器人的動力學分析； 最終確定水平四自由度機器人機械結構。 第二章 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的總體設計 2.1 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設計方案 2.1.1 總體設計方案的構思 本課題是為了解決電子產(chǎn)業(yè)裝配生產(chǎn)中存在的多品種小批量生產(chǎn)模式而開發(fā)的裝配工業(yè)機器人。 從應用環(huán)境來分析： 一、 工業(yè)機器人需要如下四個自由度，大小臂在XY平面內轉動，Z軸上下移動以及Z軸的轉動，在這個四自由度下工作就可以滿足絕大多數(shù)的裝配

48、應用； 1. 工作范圍的確定： 工業(yè)機器人工作的范圍根據(jù)工藝要求和操作運動軌跡來確定。一個操作運動的軌跡一般是由幾個動作合成的；在確定工作范圍時，可將運動軌跡分解成單個動作，由單個動作的行程確定工業(yè)機器人的最大行程。各個動作的最大行程確定之后，工業(yè)機器人的工作范圍即可確定。 2. 大小臂尺寸的確定： 裝配生產(chǎn)中所用裝配流水線的寬度一般為700mm~800mm左右，如果工業(yè)機器人手臂置于流水線的中間位置，考慮其大小臂長度之和為380mm則可以滿足需求。 3. Z軸平移及旋轉行程的確定： 為了使工業(yè)機器人手臂與流水線手工作業(yè)人員很好的結合，工業(yè)機器人手臂Z軸的位置高度應與人工治具

49、高度相當，同時考慮到對不同產(chǎn)品的泛用性，Z軸上下運動位移須達到180mm，符合人手上下取放的高度；Z軸旋轉須360，以實現(xiàn)不同角度的裝配。 4. 臂力的確定： 對于裝配工業(yè)機器人來說，臂力主要根據(jù)被抓取、搬運物體的重量及重量變化范圍來定，其安全系數(shù)一般可在1.5~3.0范圍內選取。 二、 面向的產(chǎn)品具有短、小、輕、薄的特點，要求裝配工業(yè)機器人有高精度，但載荷并不要求很大。 1. 根據(jù)電子產(chǎn)品的特點，短、小、輕、薄、結構復雜；所以在裝配過程中，只有高精度才能保證產(chǎn)品結構不會破壞，從而保證品質。 2. 工業(yè)機器人本身所能達到的定位精度，取決于定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛度

50、、驅動方式、緩沖方法等很多因素。所以在本課題中，在結構設計上應用虛擬樣機技術進行臂部剛度的優(yōu)化設計，在驅動方式上采用交流伺服驅動，并以絕對式光電編碼器進行工作位置的反饋。在傳動方式上采用交流伺服電機+同步齒形帶和步進電機+同步齒形帶兩種方式。保證求裝配工業(yè)機器人所需的精度。 3.根據(jù)電子產(chǎn)品短、小、輕、薄的特點，所以裝配工業(yè)機器人的最大載荷并不需要很大，最大載荷為3KG完全可以滿足要求。 三、 工業(yè)生產(chǎn)要求裝配工業(yè)機器人有高的生產(chǎn)效率，即在盡量短的時間內完成裝配和加工作業(yè)；裝配工業(yè)機器人工作速度越快，則生產(chǎn)效率就越高。 裝配工業(yè)機器人各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分

51、配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度；如裝配工業(yè)機器人要完成某一工件的上料過程，需要完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉等一系列動作，這些動作都應該在工作節(jié)拍所規(guī)定的時間內完成；到于各動作的時間究竟應如何分配，則取決于很多因素，需要各種因素綜合考慮，比較平衡后，才能確定。 本課題中將各組件的運動速度設定如下：大臂旋轉200/S，MAX、小臂旋轉200/S，MAX、Z軸上下運動240mm/S，MAX、Z軸旋轉360/S，MAX。 裝配工業(yè)機器人工作速度固然是越快越好，但是由于速度越快，對系統(tǒng)要求就越高，包括：材料、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、計算精度等；所以本課題根據(jù)實際需要，本著量力而行的原則

52、，制定了如上的性能指標。 基于以上考慮，把如上裝配工業(yè)機器人的結構和技術指標作如下設定： 開發(fā)四自由度(三轉一平移)、行程(回轉角度360，L1+L2=380mm)、最大搬運重量(3KG)、最短循環(huán)時間(1s/cycle)的水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械手臂部分。 表2-1 裝配工業(yè)機器人整體要求 項目 設計要求 結構類型 水平關節(jié)型工業(yè)裝配機器人 自由度 四個，包括：大臂旋轉、小臂旋轉、主軸上下運動、主軸旋轉 驅動方式 交流伺服驅動，絕對式光電編碼器反饋 傳動方式 交流伺服電機+同步齒形帶，步進電機+同步齒形帶、滾珠絲桿花鍵 表2-2 裝配工業(yè)機器人主要技術指標

53、 項目 技術指標 運動范圍 大臂旋轉 小臂旋轉 Z軸上下運動 Z軸旋轉 360 180 180mm 360 L1=161mm L2=219mm 最大速度 200/S 200/S 240mm/S 360/S 最大合成速度 2500 mm/S 最大載荷 3KG 重復定位精度 0.1mm 綜合以上水平四自由度裝配工業(yè)機器人的研究目標、總體要求和主要技術指標；對如上水平四自由度裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)做如下構思： 1． 機器人的驅動方式 工業(yè)機器人的驅動方式有電動，液壓和氣動三種。一臺工業(yè)機器人可以只用一種驅動方式，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅

54、動。工業(yè)機器人的驅動方式在選擇時主要考慮負載、效率、精度和環(huán)境等因素。液壓系統(tǒng)具有較大的功率體積比，因此，大負載通常選用液壓驅動。氣動系統(tǒng)簡單、成本低、適合節(jié)拍快、負載小且精度要求不高的場合。電動系統(tǒng)適合于中等負載，特別適合動作復雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器人。 基于綜合因素的考慮，在本課題中，裝配工業(yè)機器人的驅動采用電動方式。 2． 關節(jié)驅動方式 關節(jié)的驅動方式有直接驅動和間接驅動兩種方式。 直接驅動方式是驅動裝置的輸出軸和機器人手臂的關節(jié)軸直接相連。 間接驅動方式是驅動裝置經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關節(jié)軸相連。 1） 關節(jié)直接驅動方式 關節(jié)直

55、接驅動方式一般指驅動電機通過機械接口直接與關節(jié)連接。這種方式的特點是驅動電機和關節(jié)之間沒有速度和轉矩的轉換。目前中小型工業(yè)機器人一般采用普通的直流伺服電機，交流伺服電機或步進電機作為工業(yè)機器人的執(zhí)行電機。由于電機速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進行間接傳動。但是間接傳動帶來了不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響工業(yè)機器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關節(jié)重量和尺寸。 關節(jié)直接驅動方式和間接驅動方式相比，有如下優(yōu)點：機械傳動精度高、振動小，結構剛度好、機械傳動損耗小、結構緊湊，可靠性高、響應速度快，調速范圍寬。 關節(jié)直接驅動方式是一種極有發(fā)展前途的驅動方式，許多國家為實現(xiàn)機器人高精度，高速度和高智

56、能；對關節(jié)直接驅動方式投入了大量的研究和開發(fā)。目前主要存在的問題是： a． 載荷變化，耦合轉矩及非線性轉矩對驅動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設計困難和復雜。 b． 對位置，速度的傳感元件提出了相當高的要求。傳感器精度為帶減速裝置（速比為K）的間接驅動方式的K倍以上。 c． 電機的轉矩/重量比和轉矩/體積比不大，需開發(fā)小型實用的電機；電機成本高。 d． 把電機直接安裝在關節(jié)上，增加了臂的總質量，并且對下一個關節(jié)產(chǎn)生干擾，使工業(yè)機器人的負載能力和效率下降。 2） 關節(jié)間接驅動方式 大部分機器人的關節(jié)是間接驅動。這種間接驅動，通常其驅動器的輸出力矩大小于驅動關節(jié)所需要的力矩，所以

57、必須使用減速裝置。另外，手臂通常采用懸臂梁結構，所以多自由度機器工業(yè)機器人關節(jié)上安裝驅動裝置會使手臂根部關節(jié)驅動裝置的負荷增大。改善這一問題的方法通常是經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置與關節(jié)軸相連，以驅動關節(jié)運動。在本課題中，裝配工業(yè)機器人的關節(jié)驅動方式采用關節(jié)間接驅動方式。 3． 材料的選擇 選擇工業(yè)機器人本體材料，應從工業(yè)機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設計和制作要求。工業(yè)機器人的材料并不是簡單工業(yè)材料的組合，它應是滿足工業(yè)機器人性能的材料，應在充分掌握機器人的特性和各組成部分的基礎上，從設計思想出發(fā)，確定所用材料的特性，即必須事先充分領會機器人的概念和各組成部分的作用。

58、 機器人本體被用來支承，連接，固定機器人的各部分，當然機器人本體所用的材料也是結構材料。但機器人本體又不單是固定結構件，比如，機器人臂是運動的；所以工業(yè)機器人運動部分的材料質量要輕。精密工業(yè)機器人對剛度有一定的要求，即對材料剛度有一定的要求。剛度設計時要考慮靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題。從材料角度看，控制振動涉及到減輕重量和抑制振動兩方面，本質上就是材料內部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關。傳統(tǒng)的工業(yè)材料與機器人材料之間的差別，在于機器人是伺服機構，其運動是可控的，這就是傳統(tǒng)材料中所沒有的“被控性”。材料的被控性是與材料的結構性、輕質性和可加工性同樣重要的因素。材料的被控性取

59、決于材料的輕質性、抗振性和彈性。工業(yè)機器人本體材料必須與材料的結構性、輕質性、剛性、抗振性和工業(yè)機器人整體性能一同考慮到。 工業(yè)機器人常用材料包括：碳素結構鋼和合金結構鋼、鋁，鋁合金及其他輕合金材料、纖維增強合金、陶瓷、纖維增強復合材料、粘彈性大阻尼材料等。 4． 主要機構部件的設計和選擇 近年來，工業(yè)機器人朝著智能化，標準化方向發(fā)展。模塊化工業(yè)機器人得到重視，它是由一些標準化、系列化的模塊通過具有特定功能的結合部件，用積木拼搭的方式組成一個工業(yè)機器人系統(tǒng)。目前，國內外已研制和生產(chǎn)了各種不同的標準組件，如伺服電機、步進電機、傳感器、手臂、手腕等。 因此，在設計工業(yè)機器人時可選用標準

60、模塊，也可以自行設計一些專用部件。[1] 在本課題中，裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)機械結構分為兩個部分：固定部分和運動部分。固定部分包括底座、支架、主傳動軸等。 運動部分即裝配工業(yè)機器人手臂部分，包括兩個模塊：大小臂模組和Z軸模組。本課題“水平四自由度裝配機器人的設計及仿真分析”主要就是針對裝配工業(yè)機器人系統(tǒng)的運動部分展開研究。 2.1.2 大臂和小臂模組的設計構思 把工業(yè)機器人大臂和小臂作為一個模塊，兩臂之間由關節(jié)軸連接；關節(jié)軸中部固定一只皮帶輪，通過同步齒形帶傳遞動力并帶動小臂實現(xiàn)旋轉作業(yè)；因為同步齒形帶與皮帶輪之間是過盈配合，所以有效地消除了傳動間隙。而整個二連桿系統(tǒng)由固定于支架上的主

61、軸驅動，主軸，支架及底座部分對工業(yè)機器人系統(tǒng)的運動特性影響很小；所以對工業(yè)機器人手臂系統(tǒng)進行設計時主要考慮此二連桿機構的運動特性。 ⑴ 關節(jié) 工業(yè)機器人中連接運動部分的機構稱為關節(jié)（Joint），關節(jié)有轉動型和移動型，分別稱它為轉動關節(jié)和移動關節(jié)。 ① 轉動關節(jié)（Rotary Joint）就是關節(jié)型工業(yè)機器人中被稱為“關節(jié)”的連接部分，它既連接各機構，又傳遞各機構間的回轉運動（或擺動），用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手等連接部位上。關節(jié)由回轉軸、軸承和驅動機構組成。關節(jié)和驅動機構的連接方式有多種，因此轉動關節(jié)也有多種形式, 主要包含如下幾種： a． 驅動機構和回轉軸同軸式；

62、b． 驅動機構與回轉軸正交式； c． 外部驅動機構驅動臂部的形式； d． 驅動電機安裝在關節(jié)內部的形式； 用于轉動關節(jié)的軸承有多種形式。工業(yè)機器人中軸承起著相當重要的作用，主要采用滾動軸承，最常用的有薄壁密封型球軸承。另外，還有一種能承受徑向載荷、軸向載荷和扭矩的角接觸球軸承（Cross roller bearing）。該軸承承載能力大，常用在擺動或轉動關節(jié)上。 ② 移動關節(jié)（Slide Joint）由直線運機構和在整個運動范圍內起導向作用的直線導軌部分（Linear motion guide）組成。 本課題中的機械關節(jié)結構全部使用轉動關節(jié)。 ⑵ 工業(yè)機器人手臂 圖

63、2-1 二連桿模組簡圖 工業(yè)機器人手臂的結構形式必須根據(jù)工業(yè)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮手臂的受力情況、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計工業(yè)機器人手臂時一般要注意下述問題： ① 承載能力足：手臂是支撐手腕的部件，設計時不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運動時的動載荷。 ② 剛度高：為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ③ 導向性能好，動作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精

64、度高。為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生轉動，應設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運動速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設計上要力求結構緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。 ④ 重量輕、轉動慣量小。為提高工業(yè)機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 ⑤ 合理設計與腕和機身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關系到工業(yè)機器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影到工業(yè)機器人的外觀。 2.1.3 Z軸模組的設計構思 Z軸整體作為另一個模塊，具有兩個自由度：手腕繞Z

65、軸的旋轉運動和手腕沿Z軸的直線運動。在對工業(yè)機器人手臂做運動學和動力學仿真分析時，Z軸模組可以作為載荷施加在小臂的前端，所以對工業(yè)機器人手臂做運動學和動力學分析主要是考慮二連桿機構的運動特性。 但是腕部作為為臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。手腕按自由度個數(shù)可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕。采用幾個自由度的手腕應根據(jù)機器人的工作性能來確定。在很多情況下，腕部具有二個自由度：回轉和俯仰或回轉和偏轉。在一些特殊情況下，手腕還有直線移動的自由度。 設計腕部時，一般要注意以下問題： 1． 結構緊湊，重量輕。 2． 動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高。 3． 強度，剛度

66、高。 4． 設計合理的手臂和手部的連接部位以及傳感器和驅動裝置的布局和安裝。 由于Z軸模組目前在業(yè)界已經(jīng)實現(xiàn)標準化，采用已經(jīng)標準化生產(chǎn)的模塊，可以保證Z軸模塊質量更輕、精度更高、壽命更長、價格更低。 圖2-2 Z軸模組簡圖 所以在本課題中，腕部的設計采用標準化的Z軸模組，它具有回轉和直線移動兩個自由度。 2.2 裝配工業(yè)機器人的外形尺寸和工作空間 依照對水平四自由度裝配工業(yè)機器人的設計構思，設計出的二維裝配草圖及如圖2-3所示； 圖2-3 裝配工業(yè)機器人的裝配圖 圖2-4 裝配工業(yè)機器人的工作空間圖 工作空間示意圖如圖2-4，大臂作為裝配機器人的粗定位，擁有360的旋轉空間。小臂進行裝配的精細定位擁有180的旋轉空間。 2.3 水平四自由度裝配工業(yè)機器人的機械結構方案設計 工業(yè)機器人手臂是裝配工業(yè)機器人的關鍵部分，工業(yè)生產(chǎn)中要求裝配實現(xiàn)高速、高精度運動。 本課題中，根據(jù)預先擬定的參數(shù)，針對各細部進行結構設計。 2.3.1 第一關節(jié)結構設計 圖2-5 第一關節(jié)結構圖 如圖2-3裝配工業(yè)機器人的裝