工業(yè)焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)學(xué)研究及計(jì)算機(jī)擬實(shí)造型

論文編號(hào):JX1517  論文字?jǐn)?shù):33992.頁(yè)數(shù):63

工業(yè)焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)學(xué)研究及計(jì)算機(jī)擬實(shí)造型

摘  要

 本文所研究與設(shè)計(jì)的6自由度工業(yè)焊接機(jī)器人，是北京理工大學(xué)與東莞精奇機(jī)械科技有限公司校企合作的一個(gè)專項(xiàng)研究課題。該課題的研究宗旨是開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型工業(yè)焊接機(jī)器人，提升我國(guó)在該領(lǐng)域的科研水平與生產(chǎn)能力，其研究的深入、系統(tǒng)、完善與否，對(duì)于我們打破國(guó)外相關(guān)企業(yè)在工業(yè)焊接機(jī)器人領(lǐng)域的壟斷地位，并為我國(guó)在高精度工業(yè)焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域趕上和超過(guò)國(guó)外先進(jìn)水平具有十分重要的意義。
 在廣泛查閱與合理借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)工業(yè)焊接機(jī)器人資料文獻(xiàn)及其技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體構(gòu)成方案和具體結(jié)構(gòu)形式。在多方比較與反復(fù)探索后，確定該工業(yè)焊接機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6自由度關(guān)節(jié)型串連機(jī)器人組成方案，其關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。為了使機(jī)器人能夠獲得優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，該機(jī)器人關(guān)節(jié)處采用行星齒輪減速器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)及輪系減速機(jī)構(gòu)三種傳動(dòng)方案，達(dá)到了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、內(nèi)部空間利用率高、機(jī)體結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、輸出轉(zhuǎn)矩符合要求的設(shè)計(jì)目的。
 為了進(jìn)一步滿足機(jī)器人系統(tǒng)控制上的實(shí)際需要，本文以所構(gòu)建的工業(yè)焊接機(jī)器人三維實(shí)體模型為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，用D-H方法建立了機(jī)器人連桿坐標(biāo)系以及相關(guān)參數(shù)表，推導(dǎo)出了機(jī)器人的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣方程，并得到了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的對(duì)應(yīng)解。此外，本文還采用圖解法對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間加以分析，并繪制出了機(jī)器人實(shí)際工作空間的軸剖圖。
 最后，本文用Pro/E軟件進(jìn)行了該工業(yè)焊接機(jī)器人的裝配效果仿真和工作情景仿真，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。本文所做研究工作及成果可為該機(jī)器人的實(shí)用化、產(chǎn)品化奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)，所積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考和借鑒。
   
 關(guān)鍵詞：6自由度工業(yè)焊接機(jī)器人；結(jié)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；工作空間分析；Pro/E軟件；裝配效果仿真

The structure research of industrial welding robot and computer virtual reality modeling

Abstract
 
 The 6-DOF robot designed in this article is one of the school-enterprise cooperation projects of Beijing University of Technology and Jet Kingdom Machinery Technology Co., LTD. This research is made for raise the standard of the industrial welding robots in China. When the research finished perfectly, we can make a big progress and smash up a monopoly of foreign-related enterprises in the region of high precision industrial welding robot.
 And reasonable access to a wide range of industrial welding robots learn from the literature data on the basis of its technological achievements, the robot was designed according to requirements of the subject programs and the overall composition of the concrete structure. Compared with some other plans, the 6-DOF articulated robot with all rotary joints driven by AC servo motors finally rose. In order to obtain the excellent kinematics and dynamics characteristic, the joints actuating mechanism includes planet gear speed reducer, worm couple and wheel train. The design improved the reliability and the space utilization, saved weight, and met the requirements.
 To meet the needs of control systems, we studied the kinematics, built the coordinate system table with D-H, the forward and inverse kinematics matrix, and got the solution. In addition, we also used graphical approach to analyze the robot's movement space, and got the actual working space of robot axis profile map.
 Finally, we simulated the assembly of the industrial welding robot and the scenario work with Pro-E, and analyzed the simulation systematically. The work in this paper should be basis of the 6 DOF welding robot product design, and can be some reference in relate areas.

 Keywords: 6 DOF industrial welding robot; structural study design; kinematics analysis; work space analysis; Pro / E ; assembly simulation
目  錄

摘  要 I
Abstract II
1  緒   論 1
1.1 引言 1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程及其應(yīng)用 1
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人研究的現(xiàn)狀與意義 2
1.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國(guó)外機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 本文研究的意義及主要內(nèi)容 4
1.3.1 本文研究目的和意義 4
1.3.2 本文主要研究?jī)?nèi)容和工作 5
1.4 本文中設(shè)計(jì)機(jī)器人的主要參數(shù) 5
2  工業(yè)焊接機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 7
2.2 與工業(yè)機(jī)器人有關(guān)的概念 7
2.3 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8
2.3.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析 8
2.3.2 機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
2.4 機(jī)器人手臂驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 11
2.4.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的對(duì)比分析及選擇 11
2.4.2 各關(guān)節(jié)交流伺服電機(jī)的選擇 11
2.5 本章小結(jié) 13
3  機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的確定 14
3.1.1 幾種主要的傳動(dòng)系統(tǒng) 14
3.1.2 機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17
3.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.2.1 外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
3.2.2 主要傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 21
3.2.2 其它元器件的選擇 22
3.3 本章小結(jié) 23
4  裝配與渲染及動(dòng)態(tài)仿真 24
4.1 機(jī)器人的裝配 24
4.1.1 底座的裝配 24
4.1.2 肩部的裝配 25
4.1.3 小臂的裝配 27
4.1.4 掌部的裝配 28
4.1.5 腕部的裝配 28
4.1.6 大臂的裝配 29
4.2 渲染 29
4.3 運(yùn)動(dòng)仿真 30
4.4 本章小結(jié) 33
5  運(yùn)動(dòng)學(xué)與工作空間分析 34
5.1 概述 34
5.2 工業(yè)機(jī)器人位置與姿態(tài)的描述 34
5.2.1 剛體位姿的描述 35
5.2.2 關(guān)節(jié)坐標(biāo)變換 36
5.2.3 Denavit-Hartenberg(D-H)表示法 38
5.2.4 連桿變換矩陣及其乘積 39
5.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解 41
5.3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 41
5.3.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 44
5.4 工作空間分析 46
5.4.1 工作空間的概念 46
5.4.2 工作空間的形成 47
5.4.3 工作空間中的空腔和空洞 47
5.4.4 實(shí)際工作空間的圖解分析和作圖 48
5.5 本章小結(jié) 48
6  總結(jié)與展望 50
6.1 總結(jié) 50
6.2 展望 50
參考文獻(xiàn) 51
附  錄 52
謝  辭 63