新型裝夾工業(yè)機械手的設計
大摘要
隨著中國老齡化日益嚴重，用工荒越演越烈，很多企業(yè)都難以招聘足夠的技術操作工人。企業(yè)對裝備自動化的要求越來越迫切。自動化生產線的核心裝備是機械手。目前，通用型工業(yè)機械手的研發(fā)設計主要是歐美和日本的一些企業(yè)，例如ABB、KUKA、MotoMan，國內工業(yè)機器人起步晚，目前基本還沒有可以批量生產工業(yè)機器人的企業(yè)。
本文根據(jù)企業(yè)的要求，提出了通用型工業(yè)機器人的解決方案。研究了國內外工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了本文設計的目標，分析了本文設計的意義，給定了本文的總體方案設計。
本文從鑄造類企業(yè)的實際需求出發(fā)，設計了一款PUMA型的工業(yè)機械手。根據(jù)設計要求，基于UGNX6本文自上而下的設計了機械手的結構和傳動、機械手的控制系統(tǒng)及其運動控制系統(tǒng)，著重從機械手結構的動靜剛度對機械手進行了深入的研究，提出了一套可行的設計方案。
本文首先設計了機械手的腕、小臂、大臂、腰身的結構，利用UG對各部分結構進行了建模，利用MSC.ADAMS/VIEW對機構的動力學進行了仿真，虛擬測試了各個關節(jié)動態(tài)驅動力矩，依次設計了各個關節(jié)的驅動形式，并對其進行了整體的動態(tài)仿真驗證。
本文對機械手的結構和動態(tài)性能進行了深入的研究。選取了適合本設計的研究方法有限元理論，基于NX.NASTRAN利用有限元對大臂和小臂進行了梁的擾度分析，對大臂和小臂的結構進行了變形分析，最終給出了在允差范圍以內的設計結構。同時，對機械手的動態(tài)剛度進行了研究。由于大臂和小臂的跨度較長，因此采用了多柔體動力學理論作為基礎，利用UG和ANSYS對小臂和大臂對結構進行了有限元網格劃分，并將大臂和小臂的柔性化文件以.MNF文件輸出，在MSC.ADAMS中導入部件，將剛性件和柔性件配后加載負載進行了剛柔耦合分析，對其模態(tài)導出為設計提供依據(jù)。
本文對機械手的路徑和插補進行了研究，利用D-H表示法給出了本機械手的運動學模型，給出了各個關節(jié)的參數(shù)，研究了機械手的正逆解。
本文設計了機械手控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，利用ACR9000和伺服控制系統(tǒng)構建了機械手控制系統(tǒng)的硬件，并利用VC++和MATLAB引擎技術完成了機械手控制系統(tǒng)的仿真實驗，并對機械手的誤差進行了補償分析實驗。
根據(jù)設定的條件，本文虛擬測試了機械手各個機構的傳動力的大小，從夾持機構到腰身完成了自頂向下的機械設計，選定了各個關節(jié)的驅動形式及驅動的具體產品型號。機械手的大臂和小臂的靜剛度測試結果，變形量并未超過許用值。同時進行了動剛度測試，給出了大臂和小臂的7-20階模態(tài)頻率。本文給出了本機械手運動學的算法，并設計了計算軟件。本文機械手的設計流程完整，目標明確，數(shù)據(jù)具體真實，為樣機的設計提供了依據(jù)。
本文的創(chuàng)新性表現(xiàn)在多個方面。首先，腕關節(jié)的結構采用了液壓同步驅動方式，減小了機械手的結構尺寸，增強了夾持的自鎖性能，非常適合狹小空間運動的要求。其次結構上重量大為降低，利用有限元和多體剛柔耦合理論在機械手的設計中，大大縮減了機械手本體機構的重量。最后對于機械手的控制系統(tǒng)利用了一套電液伺服和交流伺服系統(tǒng)，減小了機械手驅動的重量和尺寸。
本文設計的機械手，具備體積小、重量輕，價格低廉，適合企業(yè)的生產應用，具有推廣價值。
本文的后續(xù)工作將開展對PUMA型機器人運動學、動力學的研究，提出滿足實時性要求的動力學算法，開展對機器人動態(tài)性能的虛擬測試，準確計算機器人工作過程中的慣量。同時，進行機器人路徑規(guī)劃的新方法的研究，提高機器人路徑規(guī)劃的計算能力，開展對機器人插補運算的研究，提出針對不同工況的插補算法。對于樣機，還需要開展具體的誤差補償分析。
關鍵詞 工業(yè)機械手；虛擬樣機；有限元分析；剛柔耦合； MATLAB引擎；

New clamping industry manipulator design
Abstract

The situation of labor shaotage is more and more serious with population aging in China, and many enterprises are hard to enroll enough technological operation worker. So enterprises need more equipment automation. The core of automation is industrial manipulator. At present, most of enterprises witch can design and produce manipulators are in Europe and American and Japan for example ABB and KUKA and MotoMan. Civil manipulator industries are of later beginning, there are not enterprises can do mass production until now.
From demand of the enterprise, this paper proposes a solution of general industrial manipulator. This studies domestic and international development of status, and analyzes designing meaning, and give a general plan.
This paper devises an industrial manipulator PUMA according to needs of casting enterprise. Based on design requirement, this adopts top-down modeling design based on UGNX6, devises structures and transmission of manipulator, designs controller and motion control systems. This intensively studies static and dynamic stiffness of manipulator and do dynamic simulation verification.
This primarily devises structures of wrist and short arm and main arm and waist of the manipulator, dynamically simulates mechanics using MSC.ADAMS, virtually tests driving moment of joints, successively devises transmission systems of all joints, and dynamic simulates integrity.
Also this intensively studies structures and dynamics performance, selects suitable method called finite element method, analyses flexibility of main arm and short arm based on finite analysis of NX.NASTRAN, analyses deformation of main arm and short arm, ultimately devises mechanisms satisfied in allowance. This simultaneously do some research about dynamic rigidity. As span of main arm and short arm is too long, this bases on flexible multi-body dynamic theory, makes finite mesh generation based o..