新型装夹工业机械手.doc
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新型装夹工业机械手,的设计大摘要随着中国老龄化日益严重，用工荒越演越烈，很多企业都难以招聘足够的技术操作工人。企业对装备自动化的要求越来越迫切。自动化生产线的核心装备是机械手。目前，通用型工业机械手的研发设计主要是欧美和日本的一些企业，例如abb、kuka、motoman，国内工业机器人起步晚，目前基本还没有可以批量生产...
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新型装夹工业机械手的设计
大摘要
随着中国老龄化日益严重，用工荒越演越烈，很多企业都难以招聘足够的技术操作工人。企业对装备自动化的要求越来越迫切。自动化生产线的核心装备是机械手。目前，通用型工业机械手的研发设计主要是欧美和日本的一些企业，例如ABB、KUKA、MotoMan，国内工业机器人起步晚，目前基本还没有可以批量生产工业机器人的企业。
本文根据企业的要求，提出了通用型工业机器人的解决方案。研究了国内外工业机器人的发展现状，提出了本文设计的目标，分析了本文设计的意义，给定了本文的总体方案设计。
本文从铸造类企业的实际需求出发，设计了一款PUMA型的工业机械手。根据设计要求，基于UGNX6本文自上而下的设计了机械手的结构和传动、机械手的控制系统及其运动控制系统，着重从机械手结构的动静刚度对机械手进行了深入的研究，提出了一套可行的设计方案。
本文首先设计了机械手的腕、小臂、大臂、腰身的结构，利用UG对各部分结构进行了建模，利用MSC.ADAMS/VIEW对机构的动力学进行了仿真，虚拟测试了各个关节动态驱动力矩，依次设计了各个关节的驱动形式，并对其进行了整体的动态仿真验证。
本文对机械手的结构和动态性能进行了深入的研究。选取了适合本设计的研究方法有限元理论，基于NX.NASTRAN利用有限元对大臂和小臂进行了梁的扰度分析，对大臂和小臂的结构进行了变形分析，最终给出了在允差范围以内的设计结构。同时，对机械手的动态刚度进行了研究。由于大臂和小臂的跨度较长，因此采用了多柔体动力学理论作为基础，利用UG和ANSYS对小臂和大臂对结构进行了有限元网格划分，并将大臂和小臂的柔性化文件以.MNF文件输出，在MSC.ADAMS中导入部件，将刚性件和柔性件配后加载负载进行了刚柔耦合分析，对其模态导出为设计提供依据。
本文对机械手的路径和插补进行了研究，利用D-H表示法给出了本机械手的运动学模型，给出了各个关节的参数，研究了机械手的正逆解。
本文设计了机械手控制系统和运动控制系统，利用ACR9000和伺服控制系统构建了机械手控制系统的硬件，并利用VC++和MATLAB引擎技术完成了机械手控制系统的仿真实验，并对机械手的误差进行了补偿分析实验。
根据设定的条件，本文虚拟测试了机械手各个机构的传动力的大小，从夹持机构到腰身完成了自顶向下的机械设计，选定了各个关节的驱动形式及驱动的具体产品型号。机械手的大臂和小臂的静刚度测试结果，变形量并未超过许用值。同时进行了动刚度测试，给出了大臂和小臂的7-20阶模态频率。本文给出了本机械手运动学的算法，并设计了计算软件。本文机械手的设计流程完整，目标明确，数据具体真实，为样机的设计提供了依据。
本文的创新性表现在多个方面。首先，腕关节的结构采用了液压同步驱动方式，减小了机械手的结构尺寸，增强了夹持的自锁性能，非常适合狭小空间运动的要求。其次结构上重量大为降低，利用有限元和多体刚柔耦合理论在机械手的设计中，大大缩减了机械手本体机构的重量。最后对于机械手的控制系统利用了一套电液伺服和交流伺服系统，减小了机械手驱动的重量和尺寸。
本文设计的机械手，具备体积小、重量轻，价格低廉，适合企业的生产应用，具有推广价值。
本文的后续工作将开展对PUMA型机器人运动学、动力学的研究，提出满足实时性要求的动力学算法，开展对机器人动态性能的虚拟测试，准确计算机器人工作过程中的惯量。同时，进行机器人路径规划的新方法的研究，提高机器人路径规划的计算能力，开展对机器人插补运算的研究，提出针对不同工况的插补算法。对于样机，还需要开展具体的误差补偿分析。
关键词 工业机械手；虚拟样机；有限元分析；刚柔耦合； 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..
大摘要
随着中国老龄化日益严重，用工荒越演越烈，很多企业都难以招聘足够的技术操作工人。企业对装备自动化的要求越来越迫切。自动化生产线的核心装备是机械手。目前，通用型工业机械手的研发设计主要是欧美和日本的一些企业，例如ABB、KUKA、MotoMan，国内工业机器人起步晚，目前基本还没有可以批量生产工业机器人的企业。
本文根据企业的要求，提出了通用型工业机器人的解决方案。研究了国内外工业机器人的发展现状，提出了本文设计的目标，分析了本文设计的意义，给定了本文的总体方案设计。
本文从铸造类企业的实际需求出发，设计了一款PUMA型的工业机械手。根据设计要求，基于UGNX6本文自上而下的设计了机械手的结构和传动、机械手的控制系统及其运动控制系统，着重从机械手结构的动静刚度对机械手进行了深入的研究，提出了一套可行的设计方案。
本文首先设计了机械手的腕、小臂、大臂、腰身的结构，利用UG对各部分结构进行了建模，利用MSC.ADAMS/VIEW对机构的动力学进行了仿真，虚拟测试了各个关节动态驱动力矩，依次设计了各个关节的驱动形式，并对其进行了整体的动态仿真验证。
本文对机械手的结构和动态性能进行了深入的研究。选取了适合本设计的研究方法有限元理论，基于NX.NASTRAN利用有限元对大臂和小臂进行了梁的扰度分析，对大臂和小臂的结构进行了变形分析，最终给出了在允差范围以内的设计结构。同时，对机械手的动态刚度进行了研究。由于大臂和小臂的跨度较长，因此采用了多柔体动力学理论作为基础，利用UG和ANSYS对小臂和大臂对结构进行了有限元网格划分，并将大臂和小臂的柔性化文件以.MNF文件输出，在MSC.ADAMS中导入部件，将刚性件和柔性件配后加载负载进行了刚柔耦合分析，对其模态导出为设计提供依据。
本文对机械手的路径和插补进行了研究，利用D-H表示法给出了本机械手的运动学模型，给出了各个关节的参数，研究了机械手的正逆解。
本文设计了机械手控制系统和运动控制系统，利用ACR9000和伺服控制系统构建了机械手控制系统的硬件，并利用VC++和MATLAB引擎技术完成了机械手控制系统的仿真实验，并对机械手的误差进行了补偿分析实验。
根据设定的条件，本文虚拟测试了机械手各个机构的传动力的大小，从夹持机构到腰身完成了自顶向下的机械设计，选定了各个关节的驱动形式及驱动的具体产品型号。机械手的大臂和小臂的静刚度测试结果，变形量并未超过许用值。同时进行了动刚度测试，给出了大臂和小臂的7-20阶模态频率。本文给出了本机械手运动学的算法，并设计了计算软件。本文机械手的设计流程完整，目标明确，数据具体真实，为样机的设计提供了依据。
本文的创新性表现在多个方面。首先，腕关节的结构采用了液压同步驱动方式，减小了机械手的结构尺寸，增强了夹持的自锁性能，非常适合狭小空间运动的要求。其次结构上重量大为降低，利用有限元和多体刚柔耦合理论在机械手的设计中，大大缩减了机械手本体机构的重量。最后对于机械手的控制系统利用了一套电液伺服和交流伺服系统，减小了机械手驱动的重量和尺寸。
本文设计的机械手，具备体积小、重量轻，价格低廉，适合企业的生产应用，具有推广价值。
本文的后续工作将开展对PUMA型机器人运动学、动力学的研究，提出满足实时性要求的动力学算法，开展对机器人动态性能的虚拟测试，准确计算机器人工作过程中的惯量。同时，进行机器人路径规划的新方法的研究，提高机器人路径规划的计算能力，开展对机器人插补运算的研究，提出针对不同工况的插补算法。对于样机，还需要开展具体的误差补偿分析。
关键词 工业机械手；虚拟样机；有限元分析；刚柔耦合； 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..
