工业焊接机器人的结构学研究及计算机拟实造型

论文编号:JX1517  论文字数:33992.页数:63

工业焊接机器人的结构学研究及计算机拟实造型

摘  要

 本文所研究与设计的6自由度工业焊接机器人，是北京理工大学与东莞精奇机械科技有限公司校企合作的一个专项研究课题。该课题的研究宗旨是开发具有我国自主知识产权的新型工业焊接机器人，提升我国在该领域的科研水平与生产能力，其研究的深入、系统、完善与否，对于我们打破国外相关企业在工业焊接机器人领域的垄断地位，并为我国在高精度工业焊接机器人设计与制造领域赶上和超过国外先进水平具有十分重要的意义。
 在广泛查阅与合理借鉴国内外有关工业焊接机器人资料文献及其技术成果的基础上，本文根据课题要求设计了机器人的整体构成方案和具体结构形式。在多方比较与反复探索后，确定该工业焊接机器人采用交流伺服电机驱动的6自由度关节型串连机器人组成方案，其关节全部采用转动关节。为了使机器人能够获得优异的运动学和动力学特性，该机器人关节处采用行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆机构及轮系减速机构三种传动方案，达到了传动机构简单可靠、内部空间利用率高、机体结构紧凑轻巧、输出转矩符合要求的设计目的。
 为了进一步满足机器人系统控制上的实际需要，本文以所构建的工业焊接机器人三维实体模型为研究对象，对其进行了运动学研究，用D-H方法建立了机器人连杆坐标系以及相关参数表，推导出了机器人的正、逆运动学矩阵方程，并得到了正、逆运动学方程的对应解。此外，本文还采用图解法对机器人的运动空间加以分析，并绘制出了机器人实际工作空间的轴剖图。
 最后，本文用Pro/E软件进行了该工业焊接机器人的装配效果仿真和工作情景仿真，并对相关结果进行了系统分析。本文所做研究工作及成果可为该机器人的实用化、产品化奠定一定的技术基础，所积累的设计经验也可为相关领域的研究提供参考和借鉴。
   
 关键词：6自由度工业焊接机器人；结构学设计；运动学分析；工作空间分析；Pro/E软件；装配效果仿真

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  录

摘  要 I
Abstract II
1  绪   论 1
1.1 引言 1
1.1.1 工业机器人的发展过程及其应用 1
1.1.2 工业机器人研究的现状与意义 2
1.2 国内外机器人研究现状 2
1.2.1 国外机器人发展现状 3
1.2.2 国内机器人发展现状 4
1.3 本文研究的意义及主要内容 4
1.3.1 本文研究目的和意义 4
1.3.2 本文主要研究内容和工作 5
1.4 本文中设计机器人的主要参数 5
2  工业焊接机器人总体结构设计 7
2.1 工业机器人机械设计的特点 7
2.2 与工业机器人有关的概念 7
2.3 机器人手臂结构方案设计 8
2.3.1 方案功能设计与分析 8
2.3.2 机器人手臂结构设计 10
2.4 机器人手臂驱动方案设计 11
2.4.1 机器人驱动方案的对比分析及选择 11
2.4.2 各关节交流伺服电机的选择 11
2.5 本章小结 13
3  机器人传动机构与箱体结构设计 14
3.1 传动系统的确定 14
3.1.1 几种主要的传动系统 14
3.1.2 机器人传动系统的设计 17
3.2 机器人结构设计 18
3.2.1 外部结构的设计 18
3.2.2 主要传动轴的设计 21
3.2.2 其它元器件的选择 22
3.3 本章小结 23
4  装配与渲染及动态仿真 24
4.1 机器人的装配 24
4.1.1 底座的装配 24
4.1.2 肩部的装配 25
4.1.3 小臂的装配 27
4.1.4 掌部的装配 28
4.1.5 腕部的装配 28
4.1.6 大臂的装配 29
4.2 渲染 29
4.3 运动仿真 30
4.4 本章小结 33
5  运动学与工作空间分析 34
5.1 概述 34
5.2 工业机器人位置与姿态的描述 34
5.2.1 刚体位姿的描述 35
5.2.2 关节坐标变换 36
5.2.3 Denavit-Hartenberg(D-H)表示法 38
5.2.4 连杆变换矩阵及其乘积 39
5.3 机器人运动学求解 41
5.3.1 机器人运动学正解 41
5.3.2 机器人运动学逆解 44
5.4 工作空间分析 46
5.4.1 工作空间的概念 46
5.4.2 工作空间的形成 47
5.4.3 工作空间中的空腔和空洞 47
5.4.4 实际工作空间的图解分析和作图 48
5.5 本章小结 48
6  总结与展望 50
6.1 总结 50
6.2 展望 50
参考文献 51
附  录 52
谢  辞 63