SCARA机器人结构优化设计及运动学仿真精密仪器及机械专业毕业论文.docx
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SCARA机器人结构优化设计及运动学仿真精密仪器及机械专业毕业论文
合肥工业大学
本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学学历硕士学位论文质量要求。
答辩委员会签名(工作单位、职称、姓名)
主席:
合肥工业大学,教授,孱渺
委员:
安徽大学,副教授,合肥工业大学,副教授,,
合肥工业大学,副教授,)y槲懒黝
导师:
孑老托
万方数据
学位论文独创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所取得的成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的内容外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得金胆王些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对本文成果做出贡献的个人和集体,本人已在论文中作了明确的说明,并表示谢意。
学位论文中表达的观点纯属作者本人观点,与合肥工业大学无关。
学位论文作者签名:
移己∥%∥签名日期:
阳r易年午月加日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解金a巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,
即:
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本人授权一921,业9 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 节专^一0-入一指导教师签名: 签名日期: 如f6年争月加日签名日期: 力 论文作者毕业去向工作单位: 联系电话: E—maii: 通讯地址: 邮政编码: 万方数据 致谢 本论文是在我的导师于连栋教授的精心指导和悉心关怀下完成的。 于老师敏锐的科研思路、严谨的治学态度、渊博的学识、敬业的精神都使我受益匪浅。 在此,对于老师两年半来对我学术上的精心指导和生活上的细心关怀表示深深的谢意。 感谢仪器科学与光电工程学院钟军书记、夏豪杰副院长、钟小要副书记、 况明义副院长等领导在工作、学习和生活方面给予的关心和帮助。 感谢党委组织部副部长、党校常务副校长马文革老师,党委学生工作部及校团委等学生工作部门和各学院的领导和同仁们对我学习、工作和生活上的关心和帮助。 感谢仪器科学与光电工程学院众多老师对我的细心指导,他们的建议让我在工作和科研道路上少走了许多弯路。 感谢实验室所有成员一直以来对我的支持和帮助。 感谢胡悦、王明娴、盛杰超、张欣、伍婷婷、徐悦对我科研工作给予的帮助。 感谢参与评阅本论文的专家学者以及答辩委员会的各位老师。 最后,感谢我的家人和朋友在学习、工作和生活方面的支持、鼓励与帮 助! 使我能够全心地投入到学习当中,顺利完成学业。 作者: 范鹏飞2016年4月2日 万方数据 摘要 SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)机器人又称平面关节型机器人,是目前世界工业生产中应用较为广泛的一种。 本论文的主要目的在于对SCARA机器人进行优化设计和运动学仿真分析,以进一步提高SCARA机器人的精度和刚度,实现准确搬运物品和装配等功能。 主要研究工作包括: (1)针对SCARA机器人的机械结构进行优化设计,具体包括: 传动方案的确定、电机的选择、各个关节和抓手的设计以及材料的选择,并对结构中的误差源进行分析,实现结构的优化,从而提高机器人的精度和刚度。 (2)针对工作环境要求,对步进电机、同步带及抓手等机械结构进行参数计算,根据计算结果,选择合适的型号。 并对机器人的强度进行校核,确保设计的机器人符合安全要求。 (3)在各个机械结构和参数确定之后,利用SolidWorks软件进行三维建模, 并绘制工程图。 (4)在三维建模的基础上,利用ADAMS软件对SCARA机器人的模型进行运动学仿真,并进行可行性分析。 通过仿真结果证实,所设计的SCARA机器人可以稳定的抓取工件,能实现工件的正常搬运和装配。 (5)通过对目前常用的控制方案进行分析比较,最终采用FPGA作为主控制器的方案。 分别对MCU控制模块、串口通讯模块、检测模块、控制模块、存储模块、显示模块、电源模块和JTAG接口等八个模块进行设计,搭建硬件系统,从而驱动机器人运动。 关键词gSCARA机器人;优化设计;运动学仿真;控制系统 II 万方数据 ABSTRACT SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)RobotisalsocalledplanarjointtypeRobot,whichnOWwidelyusedinindustrialproduction.ThemainobjectiveofthisthesisistooptimizethesmlctureandanalyzekinematicssimulationconcerningwithSCARArobot,whichmayfurtherimproveitsprecisionandstiffnessandenabletherobottotransportandassemblycargos.Themainresearchworkincludesasfollows: (1)OptimizeddesignforSCARArobotmechanicals劬lcture.Itincludesdeterminationoftransmissionscheme,selectionofmotor,designofthevariousjointsandgripperandchoiceofmaterials.Forimprovementofprecisionandfitnessoftherobot,theanalysisforerrorsourcesinthes缸ucnlreiSundertakentoachieves仃11cnlreoptimization. (2)Fortheworkingenvironmentrequirements,theparameterofsteppermotor,synchronousbeltandgrippermachineryiscalculated.Accordingtothecalculationresults,selecttheappropriatemodel.Checkingthestrengthoftherobotensuresthedesignoftherobotmeetsafetyrequirements. (3)Afterthedeterminationofallmechanicalstructureandparameters,SolidWorks softwareisusedfor3Dmodelsandengineeringdrawings. (4)Basedoilthe3Dmodeling,theADAMSsoftwaretoolisusedtoconductthekinematicalsimulationandfeasibilityanalysis.Theresultofsimulationproveswhetherthedesignedrobothastheabilitytotransportandassemblycargosnormally.(5)Throughthecomparisonandanalysisbetweenthecurrentplans,eventually,FPGAisadoptedasthemaincontroller.Andthehardwaresystemcouldbebuilttoenablethe robottomovebydesigningtheMCUcontrollerblock,serialcommunicationblock,testingblock,controllingblock,memoryblock,displayblock,powersupplyblock, JTAGinterfaceandetconrespectively. KEYWORDS: SCARArobot;optimizeddesign;kinematicssimulation;controlsystem III 万方数据 第一章绪论1 1.1本文研究背景1 1.2国内外研究现状.1 1.3工业机器人的分类4 1.4本文课题来源、主要研究内容及意义4 1.4.1本文课题来源、主要研究内容.4 1.4.2本文研究意义..5 1.5本章小结5 第二章SCARA机器人机械结构优化设计及误差分析6 2.1总体设计7 2.2传动方案的确定8 2.3电机的选择9 2.4第一关节机械结构设计9 2.5第二关节机械结构设计11 2.6第三、四关节机械结构设计1l 2.7抓手机械结构设计。 13 2.8材料的选择14 2.9误差分析..14 2.10本章小结15 第三章SCARA机器人机械结构参数计算.16 3.I步进电机的计算和选型..16 3.2同步带的计算和选型。 18 3.3抓手设计计算..19 3.4强度校核..21 3.5本章小结一22 第四章SCARA机器人运动学仿真分析23 4.1ADAMS软件概述23 4.2SCARA机器人的运动学仿真~23 4.2.1虚拟样机模型的导入24 4.2.2约束与驱动的添加25 4.2.3仿真结果的后处理29 4.3本章小结..33 IV 万方数据 第五章硬件系统设计。 34 5.1硬件系统设计概述..34 5.1.1控制系统设计要求34 5.1.2系统结构设计35 5.1.3硬件系统原理概述35 5.2系统硬件模块设计..36 5.2.1MCU控制模块..36 5.2.2串口通讯模块。 37 5.2.3检测模块38 5.2_4控制模块39 5.2.5存储模块40 5.2.6显示模块41 5.2.7电源模块42 5.2.8JTAG接口43 5.3本章小结44 第六章总结与展望。 45 6.1总结45 6.2展望~45 参考文献....47 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况50 V 万方数据 插图清单 图1.1EPSON公司LS系列SCARA工业机器人2 图1.2EPSON的G系列和E系列SCARA机器人.3 图2.1SCARA型机器人.6 图2.2第一关节结构装配图10 图2.3第二关节结构装配图.11 图24第三四关节装配图.12 图2.5抓手结构设计图13 图3.1抓手简图..20 图4.1AD√WS基本模块..23 图4.2导入几何模型示例24 图4.3SC肌~机器人ADAMS模型一28 图4.4不同方向上位移变化情况30 图4.5不同方向上速度变化情况
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