四自由度SCARA机器人运动仿真分析全套图纸Word文档格式.docx
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progress,robotapplicationshavebecomemoreandmorewidelyusedinindustrial
production.Asbeingaveryimportantaspectofrobots,robotsimulationwhich
involvesmechanism,kinematics,partmodeling,simulationandmotioncontrol,is
acomprehensivesubjectofpracticalvalue.BasedonADAMSsoftware,thepaper
researchedtheexercisespace,workingtrajectory,movementvelocity,acceleration
andtransfertorqueofafour-DOFSCARArobot.
Thesubjectestablishedthemodelofafour-DOFSCARArobotandsetupthe
endoftherobotmanipulatorkinematicsequations.Thepaperanalyzedthe
position-postures,velocityandaccelerationoftherobotintheory.Atthesame
timethekinematicslawoftherobotwasstudied.Inaddition,themodelwas
stimulatedbysoftwareADAMStoanalyzeinkinematicsanddynamics.Finally
theendoftherobotmanipulatorparameterssuchasvelocity,acceleration,
displacement,torquewasgained.
Simulationandanalysisresultscanoffersupportreferencestothedesignof
therobot.Applicationofrobotsimulationforimprovingthequalityofindustrial
products,reducingproductdevelopmentandproductioncostshaveplayedavery
bigrole.
Keywords:
four-DOFSCARArobot;
kinematicsanalysis;
dynamicsanalysis;
Simulation;
ADAMS
II
目录
第一章绪论...................................................................................................
1.1课题背景.................................................1
1.2研究意义.................................................2
1.3机械系统动态仿真技术发展概况.............................2
1.3.1机械系统动态仿真技术概论........................2
1.3.2机械系统动态仿真技术国内外应用现状..............3
1.3.3ADAMS在机械系统分析中的应用现状和研究现状.....4
1.4课题主要研究的内容.......................................5
第二章四自由度SCARA机器人的基本结构及建模...........................................
2.1四自由度SCARA机器人基本规格.............................7
2.2三维建模软件的基本介绍...................................8
2.3基于UG的四自由度SCARA机器人的建模及装配...............11
2.3.1四自由度SCARA机器人的建模概括................11
2.3.2四自由度SCARA机器人的建模过程................12
2.4基于UG的四自由度SCARA机器人装配.......................17
2.5本章小结................................................19
第三章四自由度SCARA机器人的数学模型及分析.........................................0
3.1四自由度SCARA机器人的D-H描述..........................20
3.1.1四自由度SCARA机器人位姿方程的正解.............21
3.1.2四自由度SCARA机器人位姿方程的逆解.............22
3.2四自由度SCARA机器人速度加速度的求解....................23
3.3基于matlab的速度分析...................................24
3.3本章小结................................................26
第四章四自由度SCARA机器人动态仿真分析................................................7
4.1机械系统动态仿真分析软件介绍............................27
4.2四自由度SCARA机器人的运动学模拟及仿真..................29
4.2.1机器人的ADAMS模型.............................29
4.2.2基于ADAMS的机器人运动学仿真...................37
III
4.3基于ADAMS的机器人的动力学模拟及仿真....................46
4.4本章小结................................................51
第五章结论与展望...........................................................................................2
5.1结论....................................................52
5.2技术经济分析报告........................................54
5.2.1技术可行性分析................................54
5.2.2经济优越性分析................................54
5.3进一步研究展望..........................................54
参考文献............................................................................................................6
致谢..............................................................................................................8
声明..............................................................................................................9
IV
第一章绪论
1.1课题背景
[1]
[2]
随着生产力水平和科学技术的日益进步,在机器人的研究中,建模仿真、
运动学计算、动力学计算、优化设计等几个方面的工作非常重要同时工作量
又都很大,常见的工作方式是采用不同的软件分别处理,当参数有变动时上述
几项工作的改动量很大,非常不灵活,利用Adams这一优秀软件可将这几项工
作有机地结合在一起,从而大大提高工作效率。
因此,这是一项综合性的有实
用价值的研究课题。
机械系统动力学仿真分析技术是当前设计制造领域的一门新兴技术,该
技术在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品信息集成到计算机提供的
可视化虚拟环境,在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。
机器人仿真是机器人研究中的重要环节,可应用于机器人运动学、动力学分
析,轨迹和路径规划,机器人与工作环境的相互作用,离线编程等方面。
随
着目前虚拟制造及数字化制造等先进制造技术的发展,机器人仿真也成为围
绕产品生命周期的整个数字化设计、验证及制造环境的重要组成部分。
研究
与开发机器人虚拟样机系统,可以在虚拟环境中完成以上方面的研究工作,
为机器人研究及先进制造技术的发展提供新的手段。
机械系统动力学仿真分析软件ADAMS最初由美国公司MDI公司开发,是
目前最著名的虚拟样机分析软件。
ADAMS是以多体系统动力学理论为基础开发
出的大型机械系统仿真分析软件,使用交互式的图形环境和零件库、约束库、
力库等,能够创建完全参数化的机械系统动力学模型,并能对虚拟机械系统
进行静力学、运动学和动力学分析。
本研究从机器人运动学和动力学参数设计角度出发,利用动力学仿真软
件ADAMS建立了一套完整的设计过程的方法,在进行运动学和动力学仿真过
程中,采用无路径的搜索方法,在全部的机器人工作空间内进行搜索,最终求
取机器人关节的力矩极限值。
与以往的简化设计方法相比,提高了机器人系
统的设计精度,很好地解决了机器人本体设计中参数无法精确确定的难题,
因此对于快速、准确地开发机器人本体、提高机器人性能具有重要意义。
1
本研究主要利用ADAMS的通用建模功能,结合关节型机器人的特点,将动
力学分析中的参数选择、求解、运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、
转动力矩等作为仿真目标,做出运动仿真分析。
1.2研究意义
本研究针对四自由度SCARA机器人在实际空间中运动轨迹、运动的速度、
力和力矩以及可达空间等问题,利用ADAMS软件对其进行动态仿真分析,模拟
了四自由度SCARA机器人在实际空间中运动位置变化的全过程,仿真出四自由
度SCARA机器人在运动中的动力学和运动学的运动状态。
实现了缩短设计周
期、降低设计成本、预先评估设计等作用和功效。
实际操作中,为防止生产出
的物理样机无法达到预期的要求提供了有力依据,对机器人的结构设计以及
机器人力学的研究具有一定指导意义。
机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的
函数进行分析研究,而不考虑引起这些运动的力和力矩。
机器人的运动学分析
的是机器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。
在机器人控制
中运动学分析占有非常重要的地位。
在位姿分析的基础之上,运用机械系统动
力学仿真分析软件ADAMS对虚拟机械系统进行运动学分析,分别以时间和速
度为变量进行仿真,得出了位移、速度和加速度的曲线。
本次研究四自由度SCARA机器人将利用ADAMS软件对其进行动态分析,
而且能为机器人的实体开发提供可靠的数据,降低了开发的成本和失败的风
险,不仅效率高,质量好,而且能节省大量人力劳动,还可避免一些不必要
的损失和浪费。
作为一种工业化机器人,其应用与发展必将给人类带来巨大
的经济与社会效益。
1.3机械系统动态仿真技术发展概况
1.3.1机械系统动态仿真技术概论
机械系统动态仿真技术,也叫虚拟样机技术(VirtualPrototyping
Technolo2gy,简称VPT)。
它是一种全新的机械设计方法,作为一项计算机辅
助工程(CAE)技术于上个世纪80年代随着计算机技术的发展而出现,在90
年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。
工程师在计算机上
2
建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,然后改进样机设计方案,用
数字化形式代替传统的物理样机。
机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动
学与动力学建模理论及其技术实现,是基于先进的建模技术、多领域仿真技
术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。
1.3.2机械系统动态仿真技术国内外应用现状
1.机械系统动态仿真技术国内应用现状
在国内,虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段,主要是引用国外的先进
技术。
中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。
863
项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球
面计算仿真环境,并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究,取得了很好
的成果。
各研究院所纷纷开展虚拟样机技术在汽车制造业、工程机械、航天
航空业、国防工业及通用机械制造业等方面的应用研究、仿真分析及二次开
发。
通过对虚拟样机各关键技术的深入研究,必将促进虚拟样机技术的推广应
用,增强我国企业的产品开发能力。
2.机械系统动态仿真技术国外应用现状
在国外,虚拟样机技术的应用在美国非常广泛。
我们熟知波音777飞机
是世界上首架以无纸方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分
析就是采用了虚拟样机技术。
这不但使研发周期(8年缩短为5年)大大缩短,
研发成本大大降低(设计费用降低94%,设计更改降低93%),而且确保了最
终产品一次装机成功。
波音西科斯基公司在设计RAH266直升飞机时,使用了
全方位仿真的方法进行设计和验证,花费4590h的仿真测试时间,节省了
11590h的飞行测试。
1997年7月4日,美国航空航天局(NASA)的喷气推进实
验室(JPL)由于采用了虚拟样机技术,成功地实现了火星探测器“探路号”
在火星上的软着陆。
在探测器发射以前,JPL的工程师们运用虚拟样机技术
预测到由于制动火箭与火星风的相互作用,探测器很可能在着陆时滚翻并最
后6轮朝上。
工程师们针对这个问题修改了技术方案,保证了火星登陆计划
的成功。
约翰迪尔(JohnDeere)是一家具有160多年历史、并在世界农业机械、
建筑机械领域处于领先地位的世界500强企业,总部设在美国伊利诺伊州。
迪尔公司也是全球柴油发动机大型生产商之一。
为了解决工程机械在高速行
3
[3]
驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题,公司的工程师利用虚拟
样机技术,不仅找到了原因,而且提出了改进方案,并且在虚拟样机上得到
了验证,从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。
卡特彼勒是建筑机械、矿用设备、柴油和天然气发动机以及工业用燃
气轮机领域的技术领导者和全球领先的制造商之一。
世界上最大的工程机械
制造商卡特彼勒公司的工程师们采用了虚拟样机技术,对装载机和挖掘机的
工作装置进行了优化设计及分析,在一天的时间内,他们对工作装置进行了
上万个工位的运动和受力分析。
通用动力公司1997年建成了第一个全数字
化机车虚拟样机,并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设
计和可维修性设计。
福特某一款新车型采用虚拟样机技术,缩短设计周期70天。
全公司内采
用VPT,减少设计费用4000万美元,节省制造费用10亿美元。
为了减少
大型洗衣机的振动,PellerinMilnorCorporation(洗衣机设备制造商)用
Adams建立了3种洗衣机的虚拟样机,然后修改设计方案,改变弹簧的刚度和
阻尼,选用不同类型的减震器,变换衬套的尺寸和刚度,进行虚拟样机仿真
试验。
每个设计方案的仿真只需1h,但此后的物理样机实验证明与虚拟样机
的吻合程度超过95%。
在此基础上,开发的新型洗衣机工作平稳,寿命长,振
动噪声小。
日产公司是日本的第二大汽车公司,也是世界10大汽车公司之一。
该公司除生产各型汽车外,还涉足机床、工程机械、造船和航天技术领域。
日产汽车公司利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿
真设计等。
在意大利,一位赛车手在赛车中因事故丧生,其家属起诉赛车制造商,
认为事故的原因是赛车的设计缺陷,要求巨额赔偿。
制造商借助于虚拟样机
技术,说明赛车设计合理,事故原因是赛车手操纵不当。
法庭根据VPT提供
的证据,做出了客观的判决。
1.3.3ADAMS在机械系统分析中的应用现状和研究现状
力库。
能够创建完全参数化的机械系统动力学模型。
4
通过
ADAMS以上模块,可以建立包括机-电-液一体化在内的任意复杂
系统的多体动力学数字化虚拟样机模型,并能对虚拟机械系统进行静力学、
运动学和动力学分析。
ADAMS软件的真可用于预测机械系统的性能、运动范围、
碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等,当前ADAMS已经广泛应
用于多个工业领域。
目前,ADAMS广泛应用在航空航天、汽车制造、造船、机器人及其它
多种工业机械,并取得了很好的社会经济效益。
世界最先进的包装机械制造
商Pure-Pak的工程师们利用ADAMS成功的设计并试验饮料加注系统的单向
阀;
美国航空航天局的喷气推进实验室成功地实现了火星探测器(探路号)在
火星上的软着陆,JPL工程师利用ADAMS等虚拟样机技术仿真研究了宇宙飞
船在不同阶段的工作过程;
国航天部上海航天局第805研究所利用ADAMS,
完成了国家高技术项目空间站两自由度大面积柔性太阳池阵!
动力学仿真研
究。
在我国,自从北京吉普汽车公司曾经利用ADAMDS成功开发了BJ2022第
二代车型。
ADAMS软件更广泛的应用于复杂机构或复杂机械系统的研究,比如
汽车的几乎所有总成、多级轮系、并联机床、电梯、起重机械、农业机械等
复杂机械系统。
这些研究采用的方法大多是在建立了系统模型的基础上利
ADAMS的仿真分析功能对系统的动力学进行分析,绝大部分是利用ADAMS对
某一具体机械系统进行分析,而对ADAMS进行创新性的应用研究或功能拓展
型的研究较少。
1.4课题主要研究的内容
本课题主要用ADAMS对四自由度SCARA机器人进行运动学及动力学分析,
对其运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等进行研究,验证
四自由度SCARA机器人的工作过程轨迹、可达空间,分析该机器人工作进程
中的运动速度和加速度,并对近一步优化提出可行意见。
1.研究的基本内容如下:
(1)利用UG对四自由度SCARA机器人进行建模,然后导入到ADAMS软件
中,对四自由度SCARA机器人运动学和动力学进行仿真分析,最终得到机器
人各关节的动力学参数。
(2)深入学习应用ADAMS软件建立动力学模型的方法,并且建立与实际
5
四自由度
SCARA机器人系统结构相对应的动力学模型,研究四自由度SCARA
机器人的运动轨迹,分析机器人工作过程的运动速度、加速度和可达空间。
(3)通过所给参数研究机器人末端可达到的最大速度,为物理样机提供
数据。
(4)机器人末端载物和不载物,来分析机器人的力矩变化,为样机提供
6
第二章四自由度SCARA机器人的基本结构及建模
2.1四自由度SCARA机器人基本规格
[4]
SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm,中文译名:
选择
顺应性装配机
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