关键词：工业机械臂;;结构设计;;多目标优化设计;;运动学分析;;动力学分析
摘 要：随着现代工业和机器人技术的飞速发展,工业机器人被广泛应用于生产制造之中。使用工业机器人代替人工来完成生产工作,能够显著提升生产效率和产品质量。在我国很多中小制造企业中,许多高重复性的工作仍然采用人工方式,一些恶劣的生产环境还会对工人的身体造成危害,使得生产效率不够高,产品质量不够好。但由于市场上知名品牌的工业机器人系统价格较为昂贵,限制了工业机器人应用到更多中小企业的生产中。在此背景下,本文充分调研了国内外工业机械臂的发展过程和研究现状,设计了一种六自由度经济型工业机械臂。首先,通过参考国内外现有工业机械臂的基础上,根据设计要求确定了机械臂的主要技术参数,对机械臂结构类型和传动系统方案进行分析对比,完成了机械臂的总体方案设计。使用SolidWorks软件对机械臂各零部件进行三维模型的建立,并完成了各关节具体的结构设计,以及整机模型的模拟装配。在机械臂初步模型的基础上,对各关节电机和减速器进行了选型计算。其次,使用ANSYS Workbench软件对机械臂大臂及整机进行了静力学分析,得到了等效应力云图和位移变形云图,分析了大臂及整机的静态强度和刚度,验证了结构的可靠性。然后利用软件中的优化模块,对大臂进行了多目标优化设计,在大臂满足许用应力和最大位移要求的情况下,减小了结构尺寸,质量减轻了14.7%,实现了优化设计的目标。再次,利用改进的D-H方法对机械臂运动学模型进行了建立,推导出机械臂的正运动学方程,在此基础上通过代数解法对运动学逆解进行了求解。使用Matlab软件进行了机械臂运动学仿真,并基于蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行了求解,仿真结果验证了符合预期的设计目标。最后,利用拉格朗日力学法对机械臂动力学方程进行了推导,为动力学分析建立理论基础。使用ADAMS软件建立了机械臂动力学仿真模型,并对其动力学性能进行仿真,分析了各关节驱动力矩与关节运动间的关系,通过仿真结果对电机驱动力矩进行了校核。
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