4R搬运机械手参数优化及动力学分析

发布时间：2017-04-25 10:08

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【摘要】：工业机器人是现代化制造生产中必不可少的自动化装备,其中最为代表性的就是多关节机械手。现代化的多关节机械手不仅仅需要满足一般的工作要求,对其动力性能也提出了更高的要求。根据现代化的机械设计方法,提高机械系统性能,包括机械的运动精度和稳定性是未来机械设计发展的方向。本文以给机床工作搬运曲轴的机械手为基础,对机械手的结构参数进行优化。对结构优化后的搬运机械手进行其动力学方程的推导,研究了动力学方程各个项的组成。在动力学的基础上对机械化的轨迹进行优化,为机械手提供新的设计和研究思路。根据机械手的实际工作空间布局和优化前机械手的结构参数,绘制工作空间布局和机械手的机构简图。根据优化设计方法,建立多目标函数并且根据实际条件建立约束方程,通过MATLAB中的优化工具箱对机械手的结构进行参数优化。然后对4R机械手的动力学进行研究,主要运用的方法是拉格朗日法。首先通过SOLIDWORK建立4R机械手的模型,对其进行动力学分析,推导动力学方程。通过总结各个关节的动力学方程,推导出动力学方程的一般通式,对各项系数进行总结。对于优化后的机械手在动力学约束的条件下进行轨迹优化,求解机械手运行的最短时间。其中包含了求解机械手的运动学方程和运动学方程的反解问题,以及三次插值样条函数求出机械手的运动轨迹方程。最后建立目标函数和约束方程,求出最短时间。最后将模型导入ADAMS中,对机械手进行仿真,输出4个关节的角速度、角加速度曲线,探究动力方程建立的适应性和合理性,同时输出优化前后的机械手关节力矩,对比曲线验证结构优化对机械手动力性能的提高。本课题研究对机械手理论模型和实际工作情况进行紧密联系,提高机械手的设计和生产效率。通过现代机械设计方法,提高分析真确度,对于机械手的设计和开发提供了一定的经验。
【关键词】：4R机械手 参数优化 轨迹规划 动力学分析 拉格朗日法 动力学仿真
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 国内外机械手的发展10-13
• 1.2.1 国外机械手发展现状10-11
• 1.2.2 国内机械手发展现状11-12
• 1.2.3 课题来源及研究意义12-13
• 第2章 4R机械手结构参数优化13-21
• 2.1 优化方法概述13-15
• 2.1.1 优化设计问题的数学模型13-14
• 2.1.2 优化设计方法的分类14-15
• 2.2 4R机械手结构参数优化15-19
• 2.2.1 搬运机械手的工作空间和结构形式15-16
• 2.2.2 搬运机械手的参数优化模型16-19
• 2.2.3 优化结果与分析19
• 2.3 本章小结19-21
• 第3章 4R搬运机械手动力学分析21-31
• 3.1 机器人动力学概述21
• 3.2 拉格朗日动力学分析法21-23
• 3.3 4R机械手模型的建立23-24
• 3.4 4R机械手动力学计算24-29
• 3.5 4R机械手系统动力学方程29-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第4章 基于动力学分析的轨迹时间优化31-42
• 4.1 动力学方法的轨迹规划探究31-32
• 4.1.1 时间最短优化方法的几个分类31-32
• 4.1.2 规划的研究方法32
• 4.2 4R搬运机械手的最短时间轨迹规划32-39
• 4.2.1 机械手运动学反解32-34
• 4.2.2 求解机械手运动轨迹点的各关节角度34-36
• 4.2.3 机械手各个运动过程的时间优化36-37
• 4.2.4 机械手各个运动过程的轨迹方程37-39
• 4.3 优轨迹下的机械手各关节力矩39-41
• 4.4 本章小结41-42
• 第5章 优化后的 4R机械手动力学仿真42-54
• 5.1 ADAMS软件简介42-44
• 5.1.1 ADAMS主要常用运动副约束及函数42-43
• 5.1.2 ADAMS常用运动函数43-44
• 5.2 机械手ADAMS环境中建模44-46
• 5.2.1 4R机械手的Solidworks格式转换44-45
• 5.2.2 4R机械手的ADAMS导入45-46
• 5.34R机械手的动力学仿真46-48
• 5.3.1 定义仿真变量条件46-48
• 5.3.2 4R机械手的动态仿真48
• 5.4 4R机械手关节角速度、角加速度仿真曲线及其分析48-51
• 5.5 优化后的机械手关节力矩探究51-53
• 5.6 本章小结53-54
• 第6章 结论与展望54-57
• 6.1 结论54-55
• 6.2 展望55-57
• 参考文献57-59
• 在学研究成果59-60
• 致谢60

【参考文献】

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本文编号：326101