高速精密重载机械手多领域仿真与动力学分析研究

摘要

高速精密重载机械手作为重大装备制造业中最主要的工具而被广泛应用于汽车、船舶、航空、航天、大型机床、以及钢铁冶金等行业。但由于困扰机械手工作质量、性能和效率的主要因素仍然是重载情况下，机械手的定位精度、速度以及相应带来的结构优化问题。“精密”、“重载”和“高速”始终是一个矛盾的统一体，而要完美的解决这个统一体的矛盾，就必须找到影响它的因素。影响的主要因素往往不是某一方面的，而主要是来自机械手驱动系统、控制系统、传动系统和末端执行系统内部或相互之间的机-电-液等领域的众多因素，也不是众多因素的简单叠加，而是众多因素的相互作用、相互影响、共同作用的合成体。因此“高速精密重载机械手多领域建模与仿真研究”就成了当今研究的新课题。
　　 本课题主要完成了以下研究：
　　 第一，对高速精密重载机械手的总体、结构和驱动系统进行了相关的探讨，同时对高速精密重载机械手的动力学理论进行了研究。
　　 第二，提出了一种用于汽车装配的高速精密重载机械手。对机械手的系统总体设计要求进行了分析，并对机械手进行了结构设计(包括零部件和总体装配)和建模，最后应用动力学的理论对这种六自由度装配机械手进行了正逆运动学分析。
　　 第三，提出了高速精密重载手机电液多领域仿真研究理论与方法：首先对机械手进行了运动仿真，根据仿真结果分析了执行机构的速度和加速度曲线。其次应用AMESim软件对机械手的控制系统(电液方面)进行了分析和仿真；通过分析仿真结果(执行机构的位移、压力、速度和加速度曲线)得出了如下研究成果：该控制系统对机械手在行程范围内任意位置可控，能实现精确定位，且响应速度快，能取得良好的控制效果，进一步验证了所建模型的正确性和控制系统的有效性。
　　 通过对高速精密重载机械手虚拟模型的运动分析和控制系统的仿真，验证了机械手的有关设计参数对性能、功能指标的影响规律，使其实现“高速”、“精密”和“重载”三方面的性能合理融合，从而为高速精密重载机械手性能评价技术和试验技术提供了理论依据和参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1高速精密重载机械手的研究目的、实用价值与理论意义

1.1.1研究目的

1.1.2本研究的实用价值与理论意义

1.2高速精密重载机械手国内外发展水平与存在问题

1.2.1机械手国内外发展现状

1.2.2存在问题

1.3本论文所要解决的问题及本人的设想、研究方法

1.3.1需解决的问题及设想

1.3.2研究方法

第二章高速精密重载机械手的系统总体设计及动力学分析的理论基础

2.1高速精密重载机械手的系统总体设计要求

2.1.1高速精密重载机械手的机身和臂部设计要求

2.1.2高速精密重载机械手的腕部和手部设计要求

2.1.3高速精密重载机械手的驱动系统设计要求

2.2动力学分析理论基础

2.2.1机械手动力学分析

2.2.2机器人运动学的矩阵表示

2.3机器人的正逆运动学

2.3.1位置的正逆运动学方程

2.3.2机器人正运动学方程的D-H表示法

2.4本章小结

第三章一种高速精密重载机装配机械手的设计与建模

3.1三维建模软件简介

3.2高速精密重载机械手的总体建模装配概述

3.3高速精密重载机械手主要部件三维建模与装配

3.3.1机身和臂部的建模与装配

3.3.2腕部和手部的建模与装配

3.3.3机械手的总装及工作原理

3.4一种六自由度精密重载装配机械手的正逆运动学分析

3.4.1机械手运动学正解

3.4.2机械手运动学逆解

3.5本章小结

第四章高速精密重载机械手多领域动力学仿真实验

4.1 UG运动仿真模块简介

4.1.1 UG运动仿真相关概念

4.2定义运动驱动(Motion Driver)

4.2.1运动函数驱动

4.2.2简谐运动驱动

4.3创建函数

4.3.1数学和解算器函数

4.4高速精密重载机械手运动仿真

4.4.1创建连杆

4.4.2创建运动副

4.4.3运动函数设置

4.4.4仿真及仿真结果输出

4.5机电液系统多领域仿真

4.5.1机电液控制系统的一般构成及工作原理

4.5.2液压控制系统分类

4.5.3液压控制系统的优缺点

4.5.4高速精密机械手的控制系统建模

4.5.5高速精密机械手的控制系统仿真

4.6本章小结

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与项目、发表的论文及成果