含间隙可控喷涂机械臂动态特性及运动可靠性分析

摘要

喷涂机械臂是一种常见的工业机器人，广泛应用于汽车、家电和玩具等现代制造行业。现有的喷涂机械臂主要采用串联结构形式，将驱动装置直接安装在关节处，因而存在转动惯量大、结构刚度低、误差累积的缺陷。本文以现有喷涂机械臂为基础，提出一种可控喷涂机械臂，通过添加基本杆组形成平面杆链封闭环，将部分驱动装置转移到靠近机架处，理论上较好的改善了现有喷涂机械臂的上述缺陷。但是可控喷涂机械臂在引入了基本杆组的同时，也大量增加了机械臂的运动副数量。而由于加工、装配、磨损等原因，运动副间隙不可避免的存在，它会导致运动副元素间发生分离和碰撞，这势必对机械臂的动态性能产生影响。对此，本文对可控喷涂机械臂进行考虑运动副间隙的研究分析，主要工作内容如下:
　　(1).利用闭环矢量法和空间坐标几何关系对无间隙可控喷涂机械臂进行运动学建模，并在此基础上简要分析了机械臂的奇异性和工作空间，增进了对可控喷涂机械臂基本运动规律的了解。
　　(2).对含间隙机构分析的基础理论模型进行介绍，选择合适的模型进行动力学建模，并在此基础上，以Matlab/Simulink软件为平台，对可控喷涂机械臂在有无运动副间隙、不同间隙半径、不同驱动速度条件下进行数值仿真和对比分析，得到运动副间隙半径和驱动速度对可控喷涂机械臂动态特性的影响特点，为运动副尺寸加工精度和机械臂作业速度的选择提供了一定的理论参考。
　　(3).简要介绍机构运动可靠性基础理论和间隙因素概率分析模型，对考虑间隙因素和杆长误差因素的可控喷涂机械臂进行误差分析，并以此为基础，用Monte-Carlo法对机械臂进行运动可靠性分析。对比间隙因素和杆长误差因素对可控喷涂机械臂运动可靠度的影响大小，得出运动副间隙对进一步提高可控喷涂机械臂运动可靠性非常重要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的来源及研究意义

1．2 喷涂机器人的发展现状

1．3 含间隙机构研究现状

1．3．1 含间隙机构动力学建模方法

1．3．2 含间隙机构动力学分析现状

1．4 机构运动可靠性研究现状

1．5 本文研究的内容

第二章 无间隙可控喷涂机械臂运动分析

2．1 引言

2．2 可控喷涂机械臂结构介绍及自由度分析

2．2．1 可控喷涂机械臂结构介绍

2．2．2 可控喷涂机械臂自由度分析

2．3 可控喷涂机械臂位置分析

2．3．1 正解分析

2．3．2 逆解分析

2．4 可控喷涂机械臂速度和加速度分析

2．4．1 速度分析

2．4．2 加速度分析

2．5 机械臂的奇异性分析

2．5．1 四杆闭环BCDE的奇异性分析

2．5．2 四杆闭环ABHG的奇异性分析

2．6 机械臂的工作空间分析

2．7 本章小结

第三章 考虑间隙的可控喷涂机械臂动力学分析

3．1 引言

3．2 运动副间隙分析模型

3．2．1 连续接触模型

3．2．2 二状态模型

3．2．3 三状态模型

3．3 含间隙可控喷涂机械臂结构分析

3．4 用牛顿定律和二状态模型推导机械臂的动力学方程

3．4．1 间隙运动副接触力模型

3．4．2 间隙运动副状态判定条件

3．4．3 可控喷涂机械臂的含间隙运动副接触力分析

3．4．4 各杆件质心位置、速度、加速度

3．4．5 机械臂动力学方程组

3．5 用连续接触模型推导机械臂的动力学方程

3．5．1 多杆多自由度无l司隙可控喷涂机械臂运动分j15斤

3．5．2 动力学方程推导

3．5．3 两种间隙分析模型建立的动力学方程组对比分析

3．6 本章小结

第四章 考虑间隙的可控喷涂机械臂动态仿真分析

4．1 引言

4．2 机械系统仿真方法

4．3 Simulink工具箱

4．4 建立动态仿真模型

4．4．1 建立不考虑运动副间隙可控喷涂机械臂动态仿真模型

4．4．2 建立考虑运动副间隙的可控喷涂机械臂动态仿真模型

4．5 含间隙可控喷涂机械臂数值动态仿真及仿真结果分析

4．5．1 数值仿真初始值确定

4．5．2 有无运动副间隙时可控喷涂机械臂动态特性对比分析

4．5．3 不同间隙半径值时含间隙可控喷涂机械臂动态特性对比分析

4．5．4 不同驱动速度时含间隙可控喷涂机械臂动态特性对比分析

4．6 本章小结

第五章 含间隙可控喷涂机械臂运动可靠性分析

5．1 引言

5．2 机构运动可靠性基础理论

5．2．1 机构运动可靠性定义

5．2．2 机构运动误差因素

5．2．3 机构运动可靠度指标

5．3 含间隙可控喷涂机械臂运动可靠性分析

5．3．1 运动副间隙随机特性对机构运动的影响

5．3．2 机械臂构件杆长加工误差对机构运动的影响

5．3．3 可控制涂机械执行末端误差模型

5．3．3 可控喷涂机械臂执行末端运动可靠度

5．4 运动可靠性分析方法

5．4．1 Monte-Carlo法

5．4．2 Monte-Carlo法的基本步骤

5．5 可控喷涂机械臂可靠度计算实例

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文