高性能平行四边形机械手动态设计方法研究

摘要

机械手是目前轻工、电子等行业自动化生产线的核心设备，随着技术的发展对机械手的运动精度和运动平稳性，提出了越来越高的指标要求。从机构动力学的角度分析，这些指标均要求机械手在高速状态下具备良好的动态性能。
　　本文结合实际需求，以高性能平行四边形机械手为研究对象，采用从运动学分析到动力学分析、从刚体动力学模型到弹性动力学模型、从机构优化到结构优化的动态设计方法，对机械手设计与优化进行研究。
　　首先，在机械手初始构型的基础上进行了运动学分析，建立了机械手运动学模型，包括位置、速度、加速度的解析表达式；依据运动学性能评价指标考察机械手的运动学性能，同时构造运动学性能综合评价指标，并将其作为机构参数优化的目标函数。
　　其次，进行动力学分析，建立了机械手刚体动力学模型并提出了刚体动力学性能评价指标；在此基础上建立了机构参数优化模型，以杆件长度、截面积作为设计变量，将运动构件的惯量值、动力学方程中关节耦合程度、驱动力矩、驱动功率等指标作为目标函数，在给定工作空间、运动学、刚体动力学多种约束条件的情况下，借助非支配遗传算法完成了机械手机构的参数优化。
　　由于平行四边形机械手高速运动时，在惯性激励下呈现出一定的弹性。因此，采用有限元理论中的梁单元模拟杆件柔性，建立了机械手的弹性动力学有限元理论模型；并在此基础上建立了机械手结构参数优化模型，以杆件截面积作为设计变量，将机械手一阶、二阶固有频率的全域均方根值作为目标函数，给定机械手总体质量的约束条件，借助非支配遗传算法完成了机械手结构参数优化。利用有限元软件(PATRAN、NASTAN)和机械系统动力学仿真软件(ADAMS)建立了机械手的弹性动力学软件仿真模型，并进行模态分析，验证了有限元理论模型的正确性。
　　在上述分析和优化设计基础上，确定了平行四边形机械手的杆件材料、长度、截面等本体参数，选取了合适的伺服电机及减速器等关键部件，进行了电机惯量匹配校核。最后，对机械手样机进行了模态实验，测试了机械手的固有频率，并与软件仿真模型分析出的固有频率值相比较，实验结果验证了弹性动力学仿真方法的可行性和模型的准确性。

目录

高性能平行四边形机械手动态设计方法研究

RESEARCH ON DYNAMIC DESIGNFOR HIGH PERFORMANCEPARALLELOGRAM MANIPULATOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 机械手刚体动力学模型及机构参数优化

2.1 引言

2.2 机械手构型设计

2.3 机械手运动学模型及性能评价指标

2.4 机械手刚体动力学模型及性能评价指标

2.5 机械手机构参数优化

2.6 基于NSGA-II 算法求解机构参数优化模型

2.7 本章小结

第3章 机械手弹性动力学模型及结构参数优化

3.1 引言

3.2 机械手弹性动力学有限元理论模型

3.3 机械手弹性动力学软件仿真模型

3.4 伺服电机及相应减速器的参数选择

3.5 本章小结

第4章 模态实验设计与结果分析

4.1 引言

4.2 模态实验设计

4.3 实验结果分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间发表学术论文

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢