医药灌装机械臂的研究与设计

摘要

本课题来源于某生产制药设备公司的委托项目，厂家原有的医药灌装机采用凸轮式灌装机构，存在高速灌装时不稳定、无法满足不同装量需求以及清洁不方便等问题。针对以上问题，本文研究设计了一种基于三轴关节机器人结构的新型灌装机构——灌装机械臂。灌装机械臂采用交流伺服电机驱动，与凸轮机构相比结构更加紧凑、能灵活满足不同装量的灌装需求，而且方便进行消毒和灭菌处理，适用于无菌灌装环境。
　　首先，本文对灌装机灌装性能的主要影响因素，即灌装跟踪系统进行研究，分析了灌装跟踪系统各工步中灌装针的运动状态，并在参考原有灌装机构中凸轮轮廓曲线的基础上，规划了灌装针的运动轨迹。然后对灌装机械臂的运动学和动力学特性进行分析，并结合规划的灌装针运动轨迹进行运动学和动力学仿真，将仿真过程中得到的大量设计参数作为机械臂结构设计的参考依据。
　　其次，本文详细阐述了灌装机械臂的结构设计过程。先根据实际的功能需求，进行总体设计，确定大臂和小臂的传动方案。再对机械臂的各个部分分别进行设计，包括肩、肘、腕关节的传动机构以及电机传动机构的设计。本文针对灌装针架如何在运动过程中保持水平的问题，创新地提出了基于钢带传动的方案，并对钢带传动机构中的关键部分如钢带的缠绕方式、张紧装置等进行了研究，提出相应的设计方案。
　　最后，使用MATLAB和ADAMS软件搭建机械臂控制系统的联合仿真平台，对其控制系统进行研究。并使用比例-微分控制策略，实现对各关节的位置角度进行精确控制，使机械臂能够准确地跟踪给定的轨迹曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 医药灌装机概述

1．2．1 医药灌装机分类

1．2．1 医药灌装机的组成

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内外医药灌装机发展现状

1．3．2 医药灌装机研究现状

1．3．3 机械臂研究现状

1．3．4 医药灌装机发展趋势

1．4 GMP规范概述

1．4 课题来源及主要研究内容

第二章 灌装跟踪系统研究

2．1 灌装跟踪系统概述

2．2 灌装跟踪算法研究

2．2．1 灌装机主要技术要求

2．2．2 水平跟踪运动规划

2．2．3 垂直升降运动规划

2．2．4 合成运动轨迹

本章小结

第三章 灌装机械臂轨迹规划及动力学研究

3．1 灌装机械臂运动学分析

3．1．1 机械臂运动学正解

3．2．2 机械臂运动学逆解

3．2 机械臂轨迹规划

3．2．1 基于三次样条函数插值的轨迹规划算法

3．2．2 轨迹规划仿真

3．2．3 机械臂运动特性分析

3．2．4 仿真验证

3．3 灌装机械臂动力学研究

3．3．1 拉格朗日法求解机械臂动力学方程

3．4．1 基于MATLAB的动力学仿真

本章小结

第四章 灌装机械臂设计

4．1 灌装机械臂总体设计

4．1．1 机械臂技术参数

4．1．2 机械臂外形尺寸及工作空间

4．1．3 机械臂总体传动方案

4．2 腕关节传动设计

4．2．1 腕关节传动原理

4．2．2 腕关节传动设计

4．3 肩关节及肘关节设计

4．3．1 肩关节机构设计

4．3．2 肘关节机构设计

4．4 电机传动机构设计

4．5 大臂及小臂设计

4．6 关键零部件的设计与选型

4．6．1 钢带传动概述

4．6．2 带轮及张紧装置设计

4．6．3 钢带选型及校核

4．6．4 伺服电机选型

4．7 控制系统方案设计

4．7．1 运动控制器选型

4．7．2 控制系统软件结构设计

本章小结

第五章 灌装机械臂仿真与分析

5．1 机械臂虚拟样机模型的建立

5．2 基于ADAMS的机械臂动力学仿真

5．3 基于MATLAB和ADAMS的机械臂控制系统仿真

5．4．1 联合仿真机械子系统的建立

5．4．2 控制系统的建立

5．4．3 联合仿真实验

本章小结

第六章 总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

作者简介