面向折弯作业的五自由度机械臂设计及运动控制研究

摘要

随着制造业的高速发展，在钣金件制造工艺中，传统的人工配合折弯机进行折弯作业成本逐渐变高、安全性差、工作效率低下等缺点，已经满足不了现代企业的发展需求。现代企业对采用机器人配合折弯机进行折弯作业的需求逐渐增高。《中国制造2025》规划将智能机器人作为重点发展领域之一，作为智能制造和自动化生产线中不可替代的装备，机器人已成为衡量国家制造业和科技水平的重要标志。本文设计一款成本低、维护方便、稳定性好的五自由度直角坐标折弯机器人，主要内容包括机构建模、优化设计、运动学分析及运动控制方法等关键技术。具体如下： 首先，对机器人配合折弯机进行折弯作业开展了大量的调研及分析，确定了五自由度直角坐标折弯机器人的相关参数。基于五自由度直角坐标折弯机器人的相关参数设计，并应用Solidworks软件建立机器人的三维模型。 其次，根据机器人的机械结构，利用ANSYS Workbench软件对各个关节进行静力学分析。根据应力、应变的分析结果表明机器人的各个部件的设计均满足工业应用需求，证明了本机构的设计的合理性。同时，对所提出机器人的每个关节的伺服电机进行选型。接着对机器人进行运动学分析，利用D-H法建立运动学模型，求解出五自由度直角坐标折弯机器人的运动学正、逆解，并且分析了其工作空间以及五自由度直角坐标折弯机器人的轨迹规划问题，进而建立了机器人动力学模型。通过MATLAB软件分析比较了PID控制、模糊PID控制以及滑模鲁棒控制的位置伺服控制算法，选择效果更佳的控制算法，确保五自由度直角坐标折弯机器人的运动轨迹误差达到最小。 再次，在MATLAB中分析得出的各关节运动轨迹函数，联合ADAMS软件进行五自由度直角坐标折弯机器人的运动性能分析，从而保证五自由度直角坐标折弯机器人运动的准确及稳定性。 最后，对机器人控制系统的硬件实验平台与软件实验平台的搭建进行了方案设计，对所完成的工作进行了总结与展望。

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