六自由度加工机器人虚拟样机设计与动力学分析开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1 研究目的

通过对六自由度加工机器人的运动学、动力学分析,利用MATLAB对其运动轨迹仿真模拟,并针对运动中可能存在的优化方法进行设计,利用Solidworks建立实际机器人内部传动结构及外壳相关模型,完成样机的结构设计,ADAMS/Vibration模块进行机器人振动模态分析,给出仿真结果及结论,为工业机器人的优化设计与性能改进提供有效的参考依据

1.2 研究意义

随着中国成为世界制造业的中心枢纽,工业自动化行业对于效率提升的需求大大提升,“中国制造2025”的提出与推进,使得加工机器人的装机率越来越高,2012年以来,中国工业机器人销售额以36%的年平均增长率成倍增加[1],在可以预见的未来,中国将会成为全世界第一生产制造国与使用国[2]

机器人的设计优化过程设计多学科多领域的交融,在模型建立、运动学、动力学计算、优化设计等方面的工作非常重要,利用相关软件对实际机器人进行仿真模拟,可以将上述工作简化结合,不需要制造每一个实际物理零件就可以让用户观察、分析改进相关设计,大大提高了工作效率,且可以用于模拟现实制造环境,测试其可靠性,达到优化设计的目的[3]

虽然工业机器人显示出了极大的生命力,在当代工业技术发展中已成为激烈制造业竞争中具有核心竞争力的技术[4],六自由度加工机器人已面世多年,但国内相关技术尚不成熟,技术链条不连贯,导致了对于相关结构了解过少,技术储备不足。工业机器人工作中普遍存在两个问题:即末端执行器启停波动现象以及运动轨迹的偏差[5],这就需要结合利用机器人仿真技术模拟规划全过程以减小振动与冲击;机器人的运动轨迹对加工质量会产生巨大影响,所以研究机器人的运动学、动力学非常重要,基于此设计验证机器人的理论方法具有一定参考价值。

本论文以现有KUKA KR系列传统机器人为研究对象,通过D-H参数建立运动学模型,根据实际参数求取活动空间,进行动力学分析,以Solidworks对实际样机进行建模,运用MATLAB进行运动学仿真,在各个位姿及特殊位置条件下,利用 ADAMS/Vibration模块进行机器人振动模态分析,给出仿真结果及结论,验证可行性,对振动产生的原因以及相关环节进行优化。此研究不仅验证了六自由度加工机器人研究方法,为其设计优化提供理论依据,而且对扩大加工机器人的应用范围,提高对于高端装备制造业的理解有着重要意义。

1.3.1国外研究现状

国外相关工业机器人公司主要以日本的FANLUC、OTC、SCARA与欧洲KUKA、ABB为主[6],日本不仅是世界机器人最大的生产国,同时也是最大的销售国,SCARA工业机器人为全球占有率第一品牌,外国品牌在中国具有极高占有率。

在理论研究方面,瑞士联邦理工学院Yvonne基于KUKA LBR 14 R820机器人,给出了包括摩擦在内的刚杆模型等物理参数集的识别,并基于优化激励轨迹对机器人进行优化,通过求解非线性优化问题,确定了稳定动态仿真所需要的物理参数[7]。Berend Denkena等人在国际机器人会议上,针对加工机器人的设计与优化,利用特征评率分析的方式,指出第一特征频率可以通过优化第一驱动器的刚度来增加,并借助有限元分析方法,验证了压低重心和减小轴承力之间的杠杆臂可显著增加倾斜刚度,并且对静态特性和动态特性有一定影响[8]。Waseem Khan等人基于六旋转关节机器人,在分离简化模型的基础上,构造机器人角度变化关系的模型,同时添加了切割力来检测其受到力矩之后的影响,最终得到一个给定任务的无冗余机器人[9]

在离线编程仿真软件上,ABB公司拥有专业机器人模拟与编程工具Robotstudio,先锋机器人Pioneer3拥有独立软件MobieSim,可实现根据实际工作地图环境的场地模型构建、障碍物躲避与路径规划,IBM也发布了开源机器人仿真包-Open Dynamics Engine,可轻松建立刚性物体的动态模型[10],为理论研究提供了极大便利[10-12]

1.3.2国内研究现状

进入2019年,中国国内劳动力结构发生变化,高效率的机器人被制造业企业大量使用,在珠三角地区,装配、焊接、搬运等领域,机器人占比已经大大提高[13],尤其以华为、中兴为代表的电子信息企业,以努比亚为代表的国产汽车企业都在大量使用工业机器人。

相对于外国来说,我国工业机器人发展起步较晚,缺少自主技术自主研发的机器人产品,在核心技术上任受制于人,但在中国大体量的机器人使用过程中,针对实际的问题,国内学者对工业机器人的研究也日益增多。华中科技大学的昆阳等人利用平衡系统对工业机器人进行改进,对于机器人的工作空间优化,位置偏差补偿,提出基于伺服电机的补偿方法,使得彼此优势得以整合[14]。杨洗陈提出激光加工机器人在柔性制造、机器视觉的智能控制上的发展等关键技术上的发展至关重要,但其仍然处于起步阶段,所用研究机器人也只能在同类机器人之中开发[15]

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