【正文】 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 摘 要 工業(yè)機器人是一種集多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝 備，隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。雖然近年來我 國工業(yè)機器人的需求量逐年增加，但目前國產(chǎn)的機器人大多還需要進口，這與我國 快速的發(fā)展的工業(yè)水平不相適應(yīng)。 本文以 FESTO柔性生產(chǎn)線裝配工作站的三菱工業(yè)機器人為基礎(chǔ)，針對五軸工業(yè) 機器人的主體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其中包括各運動關(guān)節(jié)電機和傳動機構(gòu)的選型設(shè)計；機 器人主體機構(gòu)三維建模；機器人關(guān)鍵零部件的三維建模 和工程圖繪制；通過機器人 手腕、前臂、后臂、立柱和底座這幾部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真，探討在 solidworks 軟件環(huán)境下 , 建立了機械手臂的三維實體建模、虛擬裝配、動態(tài)模擬和干涉檢查 , 并運用 solidworks的 motion模塊進行機械手臂的運動仿真 ,實現(xiàn) Solidworks軟件環(huán) 境下機械手臂的虛擬設(shè)計。本設(shè)計的工業(yè)機器人采用交流伺服電機及帶傳動的工作 方式，機器人傳動環(huán)節(jié)減少，結(jié)構(gòu)簡單，提高了系統(tǒng)的精度，減少維護工作量，同 時也簡化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿 真模擬、 solidworks IV 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 Abstract The industrial robot is a set of advanced technologies in the integration of multidisciplinary important modern manufacturing equipment, with the development of science and technology, the industrial robot applications are constantly expanding. Although in recent years the demand robot of our country increases year by year, but at present homebred robot also need to be imported, and this does not suit to China39。s rapid industrial development level. This paper is based on the Mitsubishi industrial robot of FESTO flexible manufacture system assembly workstation based on five axis robot, structure design, including the movement of each joint motor and transmission mechanism design of the robot body mechanism。 3D modeling。 robot key parts of the 3D modeling and engineering drawing。 through the robot wrist, forearm, arm a column and a base, the parts of the structure design and the movement simulation, discusses in the SolidWorks software environment, to establish a mechanical arm of the 3D solid modeling, virtual assembly, dynamic simulation and interference check, and by using the SolidWorks motion module for mechanical arm movement simulation, implementation of Solidworks software environment for virtual design of mechanical arm. The design of the industrial robot driven by AC servo motor and belt transmission mode, the robot transmission link is reduced, and has the advantages of simple structure, improve the precision of the system, reduces the maintenance workload, but also simplifies the production process, reduce the production cost. Key words: industrial robot, structure design, simulation, SolidWorks V 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 目 錄 第一章 緒 論 ........................................................1 選題背景 .......................................................1 國內(nèi)外研究綜述 .................................................2 研究現(xiàn)狀 .......................................................4 研究意義 .......................................................7 第二章 設(shè)計選型 .......................................................8 機構(gòu)選型 .......................................................8 運動機構(gòu) .......................................................... 8 傳動機構(gòu) ..................................................10 控制機構(gòu) ...................................................11 電機選型 ......................................................13 第三章 機械部分設(shè)計 ..................................................18 設(shè)計內(nèi)容 ......................................................18 機器人手腕設(shè)計 .............................................18 機器人前臂設(shè)計 .............................................20 機器人后臂設(shè) 計 .............................................22 機器人立柱設(shè)計 .............................................24 機器人底座設(shè)計 .............................................27 第四章 機器人裝配及運動仿真 ..........................................29 機器人裝配 ....................................................29 機器人運動仿真 ................................................42 第五章 市場前景 ......................................................44 市場分析 ......................................................44 第六章 總結(jié)與展望 ....................................................45 總結(jié) ..........................................................45 展望 ..........................................................45 致 謝 ................................................................46 參 考文獻 .............................................................47 VI 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 第一章 緒 論 選題背景 工業(yè)機器人是一種集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科 先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。我國工業(yè)機器人研究開始于 20 世紀 80 年代中期，在國家的支持下，通過 “七五 ”、 “八五 ”科技攻關(guān)，已經(jīng)基本 實現(xiàn)了實驗、引進 到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展 ［ 1］ 。 但隨著我國門戶的逐漸開放， 國內(nèi)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)面臨著越來越大的競爭 與沖擊。雖然我國機器人的需求量逐年增加，但目前生產(chǎn)的機器人還很難達到所要 求的質(zhì)量，很多機器人的關(guān)鍵部件還需要進口。所以目前來說，我國還處在一個機 器人消費型的國家。 我國現(xiàn)有的機器人研究開發(fā)和應(yīng)用的工程單位超過 200家，其中從事工業(yè)機器 人研究和應(yīng)用的超過 80 家?；菊莆樟瞬僮鳈C的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和 軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，開發(fā)出弧焊、點焊、裝配、 搬運等機器人， 目前生產(chǎn)的各類工業(yè)機器人中有 90%以上用于生產(chǎn)中 ［ 2］ 。近年，我國機器人市場保 有量將增至 48600 臺，年銷售額約 90 多億元。根據(jù)發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級的歷 程和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢預(yù)測，到 20xx 年，我國機器人市場容量將達十幾 萬臺套 ［ 3］ 。 現(xiàn)代制造業(yè)中 , 自動化程度要求非常高 , 各種機械手臂在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線 中扮演著十分重要的角色。例如 , 挖掘機本身就是一個液壓驅(qū)動的機械手臂、汽車 生 產(chǎn) 過 程 中 的 噴 漆 機 器 人 、 海 洋 水 下 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 安 裝 時 用 到 的 ROV(Remotely Operated Vehicles)等 , 各種設(shè)備中機械手臂的設(shè)計成為關(guān)鍵技術(shù) ［ 4］ 。 在機械手臂的設(shè)計及控制過程中 , 機械手臂的運動軌跡及作業(yè)空間是關(guān)鍵的 參數(shù) , 目前求解的方法主要有解析法、圖解法、數(shù)值法等。解析法表達式過于復(fù)雜 , 直觀性不強 , 不適于工程實際應(yīng)用；圖解法采用正投影原理 , 把機械手的作業(yè)空間 問題轉(zhuǎn)化為平面幾何問題來處理 , 得到的是作業(yè)空間的各類剖截面或剖截線。這種 方法直觀性強 , 但受到自由度數(shù)目的限制 , 當關(guān)節(jié)數(shù)較多時圖解過程就變得非常 復(fù)雜 , 必須進行分組處理；數(shù)值法首先計算機械手作業(yè)空間邊界曲面上的特征點 , 然后用這些點構(gòu)成的線表示機械手的邊界曲線 , 最后用這些邊界曲線構(gòu)成的面來 1 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 表示機械手的邊界曲面 , 此方法通用性強 ,但計算量非常大 ［ 5］ 。 本文以五自由度機械手臂為例 , 探討在 solidworks軟件環(huán)境下 , 建立機械手 臂的三維實體建模、虛擬裝配、動態(tài)模擬、干涉檢查 , 并運用 solidworks的 motion 模塊進行機械手臂的運動仿真 , 以期仿真出機械手臂的運動軌跡及作業(yè)空間 , 實 現(xiàn) Solidworks軟件環(huán)境下機械手臂的虛擬設(shè)計。 國內(nèi)外研究綜述 隨著工業(yè)機器人發(fā)展的深度和廣度， 以及機器人智能水平的提高，工業(yè)機器 人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。自從 20 世紀 60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人 以后，工業(yè)機器人就顯示出它極大的生命力，在短短 50 年的時間中