高性能平行四邊形機(jī)械手動態(tài)設(shè)計方法研究.pdf

1、機(jī)械手是目前輕工、電子等行業(yè)自動化生產(chǎn)線的核心設(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展對機(jī)械手的運(yùn)動精度和運(yùn)動平穩(wěn)性，提出了越來越高的指標(biāo)要求。從機(jī)構(gòu)動力學(xué)的角度分析，這些指標(biāo)均要求機(jī)械手在高速狀態(tài)下具備良好的動態(tài)性能。
　　本文結(jié)合實際需求，以高性能平行四邊形機(jī)械手為研究對象，采用從運(yùn)動學(xué)分析到動力學(xué)分析、從剛體動力學(xué)模型到彈性動力學(xué)模型、從機(jī)構(gòu)優(yōu)化到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動態(tài)設(shè)計方法，對機(jī)械手設(shè)計與優(yōu)化進(jìn)行研究。
　　首先，在機(jī)械手初始構(gòu)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行

2、了運(yùn)動學(xué)分析，建立了機(jī)械手運(yùn)動學(xué)模型，包括位置、速度、加速度的解析表達(dá)式；依據(jù)運(yùn)動學(xué)性能評價指標(biāo)考察機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)性能，同時構(gòu)造運(yùn)動學(xué)性能綜合評價指標(biāo)，并將其作為機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。
　　其次，進(jìn)行動力學(xué)分析，建立了機(jī)械手剛體動力學(xué)模型并提出了剛體動力學(xué)性能評價指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，以桿件長度、截面積作為設(shè)計變量，將運(yùn)動構(gòu)件的慣量值、動力學(xué)方程中關(guān)節(jié)耦合程度、驅(qū)動力矩、驅(qū)動功率等指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，在給定工作空

3、間、運(yùn)動學(xué)、剛體動力學(xué)多種約束條件的情況下，借助非支配遺傳算法完成了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。
　　由于平行四邊形機(jī)械手高速運(yùn)動時，在慣性激勵下呈現(xiàn)出一定的彈性。因此，采用有限元理論中的梁單元模擬桿件柔性，建立了機(jī)械手的彈性動力學(xué)有限元理論模型；并在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，以桿件截面積作為設(shè)計變量，將機(jī)械手一階、二階固有頻率的全域均方根值作為目標(biāo)函數(shù)，給定機(jī)械手總體質(zhì)量的約束條件，借助非支配遺傳算法完成了機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)

4、化。利用有限元軟件(PATRAN、NASTAN)和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件(ADAMS)建立了機(jī)械手的彈性動力學(xué)軟件仿真模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，驗證了有限元理論模型的正確性。
　　在上述分析和優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，確定了平行四邊形機(jī)械手的桿件材料、長度、截面等本體參數(shù)，選取了合適的伺服電機(jī)及減速器等關(guān)鍵部件，進(jìn)行了電機(jī)慣量匹配校核。最后，對機(jī)械手樣機(jī)進(jìn)行了模態(tài)實驗，測試了機(jī)械手的固有頻率，并與軟件仿真模型分析出的固有頻率值相比較，實驗結(jié)果驗