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5R切削机器人的结构设计与仿真

于莹莹  
【摘要】:随着科技的不断进步,机器人技术已拓展到全球经济发展的各个领域,机器人技术的应用与人类的发展、科技的进步有着密切的关系。目前,我国比较有代表性的研究是水下机器人、科技机器人、工业机器人等,总体上与发达国家相比,还存在一定的差距,随着我国产业结构的不断调整,国际制造业中心逐渐向中国转移,我国的机器人市场扩展速度会进一步加快,因此,有待于我们继续深入研究开发,让机器人这个行业在我国真正的产业化、商业化。 首先,本文分析了国内外机器人的研究现状,创新性地将五个纯转动关节的机器人技术与切削加工技术结合,并对该机器人进行了结构设计,其创新之处在于: (1)功能创新,将5R机器人技术与切削加工技术结合,改变了以往的机床加工形式,利用串联机器人切削加工机械零件,既有机床的切削性能,也有机器人的灵活性。 (2)结构创新,将电主轴应用于五个转动副的纯转动关节机器人结构中,并且电主轴与铣刀直接安装,提供铣刀旋转的动力,以进行机械零件的加工其余各关节采用空心轴伺服电机通过减速器直接驱动各关节轴的旋转运动,从而使得机器人的整体结构紧凑。 其次,建立5R切削机器人的D-H坐标系,并基于此坐标系对该机器人进行运动学正解分析,求出末端铣刀相对于基坐标系的运动学方程,之后又对该机器人进行运动学反解分析,求出各构件的连杆夹角θ值。同时,利用UGNX6.0建立5R切削机器人的三维实体模型,然后按照机器人的实际几何尺寸、物理特性等效简化5R切削机器人的虚拟样机模型,并以Parasolid文件格式导入到ADAMS平台中,然后在ADAMS/View模块下添加相应的约束条件及驱动函数,采用交互式仿真模式对5R切削机器人进行空间轨迹跟踪仿真。 最后,采用ADAMS进行仿真,利用ADAMS软件提供的多自由度点驱动功能,让机器人按照预定的轨迹进行运动,然后通过ADAMS/PostProcessor模块及其强大的测试功能,得到该机器人各旋转轴角度、角速度与时间的函数曲线、各构件质心位移与时间的函数曲线、铣刀末端位移与时间的函数曲线,并对这些曲线进行研究分析,完成5R切削机器人的运动学反解分析。 利用ADAMS后处理模块中提供的图表工具栏,将各旋转轴角度与时间的函数曲线转换成样条函数,然后利用Akima样条拟合方法中的AKISPL函数,将上述样条函数对应添加到各驱动轴上,在ADAMS后处理模块中可得到铣刀末端的位移与时间的函数曲线,完成运动学正解分析。对各曲线进行研究分析,比较正、反解中的铣刀末端位移与时间的函数曲线,研究结果表明与上述理论计算的结果完全一致,从而验证了基于ADAMS的运动学正、反解分析的正确性。 基于ADAMS仿真软件对5R切削机器人进行运动学分析,可实时、准确地计算出任一时刻各旋转轴与基坐标系的位姿关系、角速度随时间变化的曲线关系等,同时也减少繁琐复杂的矩阵计算,缩短物理样机的开发周期。


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