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高性能平行四边形机械手动态设计方法研究

作　者: 陈琳
导　师: 杜志江
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 动态设计方法 高性能机械手 刚体动力学 弹性动力学
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


机械手是目前轻工、电子等行业自动化生产线的核心设备,随着技术的发展对机械手的运动精度和运动平稳性,提出了越来越高的指标要求。从机构动力学的角度分析,这些指标均要求机械手在高速状态下具备良好的动态性能。本文结合实际需求,以高性能平行四边形机械手为研究对象,采用从运动学分析到动力学分析、从刚体动力学模型到弹性动力学模型、从机构优化到结构优化的动态设计方法,对机械手设计与优化进行研究。首先,在机械手初始构型的基础上进行了运动学分析,建立了机械手运动学模型,包括位置、速度、加速度的解析表达式;依据运动学性能评价指标考察机械手的运动学性能,同时构造运动学性能综合评价指标,并将其作为机构参数优化的目标函数。其次,进行动力学分析,建立了机械手刚体动力学模型并提出了刚体动力学性能评价指标;在此基础上建立了机构参数优化模型,以杆件长度、截面积作为设计变量,将运动构件的惯量值、动力学方程中关节耦合程度、驱动力矩、驱动功率等指标作为目标函数,在给定工作空间、运动学、刚体动力学多种约束条件的情况下,借助非支配遗传算法完成了机械手机构的参数优化。由于平行四边形机械手高速运动时,在惯性激励下呈现出一定的弹性。因此,采用有限元理论中的梁单元模拟杆件柔性,建立了机械手的弹性动力学有限元理论模型;并在此基础上建立了机械手结构参数优化模型,以杆件截面积作为设计变量,将机械手一阶、二阶固有频率的全域均方根值作为目标函数,给定机械手总体质量的约束条件,借助非支配遗传算法完成了机械手结构参数优化。利用有限元软件(PATRAN、NASTAN)和机械系统动力学仿真软件(ADAMS)建立了机械手的弹性动力学软件仿真模型,并进行模态分析,验证了有限元理论模型的正确性。在上述分析和优化设计基础上,确定了平行四边形机械手的杆件材料、长度、截面等本体参数,选取了合适的伺服电机及减速器等关键部件,进行了电机惯量匹配校核。最后,对机械手样机进行了模态实验,测试了机械手的固有频率,并与软件仿真模型分析出的固有频率值相比较,实验结果验证了弹性动力学仿真方法的可行性和模型的准确性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题研究意义  8-10
  1.2 国内外研究现状及分析  10-13
    1.2.1 运动学与刚体动力学性能评价指标  10
    1.2.2 机构弹性动力学  10-11
    1.2.3 动态设计  11-13
  1.3 主要研究内容  13-15
第2章 机械手刚体动力学模型及机构参数优化  15-31
  2.1 引言  15
  2.2 机械手构型设计  15-16
  2.3 机械手运动学模型及性能评价指标  16-19
    2.3.1 运动学模型  16-17
    2.3.2 运动学性能评价指标  17-19
  2.4 机械手刚体动力学模型及性能评价指标  19-24
    2.4.1 刚体动力学模型的推导与验证  19-23
    2.4.2 刚体动力学性能评价指标  23-24
  2.5 机械手机构参数优化  24-27
    2.5.1 优化问题的提出  24
    2.5.2 机构参数优化模型  24-27
  2.6 基于NSGA-II 算法求解机构参数优化模型  27-30
    2.6.1 NSGA-II 算法  27-28
    2.6.2 求解过程及优化结果  28-30
  2.7 本章小结  30-31
第3章 机械手弹性动力学模型及结构参数优化  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 机械手弹性动力学有限元理论模型  31-38
    3.2.1 梁单元有限元模型  31-33
    3.2.2 弹性动力学有限元理论模型  33-35
    3.2.3 结构参数优化  35-38
  3.3 机械手弹性动力学软件仿真模型  38-43
    3.3.1 柔性体  38-39
    3.3.2 建模步骤  39
    3.3.3 模态分析  39-42
    3.3.4 有限元理论模型的验证  42
    3.3.5 修改过程  42-43
  3.4 伺服电机及相应减速器的参数选择  43-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 模态实验设计与结果分析  47-56
  4.1 引言  47
  4.2 模态实验设计  47-50
    4.2.1 实验目的和仪器  48
    4.2.2 测试方案  48-49
    4.2.3 实验步骤  49-50
  4.3 实验结果分析  50-55
  4.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
附录  61-66
攻读硕士学位期间发表学术论文  66-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机械手
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