机械制造自动化论文.doc

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1、机械制造自动化论文机械制造自动化论文专 业 机械制造及其自动化 摘 要本设计以水平四自由度装配机器人大小手臂为研究对象，采用虚拟样机技术对机械系统进行设计，利用UG的运动学和动力学仿真功能，对水平四自由度装配机器人手臂的运动学和动力学特性做了深入研究。仿真分析结果可以指导零件的结构设计或调整零件的材料的选择。虚拟样机技术的应用对于提高工业产品的品质，降低产品开发和生产成本具有很大的作用。首先建立了水平四自由度装配机器人整体的模型，并依据以上模型建立了水平二连杆机器人手臂的运动学和动力学方程，从理论上对水平二连杆机器人大小手臂的运动学和动力学规律进行研究。在机器人手臂的运动学和动力学仿真分析方面

2、，利用UG做运动学和动力学仿真，可以得到各杆件的任一点的位置、速度、加速度、作用力、力矩、各连杆的动能和机械手的总动能等。以上信息的取得对于机器人手臂的设计可以起到支持作用。关键词：水平四自由度装配机器人；运动学分析；动力学分析；仿真AbstractIn this article, we aim to design a planar four-DOF assembly robot arm. Using virtual Prototyping Technology designs mechanism system. We utilize the kinematics and dynamics s

3、imulation function of virtual prototype software UG to get the kinematics and dynamics characteristic of the planar four-DOF assembly robot arm. The simulation results of the analysis can help us modify the material of part and improve the structure design. Applying virtual Prototyping Technology is

4、 important for improving the quality of product and decrease the case of product.We first build the model of the planar four-DOF assembly robot; then establish the kinematics and dynamics equation of the planar four-DOF assembly robot arm, and do some theoretical research on the kinematics and dynam

5、ics characteristics of the robot arm. For the two-bar robot arm, we focus merely the whole kinetic energy at horizontal condition, and neglect the change of potential energy due to the bending deflection of the robot arm. In the simulation of the kinematics and dynamics of robot arm, we use UGto get

6、 the displacement, speed, acceleration, force, torque, kinetic energy of each link and the whole kinetic energy of robot arm, etc. Such information will support the design of robot arm.Key word: Planar four-DOF assembly robot; Kinematics analysis; Dynamics analysis, Simulation目 录第一章 绪论-11.1 工业机器人及其相

7、关技术的发展概括-11.1.1 工业机器人技术概况-11.1.2 世界工业机器人技术发展概况-11.1.3 我国工业机器人技术发展概况及主要研究内容-31.2 虚拟样机技术的重要作用-71.3 本课题研究的意义和目的-91.3.1 课题的意义-91.3.2 课题的目的-101.4 本课题的研究的方法-10第二章 水平四自由度装配工业机器人的总体设计情况-122.1 水平四自由度装配工业机器人的设计方案-122.1.1 总体设计方案的构思-122.1.2 大臂和小臂模组的设计构思-162.1.3 Z轴模组的设计构思-182.2 装配工业机器人的外形尺寸和工作空间-192.3 水平四自由度装配工业

8、机器人的机械结构方案设计-202.3.1 第一关节结构设计-202.3.2 第二关节结构设计-212.3.3 第三、第四关节结构设计-22第三章 水平四自由度装配工业机器人的建模-243.1 建立各装配部件3D模型-243.2 建立总装配3D模型-26第四章 水平四自由度装配工业机器人的运动学分析-294.1 在X-Y平面内建立二连杆的运动学算法模型-294.2 二连杆机构运动学分析的数学基础-304.2.1 二连杆机构在X-Y平面内的空间示意图-304.2.2 二连杆机构在X-Y平面内位置和姿态的数学描述-304.2.3 齐次坐标变换-314.3物体的变换与逆变换-314.3.1 物体的位置

9、描述-314.3.2 齐次变换的逆变换-314.3.3 变换方程初步-314.4 UG的水平四自由度装配工业机器人的运动学分析-324.4.1 机器人正向运动学-324.4.2 机器人逆向运动学-324.5 运动学仿真分析-334.5.1 广义坐标和时间的函数曲线-364.5.2 速度约束方程和时间的函数曲线-364.5.3 加速度约束方程和时间的函数曲线-37第五章 水平四自由度装配工业机器人的动力学分析-375.1 二连杆机器人手臂动力学方程的建立方法-385.1.1 速度的计算-385.1.2 动能的计算-395.1.3 动力学方程的推导-405.2 二连杆机构的点到点动力学仿真-415

10、.2.1 二连杆机构动能变化关系-425.2.2 二连杆机构转矩变化关系-42第六章 总结-45致谢-46参考文献-4747第一章 绪论1.1 工业机器人及其相关技术和发展概况1.1.1 工业机器人技术概况工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代

11、研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）是利用软件所提供的各零部件的物理和几何信息，直接在计算机上对机械系统进行3D建模和虚拟装配；从而获得基于产品的计算机数字模型即虚拟样机（Virtual Prototype），并对其进行仿真分析。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案，直至得到最优化结果，从而大幅度缩短了开发周期，减少了开发成本。因此，利用虚拟样机技术进行工业机器人机械系统的设计可以实现降低开发成本的目的。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人

12、的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。因此，各国都很重视工业机器人技术的发展和工业机器人技术在生产中的应用。1.1.2 世界工业机器人技术发展概况近代工业机器人的原型可以从1948年算起，当时美国原子能委员会的阿贡研究所为适应核技术发展的需要开发了处理放射性材料的主从机械手1。1954年，乔治.德沃尔提出了“通用重复操作机器人的方案”并研制出了第一台通用工业机器人(Eng

13、elberberger)，这是一台将遥控操作器的连杆机构与数控铣床的伺服轴结合起来的设备。1962年，乔治.德沃尔与Engelberberger合作创建的美国万能自动化(Unimation)公司的第一台工业机器人Unimate在美国通用汽车公司(GE)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生12。由于历史条件和技术水平的关系，60年代工业机器人发展较慢；进入70年代后，焊接，喷漆机器人相继在工业中应用和推广。到1980年全世界约有2万台工业机器人在工业中应用，而到1985年底就达到了1000万台。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UN

14、ECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景2看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。全世界工业机器人的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的，15年来已经出现3次马鞍形曲线。第一次在80年代中期(19851987)，那是由于第一代工业机器人在一些发达国家汽车工业中的应用渐达饱和，以及日元不断升值所至。1988年后，随着电子行业工业机器人的大量应用及日本经济的复苏，工业机器人增长率开始回升，1990年达到高峰。19921994年又出现了第二次马鞍形，由1990年的最高纪录年产8.1万台降为1994年的5.3万台，主要原因还是日本经济不景气的

15、影响。1995年开始复苏，1997年新安装8.7万台，创历史最高纪录，而1998年实际订货7.1万台，销售额比上一年下降16%，出现了第三个马鞍形，是由于日，韩两国销售额大幅下降所致。1999年回升，主要原因是北美和欧洲订单的增长3。进入21世纪，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。随着电子计算机，自动控制技术的发展和工业生产的需要，工业机器人技术在一些国家发展起来了。在普及第一代工业机器人的基础上，目前第二代工业机器人已推广成为主流安装机型；第三代智能机器人也已发展起来。现代工业机器人技术的发展具有如

16、下特点：机械结构方面：以关节型为主流，80年代开发的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的1/3；控制技术方面：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴；采用通用机器人编程语言，基于PC的开放结构的控制系统已经成为一股潮流；驱动技术方面：80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术，在远程控制中已采用分布式智能驱动新技术；网络通讯方式多采用Ether网通讯方式，其它采用RS-232、RS-485等通讯接口；高速、高精度、多功能化：目前，最快的装配机器人最小合成速度为16.5m/s，位置重复精度0.01mm；集成化与系列化：当今工业机器人技术的另一个特点是从单机、单元向系统发展，多个机器

17、人与微机、周边智能设备和操作人员形成一个多智能体；到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。在工业机器人技术发展方面：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，工业机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将工业机器人并联平行四边形结构改为开链式结构，拓展了工业机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了工业机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使工业机器人操作机几乎成为免维护系统。由于微电子技术

18、的快速发展和大规模集成电路的应用，使工业机器人控制系统的可靠性有了很大提高。过去工业机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求6。当前工业机器人的发展方向是探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。在非制造业的先进机器人系统发展方面：随着人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，

19、对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。1.1.3 我国工业机器人技术发展概况及主要研究内容1.1.3.1 我国工业机器人技术发展概括我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4%4。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期

20、的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛；从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。在中国市场上占有35市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。专家预测，中国机器人到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达十几万台（套）。据悉，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。1.1.3.2 我国工业机器人技术主要

21、的研究内容：（1） 工业机器人产业化技术研究 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。 焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD成像系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。 电子行业用装配机器人产品

22、标准化、通用化、模块化、系列化设计。 批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。（2） 智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究包括建模遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根

23、据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。 人机交互环境建模系统包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力

24、学建模中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。（3） 机器人化机械研究开发 并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理

25、论；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。（4） 以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。 面向机器人装配的设计技术包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。 机器

26、人柔性装配系统设计技术其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。 可重构机器人柔性装配系统设计技术开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。 装配力觉、视觉技术包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。 智能装配策略及其控制包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。（5） 多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配

27、置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 机电一体化智能传感器包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。我国的智能机器人和特种机器人在近几年的发展中，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技

28、术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品5。1.2虚拟样机技术的重要作用随着计算机技术的日益成熟，近年来在对机械系统进行分析中，出现了虚拟样机技术。虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology）是一项新生的工程技术；它采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真和分析。虚拟样机技术在设计的初级阶段-概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析

29、，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行了机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力等。任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。虚拟样机技术的起源有其经济背景。随着经济贸易

30、的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期、提高产品质量、降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计实验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师

31、为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有了先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低和对市场的占有。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中。它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提高。1997年7月4日，美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路者”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了该项技术，这个计

32、划可能要失败。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后6轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了虚拟样机技术，其设计周期缩短了70天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了0.4亿美元，制造费用节省了510亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位

33、的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计（CAD）技术的成熟及大规模推广应用是分不开的。首先，CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等烦琐的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于CAD强大的三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计实验和设计的反复过程才有时间上的意义。虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作

34、为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。虚拟样机技术应当属于计算机辅助工程（CAE）的一个分支。隶属于CAE的其他分支有限元技术等。虚拟样机技术区别于其他分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正由于此，虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术带来的影响要大。虚拟样机技术不仅帮助企业缩短生产周期，降低成本和提高质量，而且改变了产品设计的顺序。过去的设计方式是由下到上：从部件设计

35、到整机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种事情在我国常发生，尤其在对国外引进样机的消化上，在整机性能还没有吃透的情况下就开始照抄零件。借助于虚拟样机技术，传统的设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照由上至下的顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。当设计工业机器人时，可以依技术指标，利用虚拟样机技术确定工作装置的参数，优化设计在初期设计阶段完成。对于初期阶段的虚拟样机的仿真结果可以作为零件设计的参考。虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业，工程机械，航空航天业，国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门

36、，天上的火箭到海上的轮船。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了时间，降低了成本并提供了满意的设计方案。1.3 本课题研究的意义和目的1.3.1 课题的意义希望通过本课题的研究，掌握基于虚拟样机技术的水平四自由度工业机器人手臂机械系统的设计方法，并将研究成果应用到企业的生产实际中；同时通过本课题的研究，可以掌握先进的设计方法，并将这些先进的设计方法应用到其它自化设备的开发当中；最终实现提高产品质量，缩短开发周期和降低开发成本。1.3.2 课题的目的本课题的研究主要有两个目的：目的一、解决本企业生产中存在的实际问题，为企业降低成本、增加效益、提高竞争力做出贡献1)本企业运营现状：

37、由于国家和地方出台的各种保护劳动者利益的政策，使企业人力成本提高；为了保证产品品质的稳定性，企业有开发自动化设备来代替人工的需求；目前，公司自主开发的自动化设备均为刚性机，只能针对单一产品；电子产品生命周期越来越短，产品更新换代速度快；电子产品向轻、薄、短、小方向发展，人工作业精度越来越难满足生产要求；2)解决对策：导入泛用型、柔性化、高精度的自动化设备是必由之路；而这种自动化设备最典型的代表就是工业机器人。3)生产中成功导入工业机器人的途径：在市场上采购工业机器人：优点：功能强、精度高；缺点：价格贵、对前期培训和售后服务要求高；自主开发：优点：价格低、功能满足企业实际需求；培养企业内工程技术

38、人员的开发能力。缺点：没有相关开发经验必须寻求外部资源的协助；需要较长的开发周期。从长远来看，自主开发是必由之路!目的二、通过论文的实施，可以学到先进的设计方法；并把这些设计方法应用在其他自动化产品的开发中；1.4 本课题的研究的方法1、初步确定四自由度机器人的结构；2、初步确定四自由度机器人的尺寸方案；3、初步确定四自由度机器人的工作空间合理分布；4、确定四自由度机器人的传动方式；建立水平四自由度机器人动力学方程，并利用UG的运动分析模块1、水平四自由度机器人的运动学分析；2、水平四自由度机器人的动力学分析；最终确定水平四自由度机器人机械结构。第二章 水平四自由度装配工业机器人的总体设计2.

39、1 水平四自由度装配工业机器人的设计方案2.1.1 总体设计方案的构思本课题是为了解决电子产业装配生产中存在的多品种小批量生产模式而开发的装配工业机器人。从应用环境来分析：一、 工业机器人需要如下四个自由度，大小臂在XY平面内转动，Z轴上下移动以及Z轴的转动，在这个四自由度下工作就可以满足绝大多数的装配应用；1. 工作范围的确定：工业机器人工作的范围根据工艺要求和操作运动轨迹来确定。一个操作运动的轨迹一般是由几个动作合成的；在确定工作范围时，可将运动轨迹分解成单个动作，由单个动作的行程确定工业机器人的最大行程。各个动作的最大行程确定之后，工业机器人的工作范围即可确定。2. 大小臂尺寸的确定：装

40、配生产中所用装配流水线的宽度一般为700mm800mm左右，如果工业机器人手臂置于流水线的中间位置，考虑其大小臂长度之和为380mm则可以满足需求。3. Z轴平移及旋转行程的确定：为了使工业机器人手臂与流水线手工作业人员很好的结合，工业机器人手臂Z轴的位置高度应与人工治具高度相当，同时考虑到对不同产品的泛用性，Z轴上下运动位移须达到180mm，符合人手上下取放的高度；Z轴旋转须360，以实现不同角度的装配。4. 臂力的确定：对于装配工业机器人来说，臂力主要根据被抓取、搬运物体的重量及重量变化范围来定，其安全系数一般可在1.53.0范围内选取。二、 面向的产品具有短、小、轻、薄的特点，要求装配工

41、业机器人有高精度，但载荷并不要求很大。1. 根据电子产品的特点，短、小、轻、薄、结构复杂；所以在装配过程中，只有高精度才能保证产品结构不会破坏，从而保证品质。2. 工业机器人本身所能达到的定位精度，取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等很多因素。所以在本课题中，在结构设计上应用虚拟样机技术进行臂部刚度的优化设计，在驱动方式上采用交流伺服驱动，并以绝对式光电编码器进行工作位置的反馈。在传动方式上采用交流伺服电机+同步齿形带和步进电机+同步齿形带两种方式。保证求装配工业机器人所需的精度。3.根据电子产品短、小、轻、薄的特点，所以装配工业机器人的最大载荷并不需要很大，最大载荷为3KG完全可以满足要求。三、 工业生产要求装配工业机器人有高的生产效率，即在尽量短的时间内完成装配和加工作业；装配工业机器人工作速度越快，则生产效率就越高。装配工业机器人各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作节