六自由度机械手的机械结构设计及其运动仿真(mechanicalstructuredesignandmotionsimul
六自由度机械手作为现代机器人的一个重要组成部分,也随着技术的提高不断发展。普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作,多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。越来越多的多自由度机械手可以代替人的实际劳动,因此对机械手的研究是有很大意义的。论文设计了一个六自由度的机械手,由手抓、手臂、手腕和圆盘底座四个部分组成,尺寸与人的手臂大小相当,各关节采用舵机驱动。机械手的动作包括底座的旋转、大臂的摆动、小臂的摆动、手腕的摆动、手腕的旋转、手抓的张合六个自由度。机械手的活动半径为0.4m,能抓取较小的物体,放到一定的位置。在Solid Works软件中画出机械手各个零件的三维模型,并完成最终的装配。然后把Solid Works模型数据导入到ADAMS软件中,对其进行相应的处理,添加约束、接触力和驱动,测出运动特性曲线,完成运动仿真,为虚拟样机分析技术做了尝试,积累了经验。最后录制了一段模拟人手抓取、移动、松放动作的视频。关键词机械手 Solid Works ADAMS 仿真
目录
第一章 绪论 1
1.1 机械手的概述 1
1.1.1 机械手的构成 1
1.1.2 机械手的分类 1
1.2 国内外机械手研究现状 2
1.2.1 国外机械手研究现状 2
1.2.2 国内机械手研究现状 3
1.3 本课题研究的意义与内容 3
第二章 机械手的总体方案设计 5
2.1 整体分析 5
2.2 机械结构设计 6
2.2.1 底部设计 6
2.2.2 臂部设计 6
2.2.3 腕部设计 7
2.2.4 手部设计 7
2.3 控制部分简述 7
第三章 机械手三维建模 9
3.1 Solid Works概述 9
3.2 机械手的零件建模 10
3.3 机械手的装配 12
3.4 Solid Works与ADAMS的数据传递 13
第四章 基于ADAMS的运动仿真分析 15
4.1 虚拟样机技术 15
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目录
第一章 绪论 1
1.1 机械手的概述 1
1.1.1 机械手的构成 1
1.1.2 机械手的分类 1
1.2 国内外机械手研究现状 2
1.2.1 国外机械手研究现状 2
1.2.2 国内机械手研究现状 3
1.3 本课题研究的意义与内容 3
第二章 机械手的总体方案设计 5
2.1 整体分析 5
2.2 机械结构设计 6
2.2.1 底部设计 6
2.2.2 臂部设计 6
2.2.3 腕部设计 7
2.2.4 手部设计 7
2.3 控制部分简述 7
第三章 机械手三维建模 9
3.1 Solid Works概述 9
3.2 机械手的零件建模 10
3.3 机械手的装配 12
3.4 Solid Works与ADAMS的数据传递 13
第四章 基于ADAMS的运动仿真分析 15
4.1 虚拟样机技术 15
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2 ADAMS软件 17
4.2.1 ADAMS的功能概述 17
4.2.2 ADAMS的建模功能 18
4.2.3 ADAMS的分析功能 19
4.3 基于ADAMS的运动仿真分析 20
4.3.1 导入机械手模型并设置工作环境 20
4.3.2 创建约束及驱动 21
4.3.3 ADAMS运动仿真 26
4.4 动画视频的录制 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 机械手的概述
1.1.1 机械手的构成
虽然目前机械手种类很多,但构成基本相同,有以下几个部分。
(1)执行机构:
执行机构由手指、支撑部位、大小臂、腕部装配而成的。手部有不同的功能,焊接,喷涂等等,类似于人手的手抓可以夹和释放物体,完成类似于人手的动作。手腕和手指和手臂连接组件可以向上下左右运动和旋转运动。机身用来支撑手臂,也可以根据实际需要移动。
(2)驱动装置:
驱动方式一般有电动、气动和液压。在电动驱动中,有直流(DC)电机、交流(AC)电机、步进电机和直接驱动(DD)电机等实现旋转运动的电动机。电动驱动装置由于其能源容易获得,使用方便,所以得到了广泛的应用;气动驱动装置有气压马达、气缸等,它们的优点是结构简单、价格较低;液压驱动装置包含液压油缸、液压马达等,而液压驱动的优点是体积小、输出功率大。
(3)传动机构:
传动机构主要是起改变物件方位和位置的作用。传动机构根据原理和结构的不同主要分为4种形式:机械、液、气及电力传动。
(4)控制系统:
控制系统的功能是控制机械手遵循编好的程序,向指定的方向、位置,按预定速度进行运动。较为简单的机械手只要用继电器、行程开关、控制阀门和电路就可以实现动态驱动系统控制,以便执行机构的工作。相比之下,较为复杂的机械手需PLC、计算机来实现控制。
1.1.2 机械手的分类
机械手按用途分类:
通用机械手。
该类机械手是独立的,不需要人工操作,不隶属于某个主机的装置。为了满足不同工作的要求,通用机械手需要编程来完成预定的操作。他们不仅拥有普通机械手的性能,而且还有通用机械、智能记忆的特点。
操作机。
它起源于原子、军事工业,需要人工操作,首先通过机器来完成一个特定的操作工作,后来发展到操作使用无线电信号操作机来探测月球等。工业机械手也属于这一类。
专用机械手
专用机械手一般用于自动生产线上,用来上下料或工件交付。“Mechanical Hand”是它的英文名,大多数由计算机直接控制,操作步骤都是设定好的,专业机械手由此得名。
机械手按控制型式分类:
(1)点位控制型机械手
机械手大部分是点位控制型,该类机械手的运动轨迹是空间一点到另外一点,控制性能根据点数的提高而提高。该类机械手结构较为简单,基本可以解决各种需求。
(2)连续轨迹控制型机械手
连续型的运动轨迹则是空间的连续曲线。该类机械手控制系统复杂,但它的良好的性能可以使其作出极其复杂的动作。
1.2 国内外机械手研究现状
1.2.1 国外机械手研究现状
从国外第一台工业机器人诞生开始,工业发达国家在机械手方面发展迅速。其应用领域从汽车行业开始向其他行业发展。国外机械手在机械制造行业中应用较多,现在主要用于机床或自动生产线的上下料,以及点焊、装配、喷涂等作业,大部分可按照控制系统编定的程序来完成预期的操作。
国外机械手的发展趋势是对具有视觉功能和触觉功能的智能机械手深入研究,让其获得相应的传感能力,能对外界条件的变化作出识别,从而改变自身的状态,例如位置发生微小的变动时,机械手就能自行感知并纠正。
目前世界高端工业机械手正在实现精度高、智能化、高速化。定位精度达到微米甚至亚微米级的要求,运行速度可以达到3M/S,量新产品达到6轴,负载2KG的产品系统总重已突破100KG。为了改善人工操作状态,需要结合机械手的柔性制造系统和柔性制造单元。随着机械手向微型化发展,其应用领域将会拓展到高端行业例如电子信息、航空航天等,突破传统的机械领域。
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