高性能平行四邊形機械手動態(tài)設計方法研究.pdf

1、機械手是目前輕工、電子等行業(yè)自動化生產(chǎn)線的核心設備，隨著技術的發(fā)展對機械手的運動精度和運動平穩(wěn)性，提出了越來越高的指標要求。從機構動力學的角度分析，這些指標均要求機械手在高速狀態(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械手為研究對象，采用從運動學分析到動力學分析、從剛體動力學模型到彈性動力學模型、從機構優(yōu)化到結(jié)構優(yōu)化的動態(tài)設計方法，對機械手設計與優(yōu)化進行研究。
　　首先，在機械手初始構型的基礎上進行

2、了運動學分析，建立了機械手運動學模型，包括位置、速度、加速度的解析表達式；依據(jù)運動學性能評價指標考察機械手的運動學性能，同時構造運動學性能綜合評價指標，并將其作為機構參數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)。
　　其次，進行動力學分析，建立了機械手剛體動力學模型并提出了剛體動力學性能評價指標；在此基礎上建立了機構參數(shù)優(yōu)化模型，以桿件長度、截面積作為設計變量，將運動構件的慣量值、動力學方程中關節(jié)耦合程度、驅(qū)動力矩、驅(qū)動功率等指標作為目標函數(shù)，在給定工作空

3、間、運動學、剛體動力學多種約束條件的情況下，借助非支配遺傳算法完成了機械手機構的參數(shù)優(yōu)化。
　　由于平行四邊形機械手高速運動時，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，建立了機械手的彈性動力學有限元理論模型；并在此基礎上建立了機械手結(jié)構參數(shù)優(yōu)化模型，以桿件截面積作為設計變量，將機械手一階、二階固有頻率的全域均方根值作為目標函數(shù)，給定機械手總體質(zhì)量的約束條件，借助非支配遺傳算法完成了機械手結(jié)構參數(shù)優(yōu)

4、化。利用有限元軟件(PATRAN、NASTAN)和機械系統(tǒng)動力學仿真軟件(ADAMS)建立了機械手的彈性動力學軟件仿真模型，并進行模態(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)化設計基礎上，確定了平行四邊形機械手的桿件材料、長度、截面等本體參數(shù)，選取了合適的伺服電機及減速器等關鍵部件，進行了電機慣量匹配校核。最后，對機械手樣機進行了模態(tài)實驗，測試了機械手的固有頻率，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