西华大学机器人创新设计实验报告（工业机械手模拟仿真） - 图文

西华大学实验报告

实 验 报 告

（理工类）

课 程 名 称: 机器人创新实验 课 程 代 码: 6003199 学院(直属系): 机械学院机械设计制造系 年级/专业/班: 2010级机制3班 学 生 姓 名: 学 号: 实验总成绩: 任 课 教 师: 李炜 开 课 学 院: 机械工程与自动化学院 实验中心名称: 机械工程基础实验中心

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一、

设计题目

工业机器人设计及仿真分析 二、

成员分工：（5分）

学 号 班 级 任务分配 机械手总体设计 运动仿真分析 工程分析（有限元技术） 文献资料汇总处理 姓 名 三、

设计方案：（整个系统工作原理和设计）（20分）

1、功能分析

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。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。

本次我们小组所设计的工业机器人主要用来完成以下任务： （1）、完成工业生产上主要焊接任务；

（2）、能够在上产中完成油漆、染料等喷涂工作； （3）、完成加工工件的夹持、送料与转位任务；

（5）、对复杂的曲线曲面类零件加工；（机械手式数控加工机床，如英国DELCAM公司所提供的风力发电机叶片加工方案，起辅助软体为powermill，本身为DELCAM公司出品）

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2、总体方案设计

按机械手手臂的不同形式及组合情况其活动范围也是不同的，基本上可以分为四种运动形式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式。根据以上工作要求可选择关节标式，具体设计成多关节机械手臂。其优点为：

（1）悬挂式机械手占地面积小，能有效的利用空间；本次采用5自由度关节手臂，工作头可以在最大运动尺寸范围内任何位置、任何方向实现定位，灵活度极高，可以非常方便的完成五轴加工、焊接和喷涂任务。

（2）多关节式的机械手对刚性联结的自动生产线非常实用，可以在各工位间传递工件。（3）悬挂式机械手结构简单，相应于其它多轴加工机床大大降低了成本。 3、动力及动力传递系统

该机械手的主要动力源为380V或220V交流电源，动力机选用标准步进电机，详见动力机参数附件；机械手各主要运动部件的运动由电机带动完成，运动独立互不影响。通过控制系统对其合成。 4、控制系统设计

该机械手臂要求能完成不同场合不同类型的加工，所以采用数字化程序控制系统，以PLC辅助编程实现，要求能够接受并完成用户所定义的程序。更换加工类型只需要跟换必要的部件（工作头）和用户控制程序即可。 数字化程序控制系统组成：

(1)数据输入装置：将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以CNC键盘(一般输入操作)，数控系统配备的硬盘及存储卡、个人计算机等等。

(2)数控系统：是数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。

(3)可编程逻辑控制器：是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态

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进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。

(4)工作台驱动系统：接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。

(5)进给伺服系统：接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。 (6)机床电器部分：包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床各种动作的执行者.

(7)速度测量：通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。

(8)位置测量：现代机床多采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。

机床电气控制系统的由：数控系统，电源模块, 伺服驱动器，伺服电机，伺服主轴驱动器（或变频器），伺服主轴电机（或 变频主轴电机）, PLC 输入输出模块, 强电柜的机床电器元器件，各种电动机、电磁阀，机床操作面板等组成。

四、实验步骤：（图文说明设计过程中关键步骤）（30分） 1、建立机械手臂模型

图1、底座模型 图2 旋转台

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图3 大臂 图4 液压集成件

图5 小臂 图6 带电机工作头

图7 大小臂关节 图8 步进电机

2、运动仿真分析

对机械手大臂定义40度位移夹角，小臂做联动运动,保持工作头步进电机只做主轴的旋转运动,参数设置如下所示:

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图9 solidworks simulation 参数设置

选取工作头的中心点为研究对象,取得以下线图:

图10 X分量速度

图11 X分量位移

图12 X分量加速度

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3、主要零件的工程分析(有限元方法) (1)、主要参数设置

(2)、网格划分

本次分析采用solidworks simulation标准网格,参数如下:

节点总数 单元总数 最大高宽比例

单元 (%)，其高宽比例 < 3 单元 (%)，其高宽比例 > 10 扭曲单元(雅可比)的 % 完成网格的时间(时;分;秒): 计算机名:

114221 74394 78.33 95.7 0.0632 0 00:00:14 MAWEI

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图13 网格划分结果 (3)、净应力分析结果

(4)、应变分析结果

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（5）、位移分析结果

五、最终作品展示：（图片及性能描述）（20分）

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图14 完整的装配体 图15 机器人最大工作空间 六、 设计心得：（10分）

1同学：

通过本次课程实验,我们体会到了机器人在工业上产中的重要地位,对机器人有了更深入的了解,机器人根据不同的需要,不同的场合其外形、功能各不相同，打破我们对机器人的误解，真正的从原理上了解学习了机器人，通过此次设计，我们对机器人控制部分的思考，遇到了很多问题，但是在老师的指导和帮助下，终于能够得到解决，是我们认识到自己能力还十分缺欠，还要继续努力学习。

另外，通过对设计模型的仿真分析，得到了预期的运动结果，而在结构上却出现了较大的实物，例如旋转台，整个机械手在工作过程中承受不同类型的交变载荷，有扭矩、弯矩和拉压力，由于旋转台设计了一个安放液压集成件的工位，结构上比较薄弱，通过工程分析的结果可以看出，旋转台的过渡部分应力较为集中，导致变形过大，应该通过加强筋板来较少变形，使其符合结构要求。

2同学：

我们组设计了一个机器人手臂，首先我很高兴和伙伴们一起去思考，一起讨论。在这个过程中也学到很多东西，也了解了自己的很多不足。同时，也渐渐喜欢上了设计机器人，学会了关于一些机器人设计的知识。看着我们设计的机器人在仿真系统中做着各种动作，这让自己很有成就感，我想这是自己在大学生活中一份不错的经历。

当仍然非常感谢同伴的付出，非常感谢李老师的指导。创新机器人这门课给了我不一样的感受，我享受这个过程。

3同学：

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在这次机器人实验中，我们组通过努力，经过前前后后一个多月的学习、思考、创新。终于不负众望的完成了设计。虽然时间短暂，但通过这次实验，我学到了很多的东西。首先，让我温习了以前学过的许多知识，实践结合理论，让我记忆更加牢固，其次，让我在枯燥的学习生活中多一份乐趣，再次，让我了解到团队合作的重要性，最后，让我意识到创新设计的重要性。作为一个机械学院的学生，课堂中的学习固然重要，但动手动脑能力也不能落后。 我们在这次机器人实验中，做了一个机械手。这种机械手比起机床，有更多的优点。不但可以做机床可以做的事，而且还可以做机床做不到的事情。他更加方便，更加节能，更加环保。我在这次实验中的主要工作是做运动的仿真分析。虽然不是什么很大的事情，但是我还是认真努力的去完成。不拖大家的后腿。

总的来说。这次学习让我受益匪浅。感谢老师能给我们这样一个学习的机会。感谢和我一起完成实验的同学们。

4同学：

在本次试验中由我完成了有限元分析。起初我并不知道该如何进行有限元分析，但在组员的帮助和自己的摸索下还是跌跌撞撞的完成了分析。在与组员们一起完成试验的过程中，我们一起遇到过困难，也有因为懒惰而停滞不前的时候。当然，解决问题的答案是动手去做。只有动手去做，才会发现问题解决问题。还有一定要认真负责地对待实验。在一开头的时候大家的热情都很大，或者后来变得懒惰了。但既然做了，就要认真负责到底。这对培养一个人的责任心和自制力有很大作用，对维护团队精神也有很大影响。

在本次试验中我认识到了三维cad是一门很重要的软件，而我在对它的使用上还显得很不熟练。今后我要多加练习，以期在以后的课程设计中能够熟练的应用三维cad的软件。 当然，通过这次创新实验，我发现自己在动手能力上与别的同学还有很大的差距，经常会出各种各样的问题，当然，在这里我也要感谢我们组员对我的无限包容，每次我出现错误，他们总是对我做出耐心的指导。

总之，在这次创新实验里，我学会了认真负责对待实验；踏实勤恳地去做实验；在懒惰面前克制自己。感谢我们的指导老师，感谢团队中每个成员以及所有帮助过我们的老师和同学们。 七、 对本课程建议或意见：（选作题）

该实验环节培养了我们的兴趣,提高的实际动手能力,是一门大家必须要掌握的技术,我们建议可以制作更多类型的机器人,以满足不同的场合需要.同时可以增加虚拟的仿真比赛,来提高同学们的积极性.

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附录：（设计文件、工程图、代码等）（15分） 分析源程序:

Model Title

| SolidWorks Motion Mechanism Time T=0.000000000E+00.

Degree-of-freedom analysis identified redundant constraints in the model: ------------------------------------------------------------------------- - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_3_3 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_3_3 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_10_2 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_10_2 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_2_2 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_2_2 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_19 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_19 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_5_2 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_5_2 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_3_2 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_6_2 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_18 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_18 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_13 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_13 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_4 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_4 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_11 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_7 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_7 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_17 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_17 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_9 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_2 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_3 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_10

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- deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_10 - deactivating constraint equation Zi.Yj in MotionModel_2.a_8 - deactivating constraint equation Zi.Xj in MotionModel_2.a_8 ****** Performing Dynamic Simulation using Gstiff I3 Integrator ****** Begin Simulation

The system is modelled with INDEX-3 DAEs.

The integrator is GSTIFF, CORRECTOR = original Integration error = 1.000000E-04

Simulation Step Function Cumulative Integration CPU Time Size Evaluations Steps Taken Order time

0.00000E+00 1.00000E-04 0 0 1 0.17

2.00000E+00 1.00000E-02 431 211 5 1.62

4.00000E+00 1.00000E-02 849 411 5 3.30

6.00000E+00 1.00000E-02 1255 611 5 4.39

8.00000E+00 1.00000E-02 1662 811 5 5.52

1.00000E+01 1.00000E-02 2070 1011 5 6.73

1.20000E+01 1.00000E-02 2472 1211 5 8.91

1.40000E+01 1.00000E-02 2948 1423 3 10.80

1.60000E+01 1.00000E-02 3509 1643 4 12.08

1.80000E+01 1.00000E-02 3909 1843 4 14.02

2.00000E+01 1.00000E-02 4309 2043 4 15.48

End Simulation

Finished -----

Elapsed time = 175.01s, CPU time = 173.06s, 98.89

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v84d.html