一种新型钻孔机器人的参数优化设计

摘要

随着机器人技术的发展，机器人正在逐步应用在各个领域。目前，在喷涂、焊接、搬运等领域，机器人已经开始发挥重要作用，机器人的运用实现了无人化和加工一体化，提高了工作效率，减小了人工成本以及由于工作环境等对工人产生的一系列伤害。
　　各类钻床经过几十年的发展也在不断完善，现今已发展出精度较高、加工效率较大的数控钻床。尽管钻床已经发展的十分完善，但是钻床的结构形式决定了其局限性。首先，传统钻床的尺寸较大，质量也较重，整体体积十分庞大，并不灵活。其次，钻床的加工方式较为单一，只能进行钻削加工，无法在钻床上实现多项加工的工作。再次，钻床由于主轴箱的局限性，无法像机器人一样及时换取末端执行器来适应不同的加工任务，包括搬运等工作，也就无法实现完全无人化的流水线作业。
　　本课题中研究的钻孔机器人是将机器人技术与传统的摇臂钻床相结合，设计出的新型用于机械加工的机器人。新型钻孔机器人采用的是双串联平行四边形机构，该机构具有体积小、稳定性好等优点。采用机器人的形式，与传统摇臂钻床相比，没有了立柱、摇臂的装置，整体的尺寸减小。另外，传统的摇臂钻床需要横向和纵向两个方向的运动，对于非数控钻床，还需要手摇进行主轴箱的移动，是十分不方便的。本文研究的钻孔机器人由于关节的灵活性，可以实现多个方位的协同运动。因此，本课题的钻孔机器人在加工效率、精度和灵活性上都有很大优势。
　　本课题是对先前研究者所研究的初级钻孔机器人进行进一步的优化和局部设计。在先前的研究中，提出了钻孔机器人的初级模型。但是在设计中还有不足，因此，本文主要是在找出其不足的前提下，对其进行修改和完善，并进行进一步的设计。
　　本文主要分为六个部分:第1章:首先阐述了本课题的研究意义和目的。其次，通过查阅文献和调研，阐述了钻孔机器领域的历史和发展。分别阐述国内外的历史研究历程和研究现状，也揭示了本文研究的重要性和意义。第2章，对廖培旺同学的钻孔机器人进行分析，找出现有不足，发现该机器人由于板壁干涉，无法实现原有设想的四边形工作区域。因此，在此基础上，本文结合实际情况，依照需要实现的工作区域和实际转动角度，对钻孔机器人的杆长进行了重新选取。利用重新选取后的杆长，分析了新钻孔机器人的工作区域，验证了在矩形工作区域四个极限位置的可行性。第3章，确定钻孔机器人各部分尺寸后，对钻孔机器人进行三维建模。由于原有的钻孔机器人未对回转机构进行设计。在本文中，对于钻孔机器人的回转机构进行了设计，并且建立了三维模型。第4章，对传动部分进行了设计。首先设计了驱动系统的结构，使其与机器人主体完美连接。其次，对滚珠丝杠和电机进行了设计，结合实际对其进行了校核，验证了该驱动系统的可行性。第5章，为验证本文所设计的钻孔机器人的刚性和强度要求，在本章对钻孔机器人进行了有限元分析，分析得到在矩形工作区域内的钻孔机器人在受到最大抗力时的合位移。通过将分析结果与国标对摇臂钻床位移精度的要求进行比较，得出了本文所设计的钻孔机器人是完全符合对于摇臂钻床所要求的位移精度要求的结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题的目的和意义

1．2 摇臂钻床简介

1．2．1 摇臂钻床的主要结构

1．2．2 摇臂钻床的分类与特点

1．2．3 摇臂钻床的国内外研究现状

1．3 钻孔机器人的发展及研究现状

1．3．1 国外研究情况

1．3．2 国内研究情况

1．3．3 机器人制孔技术现状

1．4 论文的主要内容

第2章 平行四边形机构杆长选取及空间规划

2．1 选取杆长背景

2．2 平行四边形杆长选定

2．3 工作空间及轨迹

2．3．1 工作空间投影

2．3．2 三维工作空间求解

2．4 确定立板高度

2．5 本章小结

第3章 钻孔机器人结构设计及三维建模

3．2．2 中间立板的建模

3．2．4 整体三维建模

3．2．5 极限位姿三维模型验证

3．3 回转装置设计及三维建模

3．3．1 回转设计构想

3．3．2 齿轮传动设计

3．3．3 回转装置结构设计

3．3．4 回转机构三维建模

3．4 本章小结

第4章 钻孔机器人的驱动部分设计

4．1 滚珠丝杠及传动形式

4．2 滚柱丝杠装置的选择和校核

4．2．1 滚珠丝杠副选择流程

4．2．2 精度选择

4．2．3 丝杠轴的选择

4．2．4 螺母的选择

4．2．5 滚珠丝杠的校核

4．3 电机的选取与校核

4．3．1 结构模型参数

4．3．2 伺服电机初步选型

4．3．3 电机的校核

4．4 驱动部分结构设计

4．4．1 驱动部分伸缩杆工作原理

4．4．2 驱动部分伸缩杆的可行性验证

4．5 本章小结

第5章 钻孔机器人的有限元分析

5．1 引言

5．2 钻孔机器人的有限元分析

5．2．1 基本假设

5．2．2 简化模型

5．2．3 材料选择

5．2．4 网格划分

5．2．5 载荷添加

5．2．6 分析结果

5．2．7 钻孔机器人的结构优化尝试及有限元分析

5．3 回转部位有限元分析

5．3．2 材料选择、网格划分及载荷添加

5．3．3 分析结果

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录