摘 要

工业机器人在机械加工领域中的应用越来越广泛，但是机器人系统刚度较低，其加工精度与数控加工系统相比仍有差距，故对于机器人刚度的研究是很有必要的。本文对于机器人建立和分析了其运动学模型，在考虑关节刚度的基础上建立了机器人刚度模型，介绍了刚度模型的应用，这对于提高机器人加工精度具有重要意义。

本论文对于ABB IRB6660型工业机器人这一研究对象进行了一系列相关问题的分析，其中包含根据改进的D-H法进行其连杆坐标系的建立，并基于此结合Matlab中的Robotics Toolbox工具箱进行正逆运动学的建模及验证；构造其运动雅可比矩阵以及力雅可比，实现刀具坐标系向机器人末端坐标系的转换以及将铣削力映射到其关节上；运用UG软件对机械手的末端刀具、角度头进行三维建模，建立考虑关节柔性的刚度模型；对机械手末端的变形量理论值求解，并且将该模型导入Adams中仿真验证，介绍刚度模型在生产中的应用。

关键词：机器人加工系统；关节刚度；刚度模型

Abstract

The application of industrial robots in the field of machining is more and more extensive, but the rigidity of the robot system is low, and the machining precision is still different from that of the CNC machining system. Therefore, it is necessary to study the rigidity of the robot. In this paper, the kinematics model is established and analyzed for the robot. The stiffness model of the robot is established based on the joint stiffness. The application of the stiffness model is introduced, which is of great significance to improve the machining precision of the robot.

This paper mainly studies the relevant content of the ABB IRB6660 industrial robot, which includes the establishment of the robot linkage coordinate system according to the improved DH method, and carries on the positive inverse kinematics modeling and verification based on the robot toolbox in Matlab;Constructing the Jacobi matrix of the robot and the transformation of the tool coordinate system to the robot end coordinate system and mapping the milling force to the joints of the robot;the UG software is used to model the end tool and angle head of the manipulator, then the stiffness model considering the joint flexibility was established;The model is imported into Adams software for simulation verification, and the application of stiffness model in production is introduced.

Key Words: Robot processing system；Joint stiffness；Stiffness model

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 5

1.3 研究基本内容、目标及技术方案 6

1.3.1 研究基本内容 6

1.3.2 研究目标 6

1.3.3 技术方案 6

第二章 机器人运动学分析 8

2.1 工程车辆模型机器人简介 8

2.2 机器人位姿描述和齐次变换 11

2.2.1 刚体位姿描述 11

2.2.2 坐标变换 12

2.2.3 齐次坐标和齐次变换 13

2.3 机器人运动学模型建立 14

2.3.1 连杆参数和连杆坐标系 14

2.3.2 机器人运动学正解 16

2.3.3 机器人运动学逆解 22

2.4 本章小结 24

第三章 机器人的雅可比矩阵及力的转换 25

3.1 雅可比矩阵的定义 25

3.2 ABB IRB6660型机器人雅可比矩阵的构造 25

3.3 力雅可比 30

3.4 刀具末端力向机器人末端力的转换关系 30

3.5 铣削力在机器人各关节的映射 31

3.5.1 牛顿-欧拉方程 32

3.5.2 惯性张量 32

3.5.3 递推算法动力学求逆 34

3.6 本章小结 34

第四章 机器人刚度模型建立及分析 35

4.1 机器人柔性关节模型 35

4.2 机器人关节刚度向操作空间的映射 36

4.3 机器人末端建模 38

4.4 机器人末端变形求解及Adams仿真 42

4.4.1 机器人末端变形量理论值求解 42

4.4.2 Adams仿真分析 43

4.4.3机器人刚度模型应用 50

4.5 本章小结 51

第五章 总结与展望 52

5.1 总结 52

5.2 展望 52

参考文献 53

致谢 55

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

研究目的

对工业机器人的运动学相关内容进行分析，建立其运动学方程。另一方面，为了搭建机器人加工仿真平台，会借助于MATLAB、ADAMS、UG等软件的联合使用，学习正逆运动学建模方法以及识别研究对象的刚度参数的方法，对其末端变形量进一步用Adams来进行仿真实验，也为机器人加工精度改良问题提供了直观、易理解的解决方法。

1.1.2 研究背景及意义

工业机器人是当代制造业中一种重要的自动化设备，它将机械制造、电气化、数字控制、传感器等新兴科学技术集中在一起。美国学者在一九六二年研究开发出了世界上首台工业机器人，从那时起，机器人相关技术和产品火速成长起来。工业机器人在机械加工制造中被运用得越来越广，这不仅可以使加工成品的产量与质量得到提升，还能避免使用者在操作过程中的意外伤害，改良工人的工作环境，减少他们的工作量，达到大大提升工作效率，降低原材料损耗来减小生产所需成本的目的。与计算机、互联网发展情况相同的是，工业机器人的普遍使用为人们的社会生产方式和生活习惯带来了巨大的变化。

由于工业机器人的优势在于有较好的加工便利性、工作可靠性、适用范围广，故在食用品加工、电子、汽车制造、化学工业、物品运送等多个领域占有一定市场并且日渐成熟，如图1.1所示，机器人加工实现了提升被加工产品质量和生产效率、减小劳动力浪费和制造所需成本、增强加工适应能力和提高企业与其他加工行业的竞争优势的目的。除此之外，在保障工人人身安全、改善工人劳动环境、减轻工人劳动强度、减少材料消耗等方面起到了重要作用。而现今的大多数航空航天行业的产品制造是人工制造，这就导致了劳动强度大、工序繁多且复杂、加工环境恶劣、并且需要大量夹具等难题。没有自动化的流水线制约了武器装备类产品和加工能力的发展趋势。我国近些年来大力发展航空航天，其制造企业在自动化生产过程中采用了工业机器人进行加工制造，有利于企业改变其生产模式以及提升企业的先进制造能力。