四自由度工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 四自由度工業(yè)機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 近二十年來(lái),機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速,各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國(guó)家相比還有一定的差距,因此研究和設(shè)計(jì)各種用途的機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人、推廣機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實(shí)意義的。 本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念,機(jī)器人的組成和分類,機(jī)器人的自由度和坐標(biāo)形式,氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì),確定了機(jī)器人的坐標(biāo)形式和自由度,確定了機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)。同時(shí),設(shè)計(jì)了機(jī)器人的夾持式手部結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu),計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力

2、矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)出了機(jī)器人的氣動(dòng)系統(tǒng),繪制了機(jī)器人氣壓系統(tǒng)工作原理圖,對(duì)氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行了研究,大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 關(guān)鍵詞: 工業(yè)機(jī)器人,機(jī)器人,氣動(dòng),單片機(jī)控制 ABSTRACT In the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use ro

3、bots in various fields can be used widely. Our country in the research and application of robots and industrial countries, there is still a gap compared, therefore, the research and design various USES robots especially industrial robots, promote the use of robots is a realistic significance. Th

4、is paper briefly introduces the concept of industrial robot, robot, robot composition and classification of freedom and coordinates, the characteristics of pneumatic technology. The general scheme design of robot, robot was determined, and freedom of coordinates the technical parameters of robot was

5、 determined. Meanwhile, the design of the robot hand gripping type of the robot structure, design wrist structure, calculated the wrist rotation for driving moment and rotary cylinder driving moment. Design a robot arm structure. Designed a robot pneumatic system, painted robots working principl

6、e diagram, pneumatic system of pneumatic system working principle diagram parametric drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings quality. Keywords: industrial robot, robot, pneumatic, SCM control 第一章緒 論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)

7、的不斷向智能化方向發(fā)展,機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化,工業(yè)機(jī)器人已成為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)揮了巨大作用,將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。 1.1 工業(yè)機(jī)器人的介紹 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一種,由操作機(jī)機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成,是一種仿人操作,自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是

8、當(dāng)代研究十分活躍,應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng),而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置,既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各,也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)器人是模仿著人手的部分動(dòng)作,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人被稱為“工業(yè)機(jī)器人”。 1.2 機(jī)器人的分類 工業(yè)機(jī)器人的種類很多,

9、關(guān)于分類的問(wèn)題,目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn),在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 一按用途分 機(jī)器人可分為專用機(jī)器人和通用機(jī)器人兩種: 1、專用機(jī)器人 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)器人具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn),適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)器人,如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)器人和‘叻口工中心” 2、通用機(jī)器人 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)器人。格性能范圍內(nèi),其動(dòng)作程序是可變的,通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的

10、。通用機(jī)器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng),適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)器人按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位,只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的,也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制,伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng), 一般的伺服型通用機(jī)器人屬于數(shù)控類型。 二按驅(qū)動(dòng)方式分 1、液壓傳動(dòng)機(jī)器人 是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格,不然油的泄漏對(duì)機(jī)器人的工作性能有很大的影響,且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)器人采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系

11、統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制,使機(jī)器人的通用性擴(kuò)大,但是電液伺服閥的制造精度高,油液過(guò)濾要求嚴(yán)格,成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)器人 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便,輸出力小,氣動(dòng)動(dòng)作迅速,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低。但是,由于空氣具有可壓縮的特性,工作速度的穩(wěn)定性較差,沖擊大,而且氣源壓力較低,抓重一般在30公斤以下,在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大,所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)器人 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)器人,其動(dòng)力

12、是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠,用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大,但結(jié)構(gòu)較大,動(dòng)作程序不可變。 4、電力傳動(dòng)機(jī)器人 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手,因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng),維護(hù)和使用方便。此類機(jī)器人目前還不多,但有發(fā)展前途。 三按控制方式分 1、點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng),只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置,不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多,則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)器人均屬于此類。

13、 2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線,其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的,整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下,可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng),并且使用范圍廣,但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)器人一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 隨著科技的不斷進(jìn)步,工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程可分為三代,第?代,為示教再現(xiàn)型機(jī)器人,它主要由機(jī)器手控制器和示教盒組成,可按預(yù)先引導(dǎo)動(dòng)作記錄下信息重復(fù)再現(xiàn)執(zhí)行,當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。第二代為感覺型機(jī)器人,如有力覺觸覺和視覺等,它具有對(duì)某些外界信息進(jìn)行反饋調(diào)整的能力,目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。第三代為智能型機(jī)器人它具有感知和理解外部環(huán)境的能力,在工作環(huán)境改變的情

14、況下,也能夠成功地完成任務(wù),它尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。 1.3.1 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的的發(fā)展 美國(guó)是機(jī)器人的誕生地,早在1961年,美國(guó)的ConsolidedControlCorp和AMF公司聯(lián)合研制了第一臺(tái)實(shí)用的示教再現(xiàn)機(jī)器人。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn),適應(yīng)性也很強(qiáng)。 日本在1967年從美國(guó)引進(jìn)第一臺(tái)機(jī)器人,1976年以后,隨著微電子的快速發(fā)展和市場(chǎng)需求急劇增加,日本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足,工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎,使其日本工業(yè)機(jī)器人得到快速發(fā)展,現(xiàn)在無(wú)論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一,素有“機(jī)器人

15、王國(guó)”之稱。德國(guó)引進(jìn)機(jī)器人的時(shí)間比英國(guó)和瑞典大約晚了五六年,但戰(zhàn)爭(zhēng)所導(dǎo)致的勞動(dòng)力短缺,國(guó)民的技術(shù)水平較高等社會(huì)環(huán)境,卻為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展、應(yīng)用提供了有利條件。此外,在德國(guó)規(guī)定,對(duì)于一些危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位,必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。這為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場(chǎng),并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。目前,德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第二位,僅次于日本。 法國(guó)政府一直比較重視機(jī)器人技術(shù),通過(guò)大力支持一系列研究計(jì)劃,建立了一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系,使法國(guó)機(jī)器人的發(fā)展比較順利。在政府組織的項(xiàng)目中,特別注重機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究,把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和

16、開發(fā)方面的工作,兩者相輔相成,使機(jī)器人在法國(guó)企業(yè)界得以迅速發(fā)展和普及,從而使法國(guó)在國(guó)際工業(yè)機(jī)器人界擁有不可或缺的一席之地。 英國(guó)紀(jì)70年代末開始,推行并實(shí)施了一系措施列支持機(jī)器人發(fā)展的政策,使英國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步比當(dāng)今的機(jī)器人大國(guó)日本還要早,并曾經(jīng)取得了早期的輝煌。然而,這時(shí)候政府對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致英國(guó)的機(jī)器人工業(yè)一蹶不振,在西歐幾乎處于末位。近些年,意大利、瑞典、西班牙、芬蘭、丹麥等國(guó)家由于自身國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)的大量需求,發(fā)展速度非常迅速。目前,國(guó)際上的工業(yè)機(jī)器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、 FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。

17、歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奧地利的工GM公司。 1.3.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期,經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:70年代萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。隨著 20世紀(jì)70年代世界科技快速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在世界掀起了一個(gè)高潮,在這種背景下,我國(guó)于1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入20世紀(jì)80 年代后,隨著改革開放的不斷深入,在高技術(shù)浪潮的沖擊下,我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持,“七五”期間,國(guó)家投入資金,對(duì)工定機(jī)器人及零部件進(jìn)行攻關(guān),完成了示教再現(xiàn)

18、式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā),研制出了噴漆,點(diǎn)焊,弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。,國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施,經(jīng)過(guò)幾年研究,取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特種機(jī)器人。 從2O世紀(jì)9O年代初期起,我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變期,掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮,我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步,先后研制了點(diǎn)焊,弧焊,裝配,噴漆,切割,搬運(yùn),碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人,并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程,形成了一批工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地,為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人還有很大差距。 目前,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人公司主要有中國(guó)新松機(jī)器自動(dòng)化股份

19、有限公司和首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司。 1.4 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高,工業(yè)機(jī)器人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多。汽車制造是一個(gè)技術(shù)和資金高度密集的產(chǎn)業(yè),也是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè),幾乎占到整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的一半以上。在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人最初也是應(yīng)用于汽車和工程機(jī)械行業(yè)中。在汽車生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)器人是一種主要的制動(dòng)化設(shè)備,在整車及零部件生產(chǎn)的弧焊、點(diǎn)焊、噴涂、搬運(yùn)、涂膠、沖壓等

20、工藝中大量使用。據(jù)預(yù)測(cè)我國(guó)正在進(jìn)入汽車擁有率上升時(shí)期,在未來(lái)幾年里,汽車仍將每年15%左右的速度增長(zhǎng)。所以未來(lái)幾年工業(yè)機(jī)器人的需求將會(huì)呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)趨勢(shì),年增幅達(dá)到50%左右,工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)汽車行業(yè)的應(yīng)用將得到快速發(fā)展。 工業(yè)機(jī)器人除了在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用,在電子,食品加工,非金屬加工,日用消費(fèi)品和木材家具加工等行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也快速增長(zhǎng)。在亞洲,2005年安裝工業(yè)機(jī)器人72,600臺(tái),與2004年相比,增長(zhǎng)了40%,而應(yīng)用在電子行業(yè)的就占了31%左右。在歐洲地區(qū),據(jù)統(tǒng)計(jì)2005年與 2004年相l(xiāng):tI業(yè)機(jī)器人在食品加工行業(yè)的應(yīng)用增長(zhǎng)了17%左右,在非金屬加工行業(yè)的應(yīng)用增長(zhǎng)了

21、20%左右,在日用品消費(fèi)行業(yè)增長(zhǎng)了32%,在木材家具加工行業(yè)增長(zhǎng)了18%左右。工業(yè)機(jī)器人在石油方面也有廣泛的應(yīng)用,如海上石油鉆井、采油平臺(tái)、管道的檢測(cè)、煉油廠、大型油罐和儲(chǔ)罐的焊接等均可使用機(jī)器人來(lái)完成。在未來(lái)幾年,傳感技術(shù),激光技術(shù),工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人工作領(lǐng)域,這些技術(shù)會(huì)使工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用更為高效,高質(zhì),運(yùn)行成本低。據(jù)預(yù)測(cè),今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外工業(yè)機(jī)器人企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面前,國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。如今我國(guó)正從一

22、個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn),中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn),對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫,政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持,將會(huì)給工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。 1.5 課題的提出及主要任務(wù) 1.5.1課題的提出 進(jìn)入21世紀(jì),隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái),近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象,迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行,本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人,應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線,把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng),同時(shí)又可以提高勞動(dòng)

23、生產(chǎn)率。。 現(xiàn)在的機(jī)器人大多采用液壓傳動(dòng),液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn): 1液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失摩擦損失、泄露損失等:液壓傳動(dòng)易泄漏,不僅污染工作場(chǎng)地,限制其應(yīng)用范圍,可能引起失火事故,而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。 2工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí),液體粘度變化,引起運(yùn)動(dòng)特性變化。 3因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣,易產(chǎn)生噪聲。 4為了減少泄漏,液壓元件的制造工藝水平要求較高,故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷,本機(jī)器人擬采用氣壓傳動(dòng), 氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn): 1介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工

24、作壓力較低,工作介質(zhì)提取容易,而后排入大氣,處理方便,一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔,管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題. (2阻力損失和泄漏較小,在壓縮空氣的輸送過(guò)程中,阻力損失較小一般不卜澆塞僅為油路的千分之一,空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣,造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 3動(dòng)作迅速,反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù),便于自動(dòng)控制。 4能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中,因此,發(fā)生突然斷電等情況時(shí),機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 5工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易

25、爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中,氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越,而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。 6成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低,因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求,制造容易,成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性,因此,在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難尤其在高速情況下,似乎更難想象。此外氣源工作壓力較低,抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受,而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)器人,用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受,但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠,因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里,對(duì)氣動(dòng)

26、機(jī)器人、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。 1.5.2 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: 1機(jī)器人為通用機(jī)器人,因此相對(duì)于專用機(jī)器人來(lái)說(shuō),它的適用面相對(duì)較廣. 2選取機(jī)器人的座標(biāo)型式和自由度 3設(shè)計(jì)出機(jī)器人的各執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng),手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu),不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件,在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來(lái)吸取板料工件。 4氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)器人的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng),包括氣動(dòng)元器件的選取,氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì),并繪出氣動(dòng)原理圖。 5對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)

27、原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究,提高繪圖效率,改善繪圖質(zhì)量。 6機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本機(jī)器人擬采用可編程序控制器PLC對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制,本課題將要選取PLC型號(hào),根據(jù)機(jī)器人的工作流程編制出PLC程序,并畫出梯形圖。 第二章 四度工業(yè)機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 對(duì)氣動(dòng)機(jī)器人的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件,這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性

28、。 2.1 機(jī)器人的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)器人手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況,其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)器人在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此,采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)器人具有三個(gè)自由度,為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn),增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu),從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度 圖2-1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖 機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。 圖2-2 機(jī)器人組成方框圖 一執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等

29、部件,有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指或手爪和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件,常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少,其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但平移型手指夾持圓形零件時(shí),工件直徑變化不影響其軸心的位置,因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位是外廓或是內(nèi)孔和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手

30、雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手腕 是連接手部和手臂的部件,并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位即姿勢(shì) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件,并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)器人的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等與驅(qū)動(dòng)源如液壓、氣壓或電機(jī)等相配合,以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件,立柱也可

31、以是手臂的一部分,手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降或俯仰運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)器人的立I因工作需要,有時(shí)也可作橫向移動(dòng),即稱為可移式立柱。 5、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)器人需要完成較遠(yuǎn)距離的操作,或擴(kuò)大使用范圍時(shí),可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 6、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分,機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上,故起支撐和連接的作用。 二驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有

32、液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速,反應(yīng)靈敏,阻力損失和泄漏較小,成本低廉因此本機(jī)器人采用氣壓傳動(dòng)方式。 三控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位或機(jī)械擋塊定位系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種,它支配著機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng),并記憶人們給予機(jī)器人的指令信息如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間,同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。考慮到機(jī)器人的通用性,同時(shí)

33、使用點(diǎn)位控制,因此我們采用可編程序控制器PLC對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器人的動(dòng)作流程改變時(shí),只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn),非常方便快捷。 四位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置,并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較,然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置. 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速,反應(yīng)靈敏,阻力損失和泄漏較小,成本低廉因此本機(jī)器人采用氣壓傳動(dòng)方式。 2.2 機(jī)器人的主要參數(shù) 1.機(jī)器人的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù),由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng),因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重,查閱相關(guān)機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的

34、實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為5公斤 2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)器人速度提出了要求,設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)器人動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)器人最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)器人動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在,用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面,因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān),故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外,手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)器人設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑,必然帶

35、來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較,該機(jī)器人手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)器人的定位精度為。 2.3 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于自動(dòng)輸送線的上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 表1-1 機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 機(jī)構(gòu)形態(tài) 平面關(guān)節(jié)型 自由度 4 負(fù)載能力 5kg 動(dòng)作范圍 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) -110°~ +110° 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) -90°~ +90°

36、 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 0 ~ 150mm 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 0°~ 360° 最大速度 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 180o /s 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 150mm /s 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 最大展開半徑 400mm 高度 680mm 本體重量 48 kg 安裝環(huán)境 溫度 0 ~ +45℃ 濕度 20 ~ 80%不結(jié)露 振動(dòng) 0.5 G以下 其它 避

37、免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn)/PLC編程 電源容量 單相 220V 50Hz 8A 第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建設(shè) 為整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)一個(gè)模型,是一個(gè)由底向上的過(guò)程。我們必須用相對(duì)清晰和一致的參考框架來(lái)表達(dá)各輪的力和約束,由于移動(dòng)機(jī)器人的獨(dú)立和移動(dòng)本質(zhì),需要在全局和局部參考框架之間有一個(gè)清楚的映射。在整個(gè)分析過(guò)程中,我們將機(jī)器人建模成輪子上的一個(gè)剛體,運(yùn)行在水平面上。 表示機(jī)器人最終位姿的建模方法很多!例如可以采用球坐標(biāo)定位#歐拉角定姿的方法"但是在 788 年!Denavit和Har

38、tenberg在“ASME Joumal of Applied Mechanic ” 發(fā)表了一篇指引后人對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模的標(biāo)準(zhǔn)方法Denavit-Hartenberg(D-H)模型是表示對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常有效的方法 。 2.1.1 D-H坐標(biāo)系的建立 中間連桿坐標(biāo)系的建立: Zi??與關(guān)節(jié)i+1的軸線重合,方向任意 Oi??關(guān)節(jié)i和i+1軸線的公垂線與關(guān)節(jié)i+1軸線的交點(diǎn)。關(guān)節(jié)i和i+1的軸線相交時(shí),Oi選在交點(diǎn)上;關(guān)節(jié)i和i+1的軸線平行時(shí),Oi選在使di+10處(關(guān)節(jié)i+1和i+2的公垂線與關(guān)節(jié)i+1軸線的交點(diǎn)處)。 Xi??與關(guān)節(jié)i和i+1軸線的公垂線重合,指

39、向?yàn)閕?i+1;關(guān)節(jié)i和i+1的軸線相交時(shí),Xi// (Zi-1 × Zi);關(guān)節(jié)i和i+1的軸線平行時(shí),選定Oi,Xi為過(guò)點(diǎn)Oi且與關(guān)節(jié)i和i+1的公垂線重合,指向?yàn)閕?i+1 Yi??與Zi和Xi構(gòu)成右手系,即YiZi ×Xi 圖3-1轉(zhuǎn)動(dòng)連桿參攝及坐標(biāo)系 3.1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 依次寫出從基坐標(biāo)系到手爪坐標(biāo)系之間相鄰兩坐標(biāo)系的齊次變換矩陣,它們依次連乘的結(jié)果就是末端執(zhí)行器(手爪)在基坐標(biāo)系中的空間描述,即 上式稱為運(yùn)動(dòng)方程 已知q1,q2,…,qn,求,稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解; 已知,求q1,q2,…,qn,稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。 我們所研究的機(jī)器人有四個(gè)關(guān)節(jié)組成4個(gè)全為旋

40、轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),為4自由度機(jī)器人 ,針對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)建立基D-H 法則的數(shù)學(xué)模型 .D-H 法則:用齊次坐標(biāo)來(lái)描述機(jī)器人各關(guān)節(jié)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的空間位置變化方程,以及機(jī)器人噴槍相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的空間姿態(tài)變化方程. 3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 對(duì)于具有N個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人 若設(shè)坐標(biāo)系 On-XnYnZn為固定在末端執(zhí)行器上的坐標(biāo)系時(shí),則從坐標(biāo)系On-XnYnZn到基準(zhǔn)坐標(biāo)變換矩陣為T. TsA1A2??????An (1) 而(2) 在圖示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)圖上建立各連桿及D-H坐標(biāo)系: 圖3-2 四關(guān)節(jié)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及D-H坐標(biāo)系 其中Zi坐標(biāo)沿著i+1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸;Xi軸是沿著Zi和Zi-1的公垂

41、線 :ai是Zi和Zi-1的公垂線段長(zhǎng)度:而di為兩公垂線ai&$ 和ai-1之間的距離 利用Denavit-Hartenberg法則得到的參數(shù)如表1所示: 表1 機(jī)器人連桿D-H參數(shù) 1d a 2 1 0 0 0 3 2 0 0 90 4 3 0 I2 0 5 4 d4 0 0 得到正運(yùn)學(xué)舉證: T4 A1A2 A3(3) 其中:Si ;Ci ;S23 ; C23 3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解是在給定了已知的滿足某工作位置和姿態(tài)以及各桿件的參數(shù)的情況下,求解對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析、軌跡規(guī)劃、離線編程、示教編程中占有重要地位。所

42、以逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解是機(jī)器人控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 又由于: (4) 對(duì)式(3)(4)兩邊都左乘(A1)-1得 (A1)-1R A2 A3 A4 (5) 其中:(A1)-1R (6)(7) 令式(6)(7)兩式右邊矩陣的各項(xiàng)相等,就可得出4自由度機(jī)器人的4個(gè)轉(zhuǎn)角的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解。 第4章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)概述 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),可從工業(yè)機(jī)器人的自由度,工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來(lái)討論。 如圖3-1所示,為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。 圖4-1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 a.工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)

43、機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目,它是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副,具有手臂伸降,旋轉(zhuǎn),前后,上下往復(fù)四自由度。 為了使機(jī)器人的通用性更強(qiáng),把機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu),當(dāng)工件是棒料時(shí),使用夾持式手部:如果有實(shí)際需要,還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu), 4.2夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指或手爪和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多,如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 4.2.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種,其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的

44、部位又可分為內(nèi)卡式或內(nèi)漲式和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作,手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型,二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型或稱直進(jìn)型,其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí),就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理,當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí),就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大,當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置,能適應(yīng)不同直徑的工件。 4.2.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 一具有足夠的握力即夾緊力 在確定手指的握力時(shí),除考慮工件重量外,還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性

45、力和振動(dòng),以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 二手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開,若夾持不同直徑的工件,應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 三保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置,必須根據(jù)被抓取工件的形狀,選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指,以便自動(dòng)定心。 四具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外,還受到機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響,要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形,當(dāng)應(yīng)盡量

46、使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,自重輕,并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上,以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 五考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)器人的工作需要,通過(guò)比較,我們采用的機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型,由于工件多為圓柱形,故手指形狀設(shè)計(jì)成V型,其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 4.2.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示, 圖4-2 齒輪齒條式手部 其工件重量G5公斤, V形手指的角度,,摩擦系數(shù)為 1根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖,其驅(qū)動(dòng)力為: 2根據(jù)手指夾持工件的方位,可得握力計(jì)算公式: 所

47、以 3實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng),故取,并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí),則: 所以 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理,單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力,其公式為: 式中: - 活塞桿上的推力,N - 彈簧反作用力,N - 氣缸工作時(shí)的總阻力,N - 氣缸工作壓力,Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: Gf 式中:- 彈簧剛度,N/m

48、 - 彈簧預(yù)壓縮量,m - 活塞行程,m - 彈簧鋼絲直徑,m - 彈簧平均直徑,. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量,一般取 在設(shè)計(jì)中,必須考慮負(fù)載率的影響,則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù),可得 所以: 查有關(guān)手冊(cè)圓整,得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后,取活塞桿直徑校核,按公式 有: 其中,[], 則: 3,缸筒壁厚的設(shè)計(jì)

49、 缸筒直接承受壓縮空氣壓力,必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: 式中:6- 缸筒壁厚,mm - 氣缸內(nèi)徑,mm - 實(shí)驗(yàn)壓力,取, Pa 材料為:ZL3,[]3MPa 代入己知數(shù)據(jù),則壁厚為: 取,則缸筒外徑為: 4.3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)器人的通用性,同時(shí)由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此,手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 4.3.1手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件,它的作用是調(diào)整或改變工件的

50、方位,因而它具有獨(dú)立的自由度,以使機(jī)器人適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)器人的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)器人抓取的工件是水平放置,同時(shí)考慮到通用性,因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油氣缸,因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊,但回轉(zhuǎn)角度小于,并且要求嚴(yán)格的密封。 4.3.2手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 4.3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)器人的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸,它的原理如圖4-2所示,定片1與缸體2固連,動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔

51、成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí),推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn),則低壓腔的氣從b孔排出。反之,輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: , 或 圖4-4 四杠汽缸桶圖 圖中:M回轉(zhuǎn)汽缸的驅(qū)動(dòng)力矩 P回轉(zhuǎn)汽缸的工作壓力 R缸體內(nèi)壁半徑 r輸出軸半徑 b動(dòng)片寬度 4.3.4 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 1.尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為96mm,半徑,軸徑26mm,半徑,氣缸運(yùn)行角速度,加速度時(shí)間0.1s,壓強(qiáng), 則力矩 2.尺寸校核 1 測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部

52、件的質(zhì)量分布情況, 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上,那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: () 工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長(zhǎng)的棒料上,那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合,對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō),最大偏心距 ,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: 2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏,考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合,,夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則 + 3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為,對(duì)于滾動(dòng)軸承,對(duì)于滑動(dòng)軸承0.1, ,為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑,, , ,為軸

53、頸處的支承反力,粗略估計(jì),, 4.回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封,與選用的密襯裝置的類型有關(guān),應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計(jì)為的3倍, 3 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求,安全。 第五章 四自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度,每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu),它們必須協(xié)調(diào)起來(lái),組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng),一般要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 5.1 工業(yè)機(jī)器人控制基本要求 控制系統(tǒng)的功能是

54、控制機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)和操作以滿足作業(yè)的要求。在作業(yè)中機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器按點(diǎn)位或軌跡運(yùn)動(dòng),并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動(dòng)中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制功能大致有如下的基本要求和特點(diǎn)。 A、實(shí)現(xiàn)對(duì)位姿、速度、加速度等的控制功能 在機(jī)器人的各類作業(yè)中,運(yùn)動(dòng)和控制方式主要有兩種。 1)點(diǎn)位控制方式(PTP控制) 這種控制方式考慮到末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只在某些規(guī)定的點(diǎn)上進(jìn)行操作,因此只要求末端執(zhí)行器在目標(biāo)點(diǎn)處保證準(zhǔn)確的位姿以滿足作業(yè)質(zhì)量要求。而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(包括移動(dòng)的路徑和運(yùn)動(dòng)的姿態(tài))則不作任何規(guī)定,這種控制方式易于實(shí)現(xiàn),但不易達(dá)到較高的定位精度

55、,適用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊和在電路板上安插元件等只要求在目標(biāo)點(diǎn)保持末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿的作業(yè)中。 2)連續(xù)軌跡控制方式(CP控制) 這種控制方式要求末端執(zhí)行器嚴(yán)格按規(guī)定的軌跡和速度在一定精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng),以完成作業(yè)要求,這種必須保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)連續(xù)、同步地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng),可看成是若干密集軌跡曲線。若設(shè)定的點(diǎn)足夠密,就能用點(diǎn)位控制的方法實(shí)現(xiàn)所需精度的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。 B、存儲(chǔ)和示教功能 要使機(jī)器人具有完成預(yù)定作業(yè)的功能,須先將要完成的作業(yè)示教給機(jī)器人,這個(gè)操作過(guò)程稱為示教,將示教內(nèi)容記錄下來(lái),稱為存儲(chǔ)。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲(chǔ)的示教內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)作,稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作是

56、通過(guò)示教?存儲(chǔ)?再現(xiàn)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。 C、對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)和感覺功能。 5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制方式,選用IBM-PC,80C51系列CPU。 第一級(jí)機(jī)擔(dān)負(fù)管理,示教編程,控制再現(xiàn),軌跡正逆運(yùn)算,機(jī)器人語(yǔ)言的編輯和編譯,通過(guò)串行通訊方式傳送給二級(jí)機(jī)做位置給定。第二級(jí)機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計(jì)算,位置檢測(cè)等工作,根據(jù)插補(bǔ)算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。 一級(jí)機(jī)與示教盒通訊采用串行RS-232接口,既接收示教盒信息,完成示教動(dòng)作,又向示教盒發(fā)送信息,顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū),CRT終端。 二級(jí)機(jī)接口電路將計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量,驅(qū)動(dòng)伺服

57、控制系統(tǒng),選用速度單元,伺服電機(jī)及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。 5-1 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 5.3 硬件電路的組成 圖4-1是采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下: 主從CPU都采用8031芯片; 主從CPU各擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器27256一片,擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片; 主CPU擴(kuò)展可編程串行通信接口芯片8251A一片;可編程多功能接口芯片8155一片;電平轉(zhuǎn)換芯片232一片; 從CPU擴(kuò)展可編程多功能接口芯片8155六片;D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832六片;運(yùn)算放大器μA741六片;PWM功率放大器六片;光電編碼器六片; 地址鎖存器、譯碼器各兩片;

58、 鍵盤電路,顯示電路; 光電編碼電路,功率放大電路; 報(bào)警電路,暫停、急停電路,復(fù)位電路; 第六章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的安全措施 有些國(guó)家已經(jīng)頒布了關(guān)于機(jī)器人的安全法規(guī)和相應(yīng)的規(guī)程,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也有業(yè)機(jī)器人安全規(guī)范ISO/TC184/SC2/WG3-DP10218。在工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)廠家,有嚴(yán)格的管理規(guī)定和詳盡的技術(shù)保障體系。 在機(jī)器人應(yīng)用工程中,要參照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及工業(yè)機(jī)器人的說(shuō)明資料,注意落實(shí)安全措施,杜絕發(fā)生機(jī)器人傷人或其它事故。 6.1 安全要求 工業(yè)機(jī)器人能代替人在危險(xiǎn)有害的環(huán)境中作業(yè)。但又給人另一種危險(xiǎn),即機(jī)器人傷人事故。這是工業(yè)機(jī)器人安全管理的最為重要的

59、一條原則。此外,除了通用的工業(yè)安全規(guī)程外,還要注意工業(yè)機(jī)器人的特殊性,采取相應(yīng)可靠的對(duì)策。 對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的安全要求有如下幾條: 必須為工業(yè)機(jī)器人和周邊設(shè)備安裝安全護(hù)欄,以防止人靠近而造成傷害。工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作范圍不能超越護(hù)欄。 在護(hù)欄出入口的門上必須設(shè)置插拔式電接點(diǎn)點(diǎn)開關(guān),其插座有導(dǎo)線與控制系統(tǒng)的電路連接。只有拔下開關(guān)的插頭,才能打開對(duì)應(yīng)的門。這時(shí),工業(yè)機(jī)器人及周邊設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn),并且將工業(yè)機(jī)器人鎖定在示教模式。 在距操作者的地方設(shè)置緊急停止開關(guān)。按下此開關(guān),工業(yè)機(jī)器人和有關(guān)的設(shè)備立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 在人機(jī)結(jié)合部設(shè)置傳感器。當(dāng)操作者在此處上、下料或裝卡工作時(shí),控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的安全

60、對(duì)策。 在生產(chǎn)設(shè)備旁邊的顯著位置用大型指示燈箱表示生產(chǎn)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。如運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)試、停止等。 設(shè)置工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)的作業(yè)原點(diǎn),并在生產(chǎn)系統(tǒng)的操作盤上設(shè)置相應(yīng)的指示燈,使操作者容易判斷工業(yè)機(jī)器人本體的位置狀態(tài)。 示教作業(yè)時(shí)應(yīng)降低工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度,并且要另有一人專門監(jiān)護(hù),一但發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機(jī)。 6.2 實(shí)施方法 在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程中,不僅要注意對(duì)人員的危險(xiǎn)性,而且還要考慮包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的設(shè)備的安全性。為此生產(chǎn)廠家在工業(yè)機(jī)器人及控制系統(tǒng)的軟硬件方面應(yīng)盡可能地增加有關(guān)功能,以確保安全。例如,用軟極限的功能可設(shè)定工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)(本體)的實(shí)際動(dòng)作小于標(biāo)稱最大動(dòng)作范圍。當(dāng)控制點(diǎn)運(yùn)

61、動(dòng)到軟極限位置時(shí),工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)停止并報(bào)警,不會(huì)超越設(shè)定的區(qū)間。因此,可以將工業(yè)機(jī)器人本體的動(dòng)作限制在實(shí)際作業(yè)的領(lǐng)域內(nèi)。又如對(duì)于弧焊的應(yīng)用,生產(chǎn)廠家可提供一種帶有碰撞傳感器的焊槍把持器及焊槍后,示教作業(yè)及再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),一但焊槍撞上工件或其他物體時(shí),工業(yè)機(jī)器人將立即停機(jī)。為了確保工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程中的安全,必須實(shí)施確保安全要求的具體措施。 第七章 結(jié)論 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我有很多收獲,首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí),更深一步了解了所學(xué)的知識(shí),培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館,網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料,還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。這對(duì)我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì),我切實(shí)體會(huì)到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,我經(jīng)常遇到各種各樣的問(wèn)題,有的是知識(shí)方面的不足導(dǎo)致的,有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足