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搬运机器人毕业设计方案.docx
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1、序言现代科学技术发展特点之一就是机械技术,电子技术和信息技术结合,机器人就是这种结合产物之一。现代机器人全部是由机械发展而来。和传统机器区分在于,机器人有计算机控制系统,所以有一定智能,人类能够编制动作程序,使它们完成多种不一样动作。伴随计算机技术和智能技术发展,极大地促进了机器人研究水平提升。现在机器人已成为一个庞大家族,科学家们为了满足不一样用途和不一样环境下作业需要,把机器人设计成不一样结构和外形,方便让她们在特殊条件下出色地完成任务。机器人成了人类最忠实可靠好友,在生产建设和科研工作中发挥着越来越大作用。搬运机器人不仅能够替换人一些功效,有时还能超出人体力能力。能够二十四小时甚至更长时
2、间连续反复运转,还能够承受多种恶劣环境。 所以,搬运机器人是人体局部功效延长和发展。 二十一世纪是灵敏制造时代,搬运机器人在灵敏制造系统中应用广泛。1 绪论1.1 工业机器人历史、现实状况及应用机器人首先是从美国开始研制,1958年美国联合控制企业研制出第一台机器人。它结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁工件抓放机构,控制系统是示教型。日本是工业机器人发展最快、应用最多国家。自1969年从美国引进两种经典机器人后,大力从事机器人研究。现在工业机器人大部分还属于第一代,关键依靠人工进行控制;控制方法则为开环式,没有识别能力;改善方向关键是降低成本和提升精度。第二代机器人正在加紧研制,它
3、设有微型电子计算机控制系统,含有视觉、触觉能力,甚至听、想能力。研究安装多种传感器,把感觉到信息进行反馈,使机器人含有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中任务,它和电子计算机和电视设备保持联络,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中关键一环。伴随现代化科学技术飞速发展和社会进步,针对于上述各个领域机器人系统应用和研究对系统本身也提出越来越多要求。制造业要求机器人系统含有更大柔性和更强大编程环境,适应不一样应用场所和多品种、小批量生产过程。计算机集成制
4、造(CIM)要求机器人系统能和车间中其它自动化设备集成在一起1。研究人员为了提升机器人系统性能和智能水平,要求机器人系统含有开放结构和集成多种外部传感器能力。美国工业机器人技术发展,大致经历了以下多个阶段:1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年,万能自动化企业制造工业机器人供用户做工艺试验。1967年,该企业生产工业机器人定型为1900型;2)1968-1970年为实际应用阶段。这一时期,工业机器人在美国进入应用阶段,比如,美国通用汽车企业1968年订购了68台工业机器人;1969年该企业又自行研制出SAM新工业机器人,并用21组成电焊小汽车车身焊接自动线;又如,美国克莱
5、斯勒汽车企业32条冲压自动线上448台冲床全部用工业机器人传输工件;3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年,工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当初统计,美国大约200台工业机器人,工作时间共达60万小时以上,和此同时,出现了所谓了高级机器人,比如:森德斯兰德企业(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人系统2。又如,万能自动企业制成了由25台机器人组成汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了含有“手眼”系统高识别能力微型机器人。1.2 中国工业机器人中国工业机器人是从二十世纪八十年代
6、开始起步,经过二十多年努力,已经形成了部分含有竞争力工业机器人研究机构和企业。前后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年,中国工业机器人及含工业机器人自动化生产线相关产品年销售额已突破10亿元。现在中国市场年需求量在3000台左右,年销售额在20亿元以上。统计数据显示,中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台,占全球总量0.56%,其中完全国产工业机器人(行业规模比较大前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右,其它全部是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。国产工业机器人现在关键以中国市场应用为主,年出口量为100台左右,年出口额为0.2亿元以上。 现
7、在,工业机器人应用领域关键有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。在中国,工业机器人最初应用是在汽车和工程机械行业,关键用于汽车及工程机械喷涂及焊接。现在,因为机器人技术及研发落后,工业机器人还关键应用在制造业,非制造业使用较少。据不完全统计,近几年中国厂家所生产哦工业机器人有超出二分之一是提供给汽车行业。由此可见,汽车工业发展是近几年中国工业机器人增加原动力之一。搬运机器人在实际工作中就是一个机械手,机械手发展是因为它主动作用正日益为大家所认识:其一、它能部分替换人工操作;其二、它能根据生产工艺要求,遵照一定程序、时间和位置来完成工件传送和装卸;其三、它能操
8、作必需机具进行焊接和装配,从而大大改善了工人劳动条件,显著提升了劳动生产率,加紧实现工业生产机械化和自动化步伐。所以,受到很多国家重视,投入大量人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音和带有放射性和污染场所,应用更为广泛。在中国近几年也有较快发展,而且取得一定效果,受到机械工业重视。机械手结构形式开始比较简单,专用性较强。伴随工业技术发展,制成了能够独立按程序控制实现反复操作,适用范围比较广“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。因为通用机械手能很快改变工作程序,适应性较强,所以它在不停变换生产品种中小批量生产中取得广泛引用。机器人就是用机器替换人手,把工件由某个地方移向指定工作位
9、置,或根据工作要求以操纵工件进行加工。机器人通常分为三类。第一类是不需要人工操作通用机器人,也即本文所研究对象。它是一个独立、不隶属于某一主机装置,能够依据任务需要编制程序,以完成各项要求操作。它是除含有一般机械物理性能之外,还含有通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作,称为操作机(Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是经过操作机来完成特定作业,以后发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采取铸造操作机也属于这一范围。第三类是专业机器人,关键隶属于自动机床或自动生产线上,用以处理机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Ha
10、nd”,它是为主机服务,由主机驱动。除少数外,工作程序通常是固定,所以是专用。1.3 机器人发展趋势伴随现代化生产技术提升,机器人设计生产能力深入得到加强,尤其当机器人生产和柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变现在机械制造人工操作状态,提升了生产效率。就现在来看,总来说现代工业机器人有以下多个发展趋势:1)提升运动速度和运动精度,降低重量和占用空间,加速机器人功效部件标准化和模块化,将机器人各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不一样机器人;2)开发多种新型结构用于不一样类型场所,如开发微动机构用以确保精度;开发多关节多自由度手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不一样场所;3)研制
11、各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器取得工作对象周围外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采取教授系统进行问题求解、动作计划,同时,越来越多系统采取微机进行控制。2 总体方案设计2.1 自由度和坐标系选择机器人运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所含有独立运动数,对于一个构件来说,它有多个运动坐标就称其有多个自由度。各运动部件自由度总和为机器人自由度数。机器人手部要像人手一样完成多种动作是比较困难,因为人手指、掌、腕、臂由19个关节组成,共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人手有这么多自由度通常为3-6个(不包含手
12、部)。此次设计搬运机器人为5自由度即:手爪张合;腕部回转;臂部伸缩;臂部回转;臂部升降。工业机器人结构形式关键有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其对应特点,分别介绍以下:1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人空间运动是用三个相互垂直直线运动来实现,图2-1(a)所表示。因为直线运动易于实现全闭环位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达成很高位置精度(m级)。不过,这种直角坐标机器人运动空间相对机器人结构尺寸来讲,是比较小。所以,为了实现一定运动空间,直角坐标机器人结构尺寸要比其它类型机器人结构尺寸大得多2。直角坐标机器人工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人关
13、键用于装配作业及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现,图2-1(b)。这种机器人结构比较简单,精度还能够,常见于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状空间。3) 球坐标机器人结构球坐标机器人空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现,图2-1(c)。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。关键应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形空间。4) 关节型机器人结构关节型机器人空间运动是由三个回转运动实现,图2-1(d)。关节型机器人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较
14、大。此种机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,全部广泛采取这种类型机器人。关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。依据要求及在实际生产中用途,此次设计搬运机器人采取圆柱坐标。(a)直角坐标型 (b)圆柱坐标型 (c)球坐标型 (d)关节型图2-1四种机器人坐标形式Fig 2-1 four robot coordinate form2.2 搬运机器人组成搬运机器人由实施机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.2.1 实施机构1)手部手部既直接和工件接触部分,通常是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);依据需要分为外抓式和内抓式两种;也
15、能够用负压式或真空式空气吸盘(关键用于可吸附,光滑表面零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构形式较多,常见有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。此次设计手部选择夹持类回转型结构手部。此次设计搬运机器人手部实施部件图2-2。图2-2搬运机器人手部实施部件示意图Fig 2-2 handling robot hands actuating parts schemes图2-2机构简图,手部实施依靠杆伸缩运动来实现其张合运动,杆动力源来自后续驱动源液压缸,该液压缸采取是伸缩式液压缸,该液压缸能够节省横向工作空间。2)腕部腕部是连接手部和臂部部件,并可用来调整被抓物
16、体方位,以扩大机械手动作范围,并使机械手变更灵巧,适应性更强。手腕有独立自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。通常腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单专用机械手,为了简化结构,能够不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。现在,应用最为广泛手腕回转运动机构为回转液压(气)缸,它结构紧凑,灵巧但回转角度小(通常小于),而且要求严格密封,不然就难确保稳定输出扭矩。所以在要求较大回转角情况下,采取齿条传动或链轮和轮系结构。此次设计搬运机器人腕部是实现手部旋转运动。设计搬运机器人腕部运动为一个自由度回转运动,运动参数是实现手部回转角度控制在范围内,其基础结构形式图2
17、-3所表示。图2-3腕部回转基础结构示意图Fig 2-3 wrist rotation basic structure schematic drawing腕部驱动方法采取直接驱动方法,因为腕部装在手臂末端,所以必需设计十分紧凑能够把驱动源装在手腕上。机器人手部张合是由双作用单柱塞液压缸驱动;而手腕回转运动则由回转液压缸实现。将夹紧活塞缸外壳和摆动油缸动片连接在一起;当回转液压缸中不一样油腔中进油时即可实现手腕不一样方向回转。3)臂部手臂部件是机械手关键握持部件。它作用是支撑腕部和手部(包含工作或夹具),并带动她们做空间运动。臂部运动目标:把手部送到空间运动范围内任意一点。假如改变手部姿态(方位
18、),则用腕部自由度加以实现。所以,通常来说臂部含有三个自由度才能满足基础要求,即手臂伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。手臂多种运动通常见驱动机构(如液压缸或气缸)和多种传动机构来实现,从臂部受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件静、动载荷,而且本身运动较为多,受力复杂。所以,它结构、工作范围、灵活性和抓重大小和定位精度直接影响机械手工作性能。此次设计实现臂部上下移动、前后伸缩、和臂部回转运动。手臂运动参数:伸缩行程:1200mm;伸缩速度:83mm/s;升降行程:300mm;升降速度:67mm/s;回转范围:。机器人手臂伸缩使其手臂工作长度发生改变,在圆柱坐标式结构中,手臂最大工作长度
19、决定其末端所能达成圆柱表面直径。伸缩式臂部机构驱动可采取液压缸直接驱动。4)机座机座是机身机器人基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及其相关导向装置、支撑件等组成。而且,臂部升降、回转或俯仰等运动驱动装置或传动件全部安装在机身上。臂部运动越多,机身结构和受力越复杂。此次毕业设计搬运机器人机身选择升降回转型机身结构;臂部和机身配置型式采取立柱式单臂配置,其驱动源来自回转液压缸。2.2.2 驱动机构驱动机构是搬运机器人关键组成部分。依据动力源不一样,工业机械手驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机
20、械驱动等四类。液压驱动压力高,可取得大输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方便,不过,液压元件成本高,油路比较复杂3。气动驱动压力低,输出力较小如需要输出力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成本低。电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且伴随材料性能提升,电动机性能也逐步提升。此次设计搬运机器人驱动机构采取液压驱动方法。2.3 搬运机器人技术参数1) 用途:用于车间搬运2) 设计技术参数:a) 抓重:20Kg(夹持式手部);b) 自由度数:5个自由度(手爪张合;腕部回转;臂部伸缩;臂部回转;臂部升降5个运动);c) 坐标型式:圆柱
21、坐标系;d) 最大工作半径:1600mm;e) 手臂最大中心高:1248mm;f) 手臂运动参数:伸缩行程:1200mm;伸缩速度:83mm/s升降行程:300mm升降速度:67mm/s回转范围:0180;g) 手腕运动参数:回转范围:0180。3 机器人设计和计算3.1 手部设计3.1.1 机器人手部功效机器人手部是机器人最关键部件之一,从其功效和形态上看,分为工业机器人手部和类人机器人手部。现在前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。工业机器人手部夹持器(亦称抓取机构)是用来握持工件或工具部件,因为被握持工件形状、尺寸、重量、材料及表面状态不一样4。其手部结构也是多个多样,大部分手部结构全
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