三軸龍門機械手.doc

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摘 要 工業(yè)機器手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產機械手的結構形式比較簡單，通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 本課題將設計一個三軸龍門機械手，需完成X、Y、Z三維空間內的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產線的輸送帶上。 關鍵詞：機器人；效率；龍門；三軸 Abstract Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)， controller， servo drive system and detection sensor， which is a kind of copy operation， automatic control， can repeat programming in 3 d space， can finish all kinds of assignments electromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties， change of flexible production batch. It to help stabilize， improve product quality， raise efficiency in production， improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level， can reduce labor intensity， ensure the quality of products， and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple， general manipulator can quickly change working procedures， good daptability， so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references. Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 機器人概述 1 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 2 1.3 機器人發(fā)展趨勢 3 第2章 機械手總體設計方案 4 2.1機械手基本形式的選擇 4 2.1.1直角坐標系機器人 4 2.1.2圓柱坐標系機器人 4 2.1.3極坐標系機器人 4 2.1.4多關節(jié)機器人 5 2.2驅動裝置的選擇 6 2.2.1液壓驅動 6 2.2.2氣壓驅動 7 2.2.3電動機驅動 7 第3章 三軸機械手的總體方案設計 8 3.1設計參數(shù) 8 3.2方案設計 8 3.2.1 X軸方案設計 9 3.2.2 Y軸方案設計 9 3.2.3 Z軸方案設計 10 3.2.4 機械手爪方案設計 11 第4章 三軸龍門機械手結構設計 13 4.1 X軸設計 13 4.1.1 最大工作載荷的計算 13 4.1.2 齒輪齒條結構設計計算 13 4.1.3 步進電機減速箱的選用 15 4.2 Y軸設計 15 4.3 Z軸設計 17 第5章 機械手結構設計 23 5.1夾持器設計的基本要求 23 5.2 夾緊裝置設計 23 5.2.1 夾緊力計算 23 5.2.2 驅動力計算 24 5.2.3 氣缸驅動力計算 24 5.2.4 選用夾持器氣缸 25 5.2.5 手爪的夾持誤差及分析 25 5.2.6 材料及連接件選擇 28 結論 29 參考文獻 30 致 謝 31 第1章 緒論 1.1 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，機械化和自動化的生產過程中已成為一個突出的主題。生產過程的自動化化學連續(xù)性已基本得到解決。但在機械行業(yè)，加工，裝配等生產是不連續(xù)的。專用機是一種有效的方式來大規(guī)模生產自動化，程控機床，數(shù)控機床，加工中心等自動化機械是有效地解決了多品種小批量的生產自動化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多裝卸，搬運，裝配作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種機體功能，程序自動固定裝置的上部。機器人具有結構簡單，成本低，易維護等優(yōu)勢，但功能較少，適應性差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 總之，機器人是用機器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個位置，或按照以操縱工件加工用的工作要求。 機器人拿起東西，最簡單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動手腕的機構，手臂，關節(jié)等部位 - 執(zhí)行機構，如肌肉的驅動臂運動 - 傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動作。這些系統(tǒng)的性能將決定機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1所示。 圖1 機器人的一般組成 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠手動控制；相比，開環(huán)控制模式，沒有承認；改善方向主要是降低成本，提高精度。 第二代機器人正在加緊制定。它有一個微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）能夠獨立工作，以完成該過程的任務。它保持與電腦和電視設備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC是一個重要的組成部分。 隨著工業(yè)機器人拓展國際學術交流活動的研究和應用都非?；钴S，歐洲和美國等國家進行學術交流很多。國際機器人產業(yè)ISIR會議決定召開一次年會，討論開發(fā)和應用問題和研究機器人。 目前，主要的工業(yè)機器人裝卸，搬運，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無論數(shù)量，品種和性能不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機器人，主要是在危險的操作（寬），多塵的手動操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間，例如手動操作。 在國外機械制造，工業(yè)機器人使用較多，發(fā)展較快。目前應用于機床，鍛壓機下料，以及點焊，噴漆等工作，也可以完成提前開發(fā)所需遵循的操作程序，但沒有感覺反饋能力，無法應付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時，機器人會損壞部件，甚至本身。 隨著科學技術和社會，研究應用在這些領域的現(xiàn)代進步的機器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā)展本身也提出了更多的要求。制造要求機器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強大的編程環(huán)境，以適應不同的應用和多品種，小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）的機器人系統(tǒng)需要能源等自動化設備在車間內進行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能機器人系統(tǒng)，該機器人需要一個開放系統(tǒng)架構和各種外部傳感器集成的能力。然而，多機器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專用控制器封閉結構，通常使用專用的計算機作為上主計算機，使用專用的離線機器人編程語言作為一種工具，使用一個專用的微處理器和控制算法固化在EPROM這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系統(tǒng)改裝費用是非常昂貴的，如果不重新設計，在大多數(shù)情況下，它在技術上是不可能的。解決這些問題的根本途徑是學習和使用機器人系統(tǒng)具有開放式體系結構。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人； b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 第2章 機械手總體設計方案 2.1機械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下4種，如圖2所示：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）極坐標型機械手；(4)多關節(jié)型機械手。 2.1.1直角坐標系機器人 直角坐標型機器人，它在x，y，z軸上的運動是獨立的，3個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是： (1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。 (2)計算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。 2.1.2圓柱坐標系機器人 圓柱坐標型機器人，R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是： (1)容易想象和計算。 (2)能夠伸入形腔式機器內部。 (3)空間定位比較直觀。 (4)直線驅動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質。 (5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。 2.1.3極坐標系機器人 極坐標型機器人又稱為球坐標機器人，R，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，β是手臂在鉛垂面內的的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個轉動驅動裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標系較復雜，較難想象和控制。 (5)直線驅動裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。 2.1.4多關節(jié)機器人 多關節(jié)機器人，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機器人手臂可以達到球形體積內絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是： (1)動作較靈活，工作空間大。 (2關節(jié)驅動處容易密封防塵。 (3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。 (4) 適合于電動機驅動。 (5)運動難以想象和控制，計算量較大。 (6)不適于液壓驅動。 直角坐標型 圓柱坐標型 極坐標型 多關節(jié)型 圖2 工業(yè)機械手基本結構形式 本課題要求機械手為直角坐標型。 2.2驅動裝置的選擇 機器人關節(jié)的驅動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅動方式進行分析比較。 2.2.1液壓驅動 機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有幾個優(yōu)點： （1）容易實現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會更好推力或扭矩； （2）介質的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度； （3）液壓傳動，功率，速度和方向是比較容易實現(xiàn)自動控制； （4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機械效率，使用壽命長。 不足的液壓系統(tǒng)有： （1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險； （2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質量，成本較高； （3）需要相應的供應體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴格過濾的設備，否則故障。 液壓驅動模式下的輸出功率和更大的權力，可以構成一個伺服機構，大型機器人關節(jié)驅動器常用。 2.2.2氣壓驅動 與液壓傳動相比，氣壓傳動的特點是： （1）壓縮空氣粘度小，容易實現(xiàn)高速； （2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設備； （3）空氣介質對環(huán)境的污染，使用安全，可直接應用到高溫作業(yè)； （4）氣動元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。 它的缺點是： （1）空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個較大的力，就必須相對地增加的結構； （2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實現(xiàn)精確的位置控制難度大； （3）壓縮空氣是一個非常重要的問題，處理不當級鋼鐵機件會生銹，造成機是人類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。 用于位置控制，采集，開關控制和順序控制機器人氣動驅動器。 2.2.3電動機驅動 電機驅動，可分為普通交流和直流馬達驅動，交流和直流伺服電機驅動器和步進電機驅動器。 通用的交，直流馬達驅動器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機器人。伺服和步進電機的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機器人。交流伺服電機一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進電機是主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。 第3章 三軸機械手的總體方案設計 本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產系統(tǒng)，根據(jù)生產機械加工的不同階段設置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。 本課題將設計一個三軸龍門機械手，需完成X、Y、Z三維空間內的移動要求，以及對工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運到生產線的輸送帶上。 3.1設計參數(shù) 機械手即為三軸。確定為X軸、Y軸、Z軸。X軸為水平方向有效行程為800mm， Y軸為水平面上垂直于X軸的方向有單效行程為1000mm，Z軸為豎直方向垂直于XY軸，有效行程為240mm。 工件形狀：φ5050mm的鋁制圓柱體；或φ5050mm的塑料圓柱體。 定位精度：1mm ； 運動速度：>2m/min； 工作要求：X、Y軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動器則完成對工件提起或放下操作，機械手爪則完成對工件抓緊或釋放操作。 3.2方案設計 本次設計的三軸龍門機械手總體方案結構圖如下所示：該機械手采用直角坐標系，X軸采用齒輪齒條傳動方式，Y軸采用同步帶傳動方式，Z軸采用滾珠絲杠副傳動。現(xiàn)將各軸的驅動方案詳細說明如下： 圖3-1 三軸龍門機械手總體結構圖 3.2.1 X軸方案設計 需要完整圖紙及論文，請聯(lián)系QQ545675353，另接定做畢業(yè)設計