搬运机器人毕业设计.docx
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搬运机器人毕业设计
刖吕
当代科学技术发展的特点之一就是机械技术,电子技术和信息技术的结合,机器人就是这种结合的产物之一。
现代机器人都是由机械发展而來。
与传统的机器的区别在于,机器人有计算机控制系统,因而有一定的智能,人类可以编制动作程序,使它们完成乞种不同的动作。
随着计算机技术和智能技术的发展,极大地促进了机器人研究水半的提高。
现在机器人已成为一个庞大的家族,科学家们为了满足不同用途和不同环境下作业的需要,把机器人设计成不同的结构和外形,以便让他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的朋友,在生产建设和科研匸作中发挥着越來越大的作用。
搬运机器人不但能够代替人的某些功能,有时还能超过人的体力能力。
可以24小时其至更长时间连续重复运转,还可以承受各种恶劣环境。
因此,搬运机器人是人体局部功能的延长和发展。
21世纪是敏捷制造的时代,搬运机器人在敏捷制造系统中应用广泛。
1绪论
1.1工业机器人的历史、现状及应用
机器人首先是从美国开始研制的,1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。
它的结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。
日本是工业机器人发展绘快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。
目前工业机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控制方式则为开环式,没有识别能力:
改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机器人正在加紧研制,它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,共至听、想的能力。
研究安装各种传感器,把感觉到的信息进行反馈,使机器人具有感觉机能。
第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一环。
随着现代化科学技术的E速发展和社会的进步,针对于匕述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越來越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起⑴。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成冬种外部传感器的能力。
美国工业机器人技术的发展,大致经历了以下儿个阶段:
1)1963-1967年为试验定型阶段。
1963・1966年,万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。
1967年,该公司生产的工业机器人定型为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,例如,美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人;1969年该公司乂白行研制出SAM新工业机器人,并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线;乂如,美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件;
3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。
19707972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丸所召开了第一届全国工业机器人会议。
据当时统计,美国大约200台工业机器人,工作时间共达60万小时以上,与此同时,出现了所谓了高级机器人,例如:
森徳斯兰徳公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人的系统⑵。
又如,万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。
麻省理工学院研制了具有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
1.2我国的工业机器人
我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步,经过二十多年的努力,已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。
先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。
近几年,我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破10亿元。
目前国内市场年需求最在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,占全球总量的0.56%,其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家工业机器人企业)行业集中度占30%左右,其余都是从日本、美国、瑞典、徳国、意大利等20多个国家引进的。
国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主,年出口量为100台左右,年出口额为0.2亿元以上。
目前,工业机器人的应用领域主要有弧焊、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。
在我国,工业机器人的最初应用是在汽车和II程机械行业,主要用于汽车及匸程机械的喷涂及焊接。
目前,由于机器人技术及研发的落后,工业机器人还主要应用在制造业,非制造业使用的较少。
拥不完全统计,近儿年国內厂家所生产的哦工业机器人有超过•半是提供给汽车行业。
由此可见,汽车工业的发展是近儿年我国工业机器人增长的原动力之
O
搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手,机械手的发展是由于它的积极作用正H益为人们所认识:
其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置來完成工件的传送和装卸:
其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和白动化的步伐。
因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力來研究和应用。
尤其是在高温、高丿玄、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视。
机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。
随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变匸作程斥,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机器人,也即本文所研丸的对象。
它是一种独立的、不附屈于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程斥,以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的,称为操作机(Manipulator)o它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。
工业屮采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机器人,主要附屈于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand",它是为主机服务的,由主机驱动。
除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。
就目前來看,总的來说现代工业机器人有以下几个发展趋势:
1)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准化和模块化,将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人:
2)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合:
3)硏制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,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越來越多的系统采用微机进行控制。
2总体方案设计
2.1自由度和坐标系的选择
机器人的运动门由度是指各运动部件在三维空间相当丁•固定坐标系所具有的独立运动数,对于一个构件来说,它有儿个运动坐标就称其有儿个自由度。
各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。
机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的,因为人的手指、堂、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的手有这么多的白由度一般为3-6个(不包括手部)。
本次设计的搬运机器人为5H由度即:
手爪张合:
腕部回转:
臂部伸缩;臂部回转:
臂部升降。
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种.各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下:
1)直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图2-l(a)所示。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度(pm级)。
但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸來讲,是比较小的.因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多[戮
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。
直角坐标机器人主要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
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的,如图2-l(b)o这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。
其工作空间是一个圆柱状的空间。
3)球坐标机器人结构
球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动來实现的,如图2-1(c)o这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。
主要应用于搬运作业。
其工作空间是一个类球形的空间。
4)关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图2-1(d)o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,都广泛采用这种类型的机器人。
关节型机器人结构,有水平关节型和垂直关节型两种。
根据要求及在实际生产中的用途,本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。
(a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型
图24四种机器人坐标形式
Fig2・1fourrobotcoordmatefonn
2.2搬运机器人的组成
搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机均三部分组成。
2.2.1执行机构
1)手部
手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或半动型(多为回转型,因其结构简单)。
手部多为两指(也有多指):
根据需要分为外抓式和内抓式两种:
也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。
传力机构形式较多,常用的有:
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、弹赞式和重力式。
本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。
本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2・2。
图2-2搬运机器人手部执行部件示意图
Fig2-2handlmgrobothandsactiiatmgpailsschemes
如图2・2的机构简图,手部执行依靠杆的伸缩运动來实现其张合运动,杆的动力源來门后续驱动源的液压缸,该液压缸采用的是伸缩式液压缸,该液压缸能够节省横向的工作空间。
2)腕部
腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。
手腕有独立的自由度。
有回转运动、上下摆动、左右摆动。
一般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,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前,应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液斥(气)缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度小(一般小于270。
),并且要求严格密封,否则就难保证稳定的输出扭矩。
因此在要求较大回转角的情况下,采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
本次设计的搬运机器人的腕部是实现手部180。
的旋转运动。
设计的搬运机器人的腕部的运动为一个白由度的回转运动,运动参数是实现手部回转
的角度控制在0~180。
范围内,其基本的结构形式如图2・3所示。
图2-3腕部回转基本结构示总图
Fig2-3\vnstrotationbasicstnictiireschematicdrawing
腕部的驱动方式采用直接驱动的方式,由于腕部装在手臂的末端,所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。
机器人手部的张合是由双作用单柱塞液床缸驱动的;而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。
将夹紧活塞缸的外壳与摆动汕缸的动片连接在一起;当回转液床缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。
3)臂部
手臂部件是机械手的重要握持部件。
它的作用是支掠腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的:
把手部送到空间运动范围内任意一点。
如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的H由度加以实现。
因此,一般来说臂部具有三个白由度才能满足基本要求,即手臂的仲缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构來实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。
因此,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位穩度直接影响机械手的工作性能。
本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩、以及臂部的回转运动。
手臂的运动参数:
伸缩行程:
1200mm;伸缩速度:
83nini/s;升降行程:
300mm:
升降速度:
67mm/s:
回转范闱:
0〜180。
。
机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化,在圆柱坐标式结构中,手臂的绘大匸作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。
伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。
4)机座
机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。
对固定式机器人,直接联接在地而上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。
机身由肾部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。
并且,臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。
臂部的运动越多,机身的结构和受力越复杂。
本次毕业设计的搬运机器人的机身选用升降回转型机身结构;臂部和机身的配置型式采用立柱式单臂配置,其驱动源來|'|回转液压缸。
2.2.2驱动机构
驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类.
液斥驱动圧力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂⑶。
气动驱动斥力低,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,且随着材料性能的提高,电动机性能也逐渐提高。
本次设计的搬运机器人的驱动机构采用液圧驱动的方式。
2.3搬运机器人的技术参数
1)用途:
用于午间搬运
2)设计技术参数:
a)抓重:
20Kg侠持式手部);
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:
圆柱坐标系;
d)最大匸作半径:
1600mm;
e)手臂最大中心高:
1248mm;
f)手臂运动参数:
伸缩行程:
1200nun;
伸缩速度:
83111111/s
升降彳亍程:
300111111
升降速度:
67mm/s
回转范围:
0〜180°;
g)手腕运动参数:
回转范【韦I:
0~180。
。
3机器人的设计与计算
3.1手部设计
3.1.1机器人手部的功能
机器人的手部是机器人最重要的部件之一,从其功能和形态上看,分为匸业机器人的手部和类人机器人的手部。
目前前者应用较多,也较成熟,后者正在发展中。
工业机器人的手部夹持器(亦称抓取机构)是用來握持工件或工具的部件,由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同同。
其手部结构也是多种多样的,大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的,按握持原理的不同,常用的手部夹持器分为如下两类:
1)夹持式:
包括内撑式与外夹式,常用的还有勾托式和弹赞式等。
2)吸附式:
包括气吸式与磁吸式等。
在设计机器人末端执行器时,应注意以下问题:
1)机器人木端执行器是根据机器人作业要求來设计的。
一个新的末端执行器的出现,就可以增加一种机器人新的应用场所。
因此,根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器,将不断的扩大机器人的应用领域。
2)机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。
因此,要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。
3)机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的°万能末端执行器存结构上很复杂,共至很难实现,例如,仿人的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。
因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。
3.1.2手部设计的基本要求
1)应具有适当的夹紧力和驱动力;
2)手指应具有一定的开闭范围;
3)应保证工件在手指内的夹持精度;
4)要求结构紧凑,重量轻,效率高;
根据任务要求并考虑到实际操作中手部的工作方式本次设计选择的手部夹持器为:
双支点连杆杠杆式手部结构。
3.1.3选择手爪的类型及夹紧装置
本次搬运机械手的设计,考虑到所要达到的原始参数:
手爪夹取重量为20Kg°常用的工业机械手手部,分为夹持和吸附两大类。
本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。
半移型手指的张开闭合靠手指的半行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,其理论夹持误差零凹。
若采用典型的平移型手指,使结构变得复杂且体积庞大。
显然是不合适的,因此不选择这种类型。
通过综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。
夹紧装置选择常形式夹紧装置,它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。
3.1.4手爪及其液压缸的设计
1)手爪的力学分析
图3-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析示意图
Fig.3・1leveragedslidingchannelhandstructure、stiessanalysisschemes
1一一手指2一一销轴3——杠杆
在杠杆3的作用下,销轴2向上的拉力为F,并通过销轴中心O点,手指滑槽对销轴
的反作用力为F1和F2,其力的方向垂直于滑杷(的中心线OO1和002并指向O点。
由工耳=0得:
由工仔=0得:
2cosa
F严-F;
式中:
a••手指的回转支点到对称中心的距离(mm);
a••工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知,当驱动力F—定时,a角增大,则握力F*也随之增大,但如果角a过大则会导致拉杆行程过大和手部结构增大,因此垠好取a=30。
-40。
,故本次设计选取a=30co
根据给定的数据:
抓取的重物为20Kg钢与钢Z间的静摩擦因数卩取为:
卩=0.15
即:
収£、・=700Na=30°
鴛g°x70(
故:
=1500N
2)夹紧力和驱动力及液斥缸的计算
手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。
必须对大小、方向和作用点进行
分析计算。
一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力
产生的載荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算:
F$>K&F(3-2)
式中:
K、——安全系数,通常1.2〜2.0:
K.一一工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。
可近似按下式估儿=1+仝g
其中a为重力方向的最大上升加速度:
F-理论驱动力(N)。
K.=1.1-2.5
表3・1液压缸的工作压力
Tab3-1thehydrauliccylinderpressuieofwork
作用在活塞上外力F/N
液压缸工作压力/Mpa
作用在活塞上外力F/N
液压缸工作压力/Mpa
小于5000
0.8〜1
20000〜30000
2.0〜4.0
5000〜10000
1.5〜2・0n
30000〜50000
40—5.0
10000〜20000
2.5〜3.0
>50000
5.0〜8.0
表3・2液压缸的内径系列(JB826-66)
Tab3-2hydrauliccylinderofnmersenes(JB826-66)(mm)
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
计算:
a)取a=35mm,b=50mm,10° 心=1.5 根据公式,将已知条件带入: 0=1.5x1.2x1500=2700" b)取〃=0.85 c)确定液压缸的直径D: 选取活塞杆直径d=O.5D,根据表3・1选择液压缸压力油匸作压力P=0.8〜IMPa, 根据表3・2(JB826-66),选取液圧缸内径为: D=80mm。 d=(0.45一0.T)D 3.2腕部设计 3.2.1腕部设计的基本要求 1)力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动栽荷均由臂部承担。 显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重星和运转性能[习。 因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。 2)结构考虑,合理布局 腕部作为搬运机器人的执行机构,乂承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。 3)必须考虑工作条件 对于本次设计,搬运机器人的工作条件是在工作场合中搬运质量为20Kg的物体,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对搬运机器人的腕部没有太多不利因素。 3.2.2腕部结构的选择 1)典型的腕部结构 a)具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转,总力矩M,需要克服以下儿种阻力: 克服启动惯性所用,回转角由动片和静片之间允许回转的角度來决定(一般小于270。 )。 b)齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270。 的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构。 这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部〔% c)具有两个门由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个门由度。 d)机•液结合的腕部结构。 2)腕部结构和驱动结构的选择 本设计要求手腕回转180°,综合以上的分析考虑到各种因素,腕部结构选择具有一个H由度的回转驱动腕部结构,采用液斥驱动。 3.2.3腕部及其液压缸的设计计算 腕部设计考虑的参数: 夹取工件重M20Kg: 回转180。 。 1)腕部驱动力计算 图3-2腕部支挫反力计算示意图 Fig.3・2themistsupportcoiintei-
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