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,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。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國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,氣動技術(shù)的特點(diǎn)。對機(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)動時(shí)所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)出了機(jī)器人的氣動系統(tǒng),繪制了機(jī)器人氣壓系統(tǒng)工作原理圖,對氣壓系統(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,單片機(jī)控制 ABSTRACT In the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use robots 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. This 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 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 principle 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)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)自動化發(fā)揮了巨大作用,將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。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)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成,是一種仿人操作,自動控制、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)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(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)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動,而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置,既有人對環(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,從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(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)域不可缺少的自動化設(shè)備.機(jī)器人是模仿著人手的部分動作,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(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,關(guān)于分類的問題,目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn),在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(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、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)器人具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn),適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)器人,如自動機(jī)床、自動線的上、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、動作靈活多樣的機(jī)器人。格性能范圍內(nèi),其動作程序是可變的,通過調(diào)整可在不同場合使用,驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。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易型和伺服型兩種:簡易型以“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)動方式分 1、液壓傳動機(jī)器人 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)器人。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格,不然油的泄漏對機(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)動系統(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,油液過濾要求嚴(yán)格,成本高。 2、氣壓傳動機(jī)器人 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)器人。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便,輸出力小,氣動動作迅速,結(jié)構(gòu)簡單,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)械傳動機(jī)器人 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等驅(qū)動的機(jī)器人。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)器人,其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠,用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大,但結(jié)構(gòu)較大,動作程序不可變。 4、電力傳動機(jī)器人 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的械手,因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)器人的運(yùn)動速度快和行程長,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)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動,只能控制運(yùn)動過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置,不能控制其運(yùn)動軌跡。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。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線,其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的,整個(gè)移動過程處于控制之下,可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動,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 國外工業(yè)機(jī)器人的的發(fā)展 美國是機(jī)器人的誕生地,早在1961年,美國的ConsolidedControlCorp和AMF公司聯(lián)合研制了第一臺實(shí)用的示教再現(xiàn)機(jī)器人。經(jīng)過40多年的發(fā)展,美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(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年從美國引進(jìn)第一臺機(jī)器人,1976年以后,隨著微電子的快速發(fā)展和市場需求急劇增加,日本當(dāng)時(shí)勞動力顯著不足,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)器人王國”之稱。德國引進(jìn)機(jī)器人的時(shí)間比英國和瑞典大約晚了五六年,但戰(zhàn)爭所導(dǎo)致的勞動力短缺,國民的技術(shù)水平較高等社會環(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,在德國規(guī)定,對于一些危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位,必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動。這為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場,并推動了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。目前,德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第二位,僅次于日本。 法國政府一直比較重視機(jī)器人技術(shù),通過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)用和開發(fā)方面的工作,兩者相輔相成,使機(jī)器人在法國企業(yè)界得以迅速發(fā)展和普及,從而使法國在國際工業(yè)機(jī)器人界擁有不可或缺的一席之地。 英國紀(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,使英國工業(yè)機(jī)器人起步比當(dāng)今的機(jī)器人大國日本還要早,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、丹麥等國家由于自身國內(nèi)機(jī)器人市場的大量需求,發(fā)展速度非常迅速。目前,國際上的工業(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。歐系中主要有德國的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 國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期,經(jīng)過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,國家投入資金,對工定機(jī)器人及零部件進(jìn)行攻關(guān),完成了示教再現(xiàn)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。,國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施,經(jīng)過幾年研究,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,我國的國民經(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)國家相比,我國工業(yè)機(jī)器人還有很大差距。 目前,我國工業(yè)機(jī)器人公司主要有中國新松機(jī)器自動化股份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,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、沖壓等工藝中大量使用。據(jù)預(yù)測我國正在進(jìn)入汽車擁有率上升時(shí)期,在未來幾年里,汽車仍將每年15%左右的速度增長。所以未來幾年工業(yè)機(jī)器人的需求將會呈現(xiàn)出高速增長趨勢,年增幅達(dá)到50%左右,工業(yè)機(jī)器人在我國汽車行業(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)對工業(yè)機(jī)器人的需求也快速增長。在亞洲,2005年安裝工業(yè)機(jī)器人72,600臺,與2004年相比,增長了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)用增長了17%左右,在非金屬加工行業(yè)的應(yīng)用增長了20%左右,在日用品消費(fèi)行業(yè)增長了32%,在木材家具加工行業(yè)增長了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、管道的檢測、煉油廠、大型油罐和儲罐的焊接等均可使用機(jī)器人來完成。在未來幾年,傳感技術(shù),激光技術(shù),工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(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,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,工業(yè)機(jī)器人市場份額大部分被國外工業(yè)機(jī)器人企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前,國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個(gè)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn),中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn),對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫,政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持,將會給工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。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),隨著我國人口老齡化的提前到來,近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象,迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率,降低工人的勞動強(qiáng)度,提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行,本設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)氣動搬運(yùn)機(jī)器人,應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(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)自動化生產(chǎn),減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動,同時(shí)又可以提高勞動生產(chǎn)率。 現(xiàn)在的機(jī)器人大多采用液壓傳動,液壓傳動存在以下幾個(gè)缺點(diǎn): 1液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失摩擦損失、泄露損失等:液壓傳動易泄漏,不僅污染工作場地,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)動特性變化。 3因液壓脈動和液體中混入空氣,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, 氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn): 1介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低,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)充的問題. (2阻力損失和泄漏較小,在壓縮空氣的輸送過程中,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。外泄漏不會像液壓傳動那樣,造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 3動作迅速,反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù),便于自動控制。 4能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中,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、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中,氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越,而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 6成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低,因此降低了氣動元、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。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受,而且對于不太復(fù)雜的機(jī)器人,用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受,但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠,因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里,對氣動機(jī)器人、氣動機(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,因此相對于專用機(jī)器人來說,它的適用面相對較廣. 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)壓式吸盤來吸取板料工件。 4氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)器人的氣壓傳動系統(tǒng),包括氣動元器件的選取,氣動回路的設(shè)計(jì),并繪出氣動原理圖。 5對氣壓傳動系統(tǒng)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對機(jī)器人進(jìn)行控制,本課題將要選取PLC型號,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) 對氣動機(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定位等特性。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,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)動行程較小的缺點(diǎn),增加手臂擺動機(jī)構(gòu),從而增加一個(gè)手臂上下擺動的自由度 圖2-1 機(jī)器人的運(yùn)動示意圖 機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。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)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單,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、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來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,并可用來調(diào)整被抓取物件的方位即姿勢 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)動手臂運(yùn)動的部件如油缸、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。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降或俯仰運(yùn)動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,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。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。 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)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動?？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)動的系統(tǒng)。由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速,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。控制系統(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,并記憶人們給予機(jī)器人的指令信息如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間,同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對機(jī)器人的動作進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號?？紤]到機(jī)器人的通用性,同時(shí)使用點(diǎn)位控制,因此我們采用可編程序控制器PLC對機(jī)器人進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器人的動作流程改變時(shí),只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn),非常方便快捷。四位置檢測裝置 控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置,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. 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速,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),由于是采用氣動方式驅(qū)動,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)動速度是機(jī)器人主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)器人速度提出了要求,設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)器人動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)器人最大移動速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)器人動作時(shí)有啟動、停止過程的加、減速度存在,用速度一行程曲線來說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操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑,必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。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 動作范圍 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 -110° +110° 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 -90° +90° 關(guān)節(jié)升降 0 150mm 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 0° 360° 最大速度 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 180o /s 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 360o /s 關(guān)節(jié)升降 150mm /s 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 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 0.5 G以下 其它 避免易燃、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)動學(xué)模型建設(shè) 為整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動推導(dǎo)一個(gè)模型,是一個(gè)由底向上的過程。我們必須用相對清晰和一致的參考框架來表達(dá)各輪的力和約束,由于移動機(jī)器人的獨(dú)立和移動本質(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Hartenberg在“ASME Joumal of Applied Mechanic ” 發(fā)表了一篇指引后人對機(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為過點(diǎn)Oi且與關(guān)節(jié)i和i+1的公垂線重合,指向?yàn)閕?i+1Yi?與Zi和Xi構(gòu)成右手系,即YiZi ×Xi 圖3-1轉(zhuǎn)動連桿參攝及坐標(biāo)系3.1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(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)動方程已知q1,q2,qn,求,稱為運(yùn)動學(xué)正解;已知,求q1,q2,qn,稱為運(yùn)動學(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)全為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),為4自由度機(jī)器人 ,針對所設(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)來描述機(jī)器人各關(guān)節(jié)相對于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的空間位置變化方程,以及機(jī)器人噴槍相對于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的空間姿態(tài)變化方程.3.2 運(yùn)動學(xué)正解對于具有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)動軸;Xi軸是沿著Zi和Zi-1的公垂線 :ai是Zi和Zi-1的公垂線段長度: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)1da21000320090430I2054d400得到正運(yùn)學(xué)舉證:T4 A1A2 A3(3)其中:Si ;Ci ;S23 ; C23 3.3 運(yùn)動學(xué)逆解運(yùn)動學(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,求解對應(yīng)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。而逆運(yùn)動學(xué)求解在機(jī)器人運(yùn)動分析、軌跡規(guī)劃、離線編程、示教編程中占有重要地位。所以逆運(yùn)動學(xué)解是機(jī)器人控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 又由于: (4)對式(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)動概述 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動,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)類型等三方面來討論。 如圖3-1所示,為工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的簡圖。 圖4-1 機(jī)構(gòu)簡圖 a.工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動自由度 所謂機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指確定一個(gè)機(jī)器人操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目,它是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)。 本設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人具有四轉(zhuǎn)動副和移動副兩種運(yùn)動副,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)型手指的手指長度變成無窮長時(shí),就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小,結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大,當(dāng)移動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程中所產(chǎn)生的慣性力和振動,以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。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。對于移動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)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響,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)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊,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。五考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)器人的工作需要,通過比較,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)動力計(jì)算 本課題氣動機(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)的傳動示意圖,其驅(qū)動力為: 2根據(jù)手指夾持工件的方位,可得握力計(jì)算公式: 所以 3實(shí)際驅(qū)動力: 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動,故取,并取。若被抓取工件的最大加速度取時(shí),則:所以 所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。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 - 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) 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)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(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)動時(shí)所需的驅(qū)動力矩4.3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計(jì)算 在機(jī)器人的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動中所采用的回轉(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,動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí),推動輸出軸作逆時(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 測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(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)動慣量: () 工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上,那么轉(zhuǎn)動慣量 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合,對于長的棒料來說,最大偏心距 ,其轉(zhuǎn)動慣量為: 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏,考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合,夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則 + 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為,對于滾動軸承,對于滑動軸承0.1, ,為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑, , ,為軸頸處的支承反力,粗略估計(jì), 4.回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、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,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)的功能是控制機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動和操作以滿足作業(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,并保持設(shè)定的姿態(tài)。在運(yùn)動中或在規(guī)定的某點(diǎn)位執(zhí)行作業(yè)規(guī)定的操作。對工業(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)動過程中只在某些規(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。而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡(包括移動的路徑和運(yùn)動的姿態(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,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,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。這種連續(xù)軌跡運(yùn)動,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。B、存儲和示教功能 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)操作過程稱為示教,將示教內(nèi)容記錄下來,稱為存儲。使工業(yè)機(jī)器人按照存儲的示教內(nèi)容進(jìn)行動作,稱為再現(xiàn)。所以工業(yè)機(jī)器人的動作是通過示教?存儲?再現(xiàn)的過程實(shí)現(xiàn)的。C、對外部環(huán)境的檢測和感覺功能。5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)采用二級計(jì)算機(jī)控制方式,選用IBM-PC,80C51系列CPU。第一級機(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)器人語言的編輯和編譯,通過串行通訊方式傳送給二級機(jī)做位置給定。第二級機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計(jì)算,位置檢測等工作,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)動伺服控制系統(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)展程序存儲器27256一片,擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器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A741六片;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;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,國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會也有業(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)可靠的對策。對工業(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)的安全對策。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)際動作小于標(biāo)稱最大動作范圍。當(dāng)控制點(diǎn)運(yùn)動到軟極限位置時(shí),工業(yè)機(jī)器人自動停止并報(bào)警,不會超越設(shè)定的區(qū)間。因此,可以將工業(yè)機(jī)器人本體的動作限制在實(shí)際作業(yè)的領(lǐng)域內(nèi)。又如對于弧焊的應(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)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí),更深一步了解了所學(xué)的知識,培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識,獨(dú)立分析問題和解決問題的能力,也使我學(xué)會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)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計(jì),我切實(shí)體會到作為一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員的艱難性。在設(shè)計(jì)過程中,我經(jīng)常遇到各種各樣的問題,有的是知識方面的不足導(dǎo)致的,有的是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面不足