1958_通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計,通用,工業(yè),機器人,結(jié)構(gòu)設計 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 1 頁 非正交主軸與工作臺型五軸工具機后處理程序開發(fā)黃昭堂.佘振華摘要：后處理程序是將刀具位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工操作所需數(shù)據(jù)的重要接口，其對五軸工具機來說是非常復雜的，因為在五軸工具機中線性軸和旋轉(zhuǎn)軸是同動的。以前大部分的五軸后處理方法研究只局限于正交的工具機構(gòu)型，本論文針對主軸型與工作臺型及工作臺/主軸型有非正交旋轉(zhuǎn)軸的五軸工具機開發(fā)其后處理算法，這種構(gòu)型的工具機具有從立式加工轉(zhuǎn)換為臥式加工的優(yōu)點。本文以齊次坐標轉(zhuǎn)換為基礎，利用運動學的前向轉(zhuǎn)換，求得五軸工具機的形狀創(chuàng)成函數(shù)矩陣，再由逆向轉(zhuǎn)換，解出工具機各軸運動的解析方程。后處理程序中的線性算法是為了保證加工的精確性而開發(fā)的。五軸后處理程序接口是利用 Borland C++、Builder 與 OpenGL 開發(fā)，以產(chǎn)生三種構(gòu)型的 NC 碼，經(jīng)由商業(yè)實體切削仿真軟件 VERICUT 驗證及試加工實驗，證實所提出的后處理方法論的可行性。關鍵詞：后處理、五軸加工、形狀創(chuàng)成函數(shù)、非正交旋轉(zhuǎn)軸1、引言五軸工具機被越來越多地的用戶所使用的，特別是用于加工復雜自由曲面。傳統(tǒng)的五軸工具機有三個正交的線性軸和旋轉(zhuǎn)軸。這里所說的旋轉(zhuǎn)軸通常是指與相互正交的中心線平行的線性軸。各國的機械工具制造商，如 Makino，Ingersol 和 Deckel Maho，將非正交旋轉(zhuǎn)軸或工作臺進行改進使機器具有更好的多功能性和靈活性。 “非正交”是指軸旋轉(zhuǎn)體的振蕩運動，這類似與一張桌子上的硬幣的緩慢旋轉(zhuǎn)。五軸工具機有一個旋轉(zhuǎn)軸的傾斜面[1]，而不同于平行的直線軸，它提供的優(yōu)勢可使切削刀具在一個半球內(nèi)指向任意角度[2，3]。這種機器可以在連續(xù)的水平和垂直位置移動。非正交旋轉(zhuǎn)軸為生產(chǎn)航空部件及汽車頭部提供了便利。運動經(jīng)電機主軸傳遞給空心軸和齒輪[4]。由于線性和旋轉(zhuǎn)運動同時作用在五軸數(shù)控機床上，導致了五軸數(shù)控程序比三軸數(shù)控程序更加的復雜。后處理程序必須利用刀具位置（CL）將數(shù)據(jù)從凸輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機器控制數(shù)據(jù)。盡管先進的控制器可以接受實時的數(shù)據(jù)，而不需要后處理，但他們是相當昂貴的[5]。該方法主要可以分為三類：圖形[ 6]，[7 ]和坐標數(shù)值迭代[8-10]。由 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 2 頁 坐標變換方法解析方程，產(chǎn)生的數(shù)控數(shù)據(jù)最有效，它已被廣泛采用在最近的研究中。然而，幾乎所有的這些方法包括后處理方法均采用正交旋轉(zhuǎn)軸五軸工具機。研究解決非正交配置的相對較少。例如，有為主軸傾斜式發(fā)展的非正交旋轉(zhuǎn)軸五軸機床后處理程式[11]。最近，Sorby [ 12]發(fā)表了一篇關于封閉形式五軸工具機的非正交旋轉(zhuǎn)工作臺論文。然而，該解決方案具有一定的局限性。例如，工件原點的偏移向量和二次主旋轉(zhuǎn)不明確，及角度傾斜 45 度的非正交軸的固定。本研究開發(fā)一種后置的雙主軸和工作臺五軸工具機?；邶R次坐標變換矩陣的解析方程，確定方程的一般形式；偏移向量定義為從工件的起始位置回轉(zhuǎn)至工作臺，偏移向量在非正交軸中是可變的。此外還包括線性化算法的后處理開發(fā)，保證加工精度。一個基于后處理是開發(fā)和圖形界面動態(tài)顯示的表面模型議案的提出幫助用戶輸入相關參數(shù)正確。此外，生成的 NC 數(shù)據(jù)進行驗證，使用商業(yè)實體切削仿真軟件 VERICUT [13]進行五軸加工實驗工具機的非正交旋轉(zhuǎn)工作臺的后處理方法確認。2、五軸工具機的配置與類型大多數(shù)五軸工具機有兩個旋轉(zhuǎn)軸作為常規(guī) X 軸，X 軸和 Z 軸。五軸機床可分為三種類型：主軸型，工作臺型和工作臺/主軸型。商業(yè)方面用正交配置，如圖 1 所示三種類型。圖 1（a ）為非正交旋轉(zhuǎn)主軸型。圖 1（b）為非正交旋轉(zhuǎn)工作臺型，如 Deckel Maho DMU 70 改進型[ 15]，其在工作臺上具有兩個旋轉(zhuǎn)軸，和一個平行與 Z 軸而與非正交旋轉(zhuǎn)軸存在一定的傾斜角度的旋轉(zhuǎn)軸（C 軸） 。圖 1（c）為工作臺\主軸型，如Deckel Maho 200P [ 15]，其中一個旋轉(zhuǎn)工作臺（ c）是以在工作臺上的非正交旋轉(zhuǎn)軸（B 軸）為主軸。由于作者已經(jīng)提出過主軸型非正交旋轉(zhuǎn)主軸的后處理程序，本研究著重于發(fā)展與其他兩種配置的后處理。五軸機床可以看作是平動與旋轉(zhuǎn)運動組合的機床。正向運動學方程必須建立數(shù)學模型來描述刀具相對于工件的切削運動?；镜淖鴺俗儞Q矩陣，包括 Trans 矩陣和 Rot矩陣 [ 16 ]。 Trans 矩陣式可以表示如下： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 3 頁 Trans（a，b， c）表示矢量 a i+b j+c k一般 Rot 矩陣用來描述旋轉(zhuǎn)的主軸單元。本坐標系設定 ；則Rot 矩陣可以表示為：其“C”和“S” 分別為余弦和正弦函數(shù)，且 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 4 頁 圖 1 五軸工具類型：a.主軸型 b.工作臺型 c.工作臺\ 主軸型3、后處理程序3.1 工作臺傾斜型圖 2 描繪了相關的坐標系配置。工件坐標系為 而 為刀具坐標系。由于這兩個旋轉(zhuǎn)軸并不相交，則必存在一條公法線垂直于兩軸。公法線分別與 C 軸和B 軸相交于 RC 和 RB 點。偏移向量 為從原點 至 RC，而偏移向量為從 RC 至 RB。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 5 頁 圖 2 傾斜型坐標系組成機床的結(jié)構(gòu)有：回轉(zhuǎn)工作臺 C，回轉(zhuǎn)工作臺 B，機床床身， X 軸方向工作臺，Y 軸方向工作臺，Z 軸方向工作臺，主軸和刀具。根據(jù)刀具與工件的相對位置和方向，將從工件開始至刀具完成的過程稱為形式塑造功能，[17]。這種機床的形式塑造過程，用數(shù)學矩陣形式表示如下：其中 Px，Py 和 Pz 分別表示 X，Y 和 Z 軸的相對距離。 和 分別為與 C 軸和B 軸的旋轉(zhuǎn)角度。采用右手螺旋定則判定+C 和+B。方程（3）表示的函數(shù)矩陣，結(jié)合機床參數(shù) Px， Py，Px， 和 。第一步是計算刀具所需的旋轉(zhuǎn)角度，二是根據(jù)已知的旋轉(zhuǎn)角中心位置的直線計算所需的位置關系。當?shù)毒呶恢?和刀具的方向向量 確定后，CL 數(shù)據(jù)可用矩陣形式表示如下：由于方程（3）和（4）都表示相同的刀具和工件之間的關系，聯(lián)立這兩個矩陣，確定所需的參數(shù)。結(jié)合兩個矩陣得到下列公式： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 6 頁 首先可以確定 ， 的值。代入式（5）得：值得注意的是，在 范圍內(nèi)的表達方式如下：如果范圍在–π 到 0 之間，方程應修改為式（ 8）所示。另一方面，如果同時滿足以上兩種情況，則以最小的旋轉(zhuǎn)角選擇算法。此外，將式（5）對應的第一值第二值聯(lián)立求解線性方程組得到：由于方程（9）和（10）分母是相同的，總是正的，C 軸轉(zhuǎn)角可以確定如下：其中 arctan2（y，x）是在 范圍內(nèi)的函數(shù)返回值，表示 y 和 x 的夾角[16]。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 7 頁 此外，結(jié)合矩陣（6）式兩邊的相應參數(shù)，產(chǎn)生三個未知數(shù) Px，Py 和 Pz。聯(lián)立方程組，設定程序坐標系為工件坐標系。因此，可以得到所需的 NC 數(shù)據(jù)（記為 x，y 和z） ，考慮兩個偏移向量 和 ，并表示為如下：3.2 工作臺/主軸傾斜型工作臺/主軸傾斜型有一個旋轉(zhuǎn)主軸和一個旋轉(zhuǎn)軸的工作臺。圖 3 分別顯示了 C 軸和 B 軸上的兩個交點 RC 和 RB。交點 RC 位于 C 軸上任意點，交點 B 為非正交旋轉(zhuǎn) B 軸和刀具的交點。偏移向量 是按從原點 到交點 RC，有效刀具長度代表交點 RB 和刀尖中心之間的距離， 。由其造型函數(shù)矩陣可以得到坐標變換矩陣如下：圖 圖 3 工作臺/ 主軸傾斜型坐標系統(tǒng) 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 8 頁 等值式（14）式（15）聯(lián)立得：結(jié)合參數(shù)，可以采用同工作臺傾斜型的計算過程。但要注意的是， NC 參考點，在此假設為交點 RB。這個定義是根據(jù)主軸傾斜和工作臺/主軸傾斜型得來，而且使用的是相同的商業(yè)后處理器程序的軟件包。完整的 NC 數(shù)據(jù)的分析方程可以表示為： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 9 頁 3.3 線性問題從理論上講， CAD / CAM 系統(tǒng)生成的 CL 數(shù)據(jù)是以假設刀具在連續(xù)兩個點之間的線性移動為基礎。然而，實際的刀具與工件的運動軌跡并不是直線和旋轉(zhuǎn)軸移動同時進行。彎曲的路徑偏離線性插值的連續(xù)路徑點之間的直線路徑被稱為線性問題。以下算法可以解決這個問題。假設，在圖 4 中 為三個相鄰的 CL 數(shù)據(jù)點。矢量 Pn 的矩陣形式可表示為 ，其中 和 組成刀尖的中心位置，和 組成刀具的方向。 相應的機床數(shù)控代碼 Pn 為 。由于五軸同時從當前位置 Pn 移動到隨后的位置的 Pn+1，每個軸之間移動假定為線性的[18]。因此，實際的曲線路徑的每個點可以表示如下：其中 t 是一個虛擬的時間坐標 。其中 CL 數(shù)據(jù) 和 為正值。例如，工作臺傾斜型的式（5） 、 （6）和工作臺/主軸傾斜型的式（ 16） 、 （17） 。此外，在理想的線性刀具路徑下每個點可以決定如下：理想的線性刀具路徑實際曲面刀具路徑內(nèi)插刀具路徑 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 10 頁 圖 4 多軸加工線性問題 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 11 頁 圖 5 后處理程式對話框：a 工作臺傾斜型 b 工作臺/ 主軸傾斜型圖 6 工作臺傾斜型生成 NC 數(shù)據(jù)對話框 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 12 頁 之間的距離為偏差 。如果最大偏差 超過規(guī)定的公差，應將插入到原 CL 數(shù)據(jù)。理論上，必須采取數(shù)值迭代方法計算 。實際上，中間點，t=0.5 ，常被選為候選點[10] 。將中間點 插入后，即可以生成相應的數(shù)控代碼。4、討論1．非正交旋轉(zhuǎn)軸的主要特征是在同一臺機床上水平位置和垂直位置之間的連續(xù)運動。在當前商業(yè)工具機的配置中，可以由以上方程得出非正交旋轉(zhuǎn)軸傾斜 45 度。可以拿工作臺型傾斜是用來作為一個例子，方程（5）表示刀具相對于工件的方向。在初始位置，工作臺水平，可以確定 。非正交旋轉(zhuǎn)軸假定繞 x 軸旋轉(zhuǎn) θ 角使矢量及 。將以上條件代入式（5）且 ， ，產(chǎn)生了如下方程：解得 ， 。因此，當工作臺轉(zhuǎn)動角度 π，非正交旋轉(zhuǎn)軸 B 軸轉(zhuǎn)動 π/4時工作臺的處于垂直位置。 圖 7 工作臺/主軸傾斜型生成 NC 數(shù)據(jù)對話框2、非正交坐標系的采用提高了五軸工具機床靈活性。然而，在 CL 數(shù)據(jù)方面是有 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 13 頁 限制的。只有在方程（7）顯示的條件 滿足時方能使用。當非正交軸設置在45 度角時 ， 的取值范圍在 。所以， 為負值時，通過CAD / CAM 軟件生成的 CL 數(shù)據(jù)無法進行加工。3、生成的 NC 數(shù)據(jù)是一個普遍的形式，它可以運用到正交配置中。工作臺傾斜型就是一個例子。如果向量 W 是在 X 軸方向，且 Wx =1 Wy=Wz= 0 就是 CA 工作臺傾斜性的配置。分析方程中的 NC 數(shù)據(jù)，例如 Y 軸的值，與文獻[8]中的一致，可以表示如下：注意，在所列舉的例子中，假設兩個旋轉(zhuǎn)軸相交且偏移向量 用于推導上述方程。4、基于 和 ，刀具解可能通過， ， 且 [12, 18]未知的點。該點發(fā)生在 且 C 軸平行于刀具軸時。正如在圖 4 所示，如果當 Pn+1 是該點時， 在理論上可以是任意的值，因為 Pn+2 是未知的。Pn+2 應進一步確定，以確保的值是在該連續(xù)兩個點之間的線性變化。 的值可定義為 Pn 到 Pn+2 之間的距離。5、在實際的多軸加工中進給速度控制是一個重要的問題。大多數(shù)控制器，如FANUC 公司和 Cincinnati Milacron 公司采用字符（ FRN）和 G93 代碼來控制進給速度。FRN 由工件的進給率的所決定。當兩個或兩個以上線性軸旋轉(zhuǎn)運動時，路徑長度的確定變得非常復雜。在大多數(shù)情況下，實際的路徑長度可以充分接理論的線性位移[19]。5 執(zhí)行和核查5.1 軟件實現(xiàn)在 Windows XP 環(huán)境中使用 BorlandC ++ 、Builder 編程語言和 OpenGL 圖形庫。采用一個半徑為 35mm、的半球進行加工說明。 CL 數(shù)據(jù)通過商業(yè) CAD / CAM 軟件與PowerMILL[20]產(chǎn)生。機床采用工作臺傾斜型與工作臺/ 主軸傾斜型的二種形式的工具機，進行了測試。圖 5（a）所示工作臺傾斜型配置后處理器開發(fā)軟件對話框。用戶可以用鼠標的旋轉(zhuǎn)放大機床表面模型。當用戶輸入相關參數(shù)，如偏移向量從 C 軸中心點開始時，系統(tǒng)會顯示數(shù)字，以幫助用戶輸入正確的參數(shù)，如圖 6 所示。最后，點擊 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 14 頁 “文件”菜單打開 CL 數(shù)據(jù)，生成 NC 代碼。圖 5（b）和圖 7 顯示的是工作臺/主軸傾斜型啟動和實施環(huán)節(jié)的對話框， 。值得注意的是，設值長度是從壓刀尖中心到工作臺表面。5.2 實體切削仿真實體切削仿真軟件 VERICUT 是用來生成數(shù)控加工數(shù)據(jù)。軟件中有可供選擇的原材料，刀具的規(guī)格尺寸，數(shù)控數(shù)據(jù)，控制器的類型，及物理性能不同的數(shù)控加工工具，它可以用數(shù)控數(shù)據(jù)來模擬材料去除過程。工作臺傾斜型工具機用產(chǎn)品仿真和成品加工進行驗證，如圖 8 所示。相關參數(shù)如圖 6 所示。圖 8 工作臺傾斜型的 VERICUT 軟件模擬 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 15 頁 圖 9 工作臺/主軸傾斜類型的 VERICUT 軟件模擬圖 9 所示工作臺/主軸傾斜類型的 VERICUT 軟件模擬。如前所述，根據(jù)圖 7，應設置相關參數(shù)。B 軸的向量為 。偏移向量 從程序原點到旋轉(zhuǎn)刀具軸。5.3 實驗驗證生成的五軸聯(lián)動數(shù)控數(shù)據(jù)要進一步驗證。工作臺傾斜型五軸加工中心（DECKEL MAHO DMU70 改進型）配備 Heidenhain iTNC530 用于半球形工件加工。這項實驗是在下列條件下進行：（1）兩個球頭直徑為 10 毫米和 4 毫米的刀具分別用于粗加工和精加工（2）主軸轉(zhuǎn)速 5000r\min,進給速度為 1000mm/min（3）工作臺采用 7075 鋁合金材料制造。應該注意的是，本機床 C 軸的正方向是刀具沿著 Z 軸的負方向。C 軸的實際數(shù)控數(shù)值再式（11）中為負值。圖 10 顯示了實際的加工過程，揭示正確的后處理程式，能成功生成 NC 數(shù)據(jù)。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 16 頁 圖 10 DECKEL MAHO DMU1070 改進型機床的實際加工實驗 a.粗加工 b.精加工六、結(jié)論非正交工作臺和主軸型五軸工具機床的后處理程序有了一定的發(fā)展。一般的 NC數(shù)據(jù)是由齊次坐標變換矩陣，正向和逆向運動學的分析來確定的。生成的 NC 數(shù)據(jù)對那些旋轉(zhuǎn)軸需要相互交叉和非正交軸的傾斜角度為變量的這類機床是有用的。產(chǎn)生的可變傾斜角能增加派生方程的有效性，從而 NC 數(shù)據(jù)可降低正交型的配置。該種算法也可以應用到線性軸和旋轉(zhuǎn)軸非正交的多功能磨/轉(zhuǎn)機床中 [21]，目前這項工作正在進行。致謝 對中華人民共和國理事會 NSC95-2221-E-150-101 的財政資助深表感謝。同時也對金屬工業(yè)研究發(fā)展中心提供五軸設備，及對在臺灣 Delcam 公司的 Bacchus Yu先生提出的有效建議意見表示感謝。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 17 頁 參考文獻1.Goode KF, Rockford IL (1983) Tool head having nutating spindle,US Patent No. 43700802.Makino (2003) High-Productivity Aerospace Machining Center.MMS Online?, URL: http://www.mmsonline.com/equipment/mcen389.html3. 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OKUMA MULTUS, URL: http://www.okuma.co.jp/english/黃河科技學院畢業(yè)設計（論文）開題報告表課題名稱 通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計課題來源 教師擬訂 課題類型 AX 指導教師 薛東彬?qū)W生姓名 汪培林 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 080105640一、調(diào)研資料的準備由于本設計牽涉的知識面較廣，在設計過程中會涉及到大量的分析，設計較為復雜，需要進行詳盡的資料收集、加工與整理。在做本課題時，首先需要查閱所學過的專業(yè)書籍資料，如機械制圖、機械原理、機械設計，氣壓與液壓傳動等書籍；再次，可以廣泛的搜索網(wǎng)絡資源，結(jié)合實際，查找有關工業(yè)通用機器人的信息，如概念，結(jié)構(gòu)，組成，發(fā)展趨勢等等，由此進行符合本課題要求的設計。 二、設計的目的和要求1、設計目的：本課題設計的最終目的是通過實習調(diào)研搜集資料，運用所學知識，并借助 CAD 軟件，設計通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)，包括傳動機構(gòu)設計、主要零件設計、支承部件設計等。2、設計要求：分析國內(nèi)外通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計發(fā)展和應用的情況，結(jié)構(gòu)類型和功能特點完成：1、總體機械結(jié)構(gòu)設計，繪制總裝配圖。2、傳動機構(gòu)設計，繪制部分裝配圖。3、支承部件設計，繪制支承部件部分裝配圖。4、主要零件設計，繪制主要零件的工作圖。做課題時，需要查閱機械制圖、機械設計、力學、機器人技術、機床設計手冊等資料和 CAD繪圖相關資料，綜合分析使用，進行設計。三、設計的思路與預期成果1、設計的思路結(jié)合調(diào)研資料，聯(lián)系本次設計的內(nèi)容及目的，做出以下安排：（1）明確設計任務，收集相關資料；（2）根據(jù)要求制定總體方案，結(jié)合實際分析并確定確定總體方案；（3）結(jié)構(gòu)設計及計算：a．手部結(jié)構(gòu)設計b．手腕結(jié)構(gòu)設計c．氣動系統(tǒng)設計（4）根據(jù)設計過程及計算數(shù)據(jù)編寫設計說明書。2、預期成果（1）完成文獻綜述一篇，不少于 3000 字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于 3000 字；（2）完成內(nèi)容與字數(shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設計說明書一份；（3）根據(jù)使用性能要求初定設計方案，進行設計方案對比后最終確定方案；設計通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計總體、傳動系統(tǒng)部分裝配和主要零件圖；（圖紙量折合后不少于 A1 圖紙 4 張，用計算機繪圖）（4）包含本次設計的所有內(nèi)容的光盤一張；（5）所有文字成果要求交打印稿和電子稿。四、任務完成的階段內(nèi)容及時間安排1~ 3 周：完成文獻綜述、開題報告及英文資料翻譯，掌握 CAD 軟件應用功能，完成畢業(yè)實習。4~ 9 周：通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計總體、細部、零件結(jié)構(gòu)設計、計算，用 AutoCAD 等軟件繪制總裝圖、部裝圖、典型零件圖。10~11 周：編寫設計說明書，進一步修改完善畢業(yè)設計，準備并完成畢業(yè)答辯稿。12 周：畢業(yè)答辯。五、完成設計所具備的條件因素1、通過四年的機械專業(yè)知識的學習與積累,已具備進行設計的基礎；2、通過畢業(yè)導師的指導，設計中遇到的問題可以向?qū)熣埥?，聽求導師的建議；3、通過四年來的本專業(yè)的實習和課程設計經(jīng)驗，有一定的實踐基礎；4、有相關類似的教材以及網(wǎng)絡資源可供參考。指導教師簽名： 日期：2012-2-20 畢業(yè)設計文獻綜述院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名 汪 培 林 指 導 教 師 薛 東 彬 2012 年 03 月 10 日 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計文獻綜述摘要：在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。機械手就在這樣的環(huán)境下誕生了,機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機械器件組成；電氣方面有步進電機、驅(qū)動模塊、傳感器、開關電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、氣動技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。關鍵字：機械手，機械結(jié)構(gòu)，機電一體化1、工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、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(chǎn)設備。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。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機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器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(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器進化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非工業(yè)領域的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手” 。工業(yè)機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，由它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，工業(yè)機械手在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手” ，簡稱通用機械手。由于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(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應用。2、工業(yè)機器人的組成和分類2.1 工業(yè)機器人的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖 2-1 所示。圖 2.12.1.1 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構(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，可分為夾持式手部和吸附式手部。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)和傳動機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，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。而傳動機構(gòu)則是向手 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁指傳遞運動和動力。傳動機構(gòu)型式較多常用的有: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，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。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)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構(gòu)當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(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、機械傳動?，F(xiàn)在工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)大多采用液壓傳動，但液壓傳動存在以下幾個缺點: (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，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁(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，故價格較高，且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，采用氣動技術有以下優(yōu)點: (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，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣造成壓力明顯降低和嚴重污染。(3)動作迅速，反應靈敏。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)也能實現(xiàn)過載保護，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，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、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，因此降低了氣動元件、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(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。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。2.1.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā) 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁出報警信號。2.1.4 位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設定位置。2.2 機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。2.2.1 按用途分1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在其性能范圍內(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)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手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”式控制定位，只能是點位控制；伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，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械手屬于數(shù)控類型。2.2.2 按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機械手 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是：抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，否則液壓油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是：介質(zhì)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械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手 機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手 電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，很有發(fā)展前途。2.2.3 按控制方式分1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。3、國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬美元。(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁測系統(tǒng)三位一體化。由關節(jié)模塊、連桿模塊重組方式構(gòu)造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自動化系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求， “一客戶，一次重新設計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計， 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863” 計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種。在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品。4、小 結(jié)經(jīng)過兩周的資料查閱與整理，我對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)與組成有了初步的了解，對設計有了初步的思路。經(jīng)過初步的思考，坐標方式定為圓柱坐標，驅(qū)動方式為氣壓傳動，大致方案圖如下圖 4.1。在后面的設計過程中，我會根據(jù)需要不斷調(diào)整和改進設計方案，最后希望可以做出合理的設計方案。圖 4.1 通用工業(yè)機器人結(jié)構(gòu) 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 9 頁參考文獻【1】謝存禧，張鐵.機器人技術及其應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.7【2】徐元昌.工業(yè)機器人.北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.8 【3】蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001. 4【4】郭洪江主編.工業(yè)機器人技術.西安電子科技大學出版社.2006【5】王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封，1999 【6】嚴學高，孟正大.機器人原理.南京：東南大學出版社，1992 【7】成大先.機械設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2010.1 【8】孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理.北京：高等教育出版社，2006.5【9】濮良貴，紀民剛.機械設計.北京：高等教育出版社，2006.5. 【10】成大先.機械制圖圖冊.北京：化學工業(yè)出版社，2008.1 【11】鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京：機械工業(yè)出版社，1987 【12】徐永生.氣壓傳動.北京：機械工業(yè)出版社，1990.5【13】 The American Society of Mechanical Engineers．Boiler and Pres—Stale Vessel Code[S]．1986 ．【14】Donald R.Askeland ,Pradeep P.Phule.The Science and Engineering of Materials.Brooks/Cole-Thomson Learning .2003.