毕业设计(论文)-机械手的结构设计.doc
《毕业设计(论文)-机械手的结构设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-机械手的结构设计.doc(31页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、目 录摘要IABSTRACTII第1章前言11.1 机器人概述11.2 选题背景与意义31.2.1 选题背景31.2.2 选题的意义41.3 喷涂机械手简介41.4 本文内容安排41.5 本章小结5第2章喷涂机器手的总体设计62.1 设计要求62.2 机械手方案设计62.2.1 结构设计62.2.2 机械手动力设计82.3 机械手整体移动方案82.4 本章小结9第3章 喷涂机械手的详细结构103.1 机械手手臂结构设计103.2 机械手末端执行机构的设计113.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计133.4 本章小结14第4章 动力进给系统设计164.1 传动系统设计164.2 滚珠丝杠的选择1
2、64.2.1 滚珠丝杠精度164.2.2 滚珠丝杠选择164.3 丝杠支撑的选择184.4 电机的选择194.5 本章小结22第5章 关键部件的校核245.1 丝杠的校核验算245.2大小臂静力载荷计算255.3本章小结26结论28参考文献29致谢31II1 前 言1.1 机器人概述 在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配
3、等作业,有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”(Industrial Robot):多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业机器人或通用机器人)。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人,而把工业机械人称为通用机器人。简而言之,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
4、工操作的通用机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,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)。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。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属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“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程
5、序一般是固定的,因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成,如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一
6、般组成对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能,机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务。驱动
7、传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator),相当于本文中的执行机构部分。1.2 选题背景与意义1.2.1 选题背景机器人技术是由多学科形成的高新技术,在现代的研究非常活跃,应用十分广泛。它的研究和发展水平是一个公家工业化水平的重要标志。 喷涂机械手是可进行自动喷漆或喷涂其它涂料的工业机器人。中国研制出集中型号的喷漆机械手并投入使用,取得了良好的经济效果。喷涂机械手主要由机械手本体和控
8、制系统组成,多采用5或6自由度关节式结构,手臂有较大运动空间,并可作复杂的轨迹运动,其腕部一般有2-3个自由度,可灵活运动。较先进的喷涂机械手腕部采用柔性手腕,既可以像各个方向弯曲,又可以转动,其动作类似于人的手腕。喷涂机械手的运动方式可以有液压传动,气动和电动等。液压喷涂机械手的结构多为6轴多关节式,工作空间大,手臂采用油缸驱动,手部采用柔性手腕结构。传动装置重量轻,结构紧凑,惯性小,传递运动均衡平稳,负载变化时较稳定。电动喷涂机械手一般有6个轴,工作空间大,结构简单,惯性小,轨迹精度高。气压传动以空气为介质,来源方便,且用后可直接排入大气而不污染环境。气动元件结构简单,制造容易,对工作环境
9、适应性好,成本低,过载能自动保护。 喷涂机械手在国外是一项比较成熟的技术,已经有四十多年的发展和历史,很早运用该技术的德国的hata公司,美国的fudge公司等。随着机器人技术的不断提高,喷涂机械手的喷涂精度也越来越高。著名的外国喷涂机器人生产厂家有瑞典的ABB公司,日本的安川和德国的KUKA公司,其中ABB公司是目前世界领先的全球喷涂机械手供应商,在喷涂技术领域具有丰富的技术和经验,因此ABB喷涂机械手在全世界被广泛应用。1.2.2 选题的意义在解国内外机械手方面的发展趋势的基础上,以典型机械手为模型,为方便清洁高层建筑的玻璃和墙壁,提高工作效率,节省大量劳动力和财力,减轻劳动强度,保证劳动
10、者人身安全,尽可能在有限时间内对更大面积的墙壁和玻璃进行有效清洁。另外,通过对当前典型机械手的改进和学习,可以促进笔者对机械手设计的认识,增加机械手设计方面的知识。1.3 喷涂机械手简介传统机器人的机械结构使用串联机构实现,称为串联机器人.串联机构具有结构简单,控制简便,工作空间大等优点。串联式机器人在机械加工行业特别是全动轿车装配生产线上大量采用 ,其技术已经非常成熟。将其扩展到高空喷涂作业,主要是根据喷涂作业的工作特点和工艺需求,对其终端的串联式机械结构进行改变,按照喷涂用喷头,形成高空作业喷涂机器人。本文所设计的机械手是一套不需要人工操作的通用机器人,可以根据任务的需要编制程序,以完成高
11、空中的喷涂作业。鉴于串联机器人的结构简单,控制简单等优点,决定选取串联机器人结构。由于设计者技术知识有限,对其控制方式采用开环式,没有识别能力,所以其很大的缺点在于精度低。1.4 本文内容安排第1章“绪论”,主要介绍机器人的概念以及当前设计涂料机器手的背景和意义。第2章“涂料机械手的总体设计”,这章主要介绍机械手的总体结构和运动方案。第3章“涂料机械手的详细设计”,包括手臂和末端执行器的结构设计以及丝杠的安装设计。第4章“动力进给系统设计”,主要对传动系统进行设计,采用步进电机带动滚珠丝杠进给的开环控制方式。第5章“关键部件的校核”,这部分则是对机械手的一些关键部件进行校核,包括丝杠和大小臂。
12、1.5 本章小结本章主要介绍了机器人的概况,以及进行本课题设计的背景和意义,通过了解学习当前先进技术理论,在已有技术和方案的基础上更好的完成对喷涂机器手的设计。本章还介绍了所设计机器手在现有串联机器人的基础上所做的改进。2 喷涂机器手的总体设计2.1 设计要求设计一种简洁的喷涂机械手,实现对壁面的涂料喷吐。机械手在喷吐过程中喷枪应能实现上下左右的移动,以完成对整个壁面的喷涂。作业时,喷枪保持与壁面的适当的距离,约200 mm,喷嘴的喷射压力约6MPa,喷速为6m/s。;在某一定点处,喷射的范围尽量大,整个机械手的重量尽量轻。2.2 机械手方案设计对于上述的设计要求,现有的串联机器人都能满足,并
13、且串联机器人具有结构简单,控制简便,工作空间大等优点,所以对于喷涂机械手的设计,本文决定以当前典型的串联机器人为模板进行设计。2.2.1 结构设计喷涂对象为高空中的玻璃,所以机器手只需要四个自由度既可以完成作业任务。在查阅了相关资料,经过老师指导后,对于喷涂机器手的结构,笔者起草了以下两个方案。方案一: 图2.1 方案一方案二:图2.2 方案二方案一为倒挂式,大小臂的运动都是来复摆动,通过控制大小臂的摆动进而控制喷头(安装在小臂顶端)的高度方向以及垂直于玻璃方向上的运动,通过控制喷头的旋转来实现垂直于玻璃方向的旋转。这种结构的特点是结构紧凑,设计简单,但是传动行程大。方案二采用的是腰部的回转运
14、动,以及导轨和滚珠丝杠做直线运动,这样也可以实现喷涂作业的完成。这种结构的特点是控制简单,扩大工作空间较为方便,只是结构主要分布在横向,重心较高,平衡性不易控制。经过综合对比上述两个备选方案,本文决定旋转方案一作为设计方案。所控制的四个自由度为:大小臂三个节点上三个自由度,喷嘴的旋转自由度。2.2.2 机械手动力设计机械手的结构设计选定以后就可以对其动力及运动进行设计。目前所流行的动力驱动方式是采用液压或者气压驱动,液气压驱动的技术已经比较成熟,且市场上也有不同的液气压件出售,但是这种驱动方式的位置控制不甚精确,所以在考虑设计动力驱动时,本文决定电动驱动系统。电动驱动系统又分为闭环控制和开环控
15、制,其中闭环控制定位精确,误差较小,但是考虑到技术条件限制,本文采用的控制系统为开环控制系统,所使用的电机为步进电机(本文中所涉及的步进电机均选择森创系列86BYG350AH-0201,步距角为0.6/1.2,相电流为2A,保持转矩2.5N.m),传动方式为步进电机带动滚珠丝杠转动,将旋转运动转变为大小臂的进给运动。2.3 机械手整体移动方案机械手整体上升和下降的控制方式有:真空吸附爬墙式升降,通过升降台控制机械手升降,通过爬绳机构带动机械手升降。由于真空吸附爬墙式升降移动缓慢,由于本身结构限制,吸附方式的负荷能力特别下,而且需要专用的真空设备,安全保障能力差,所以不在考虑范围;对于升降台控制
16、机械手,由于是高空清洗,升降台式也不方便。所以通过比对,采用爬绳机构来实现比较合适,爬绳机构采用两侧对称式布置。机械手固定在移动小车上,通过爬绳机构来调整机械手的喷涂高度。移动小车水平移动调节机械手的水平喷涂位置。其结构如图2.3所示:图2.3 机械手及爬升机构2.4 本章小结 本章主要介绍了喷涂机械手的总体设计,分别机械手结构、动力方案、机械手整体移动方案进行设计。对于机械手结构,本文采用的是大小臂串联来回往复摆动的结构,这个方案结构紧凑,设计简单;而动力方案采用的是步进电机带动丝杠旋转进而产生大小臂的摆动进给的开环控制;考虑到经济型和可行性,机械手整体移动方案采用的是爬绳机构,这种机构具有
17、可靠、经济等特点,但是定位不精确,不过这对于实际的作业影响不大。3 机械手的详细结构3.1 机械手手臂结构设计工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度,手臂关节的转动范围有很大的关系,因此手臂尺寸设计要合理。为了提高机械手的运动速度和控制精度,应保证手臂有足够的强度和刚度,尽可能减少手臂重量。本文中初定大臂型号50301.5,两根各0.8m;小臂型号30301.5,两根各0.8m。大小臂布局图如图3.1,操作大小臂驱动机构都设计成曲柄滑块机构。图3.1 结构图在如图3.1所示的2处的丝杠与电机相连,3处的丝杠与丝杠螺母副相配合,当电机转动时,滚珠丝杠通过套筒式离合器与电机一起转动,此时由于丝杠螺
18、母副固定在底座上,所以丝杠就会带动电机以及大臂相对于底座进给,即完成大臂绕节点1的旋转。同样,在5处的丝杠与电机通过套筒式离合器相连,而4处的丝杠与丝杠螺母副相配合,电机转动带动丝杠一起转动,进而丝杠将转动转变为丝杠方向的进给运动,使小臂绕节点2旋转。这样2处和5处的电机就提供了完成喷头的上下运动,以及垂直于玻璃方向运动的动力。作业时,喷枪保持与壁面的适当的距离,约200 mm。其cad图如下:图3.2 手臂CAD图3.2 机械手末端执行机构的设计机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类有很多,以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计末端执行
19、器时,应注意如下几点:1) 机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。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不应超过机器人允许的负荷力。因此,要求机器人的末端执行器重量轻结构紧凑。3) 机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能的末端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现,例如,仿人手的万能机器人灵巧手,至今尚未实用化。目前,能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。4) 通用性和万能性是两个概念,万能
20、性是指一机多能的概念,而通用性是指功能有限的末端执行器,可适用于不同的机器人,这就要求末端执行器要有标准的机械接口(如法兰),使末端执行器实行标准化和积木化。本设计的末端执行模块(末端执行器)是对高空玻璃直接进行喷涂或洗刷,主要由水(药)箱、喷头组成,考虑到末端执行模块结构简单质量小的原则,设计方案中将水(药)箱脱离末端执行模块,而只是通过使用软管将水(药)送到喷头。另外,为了使喷头喷施更加均匀,设计中将喷头安装在电机上,使喷头在电机的带动下左右摆动,同时这样也可以扩大喷施的范围。所以机械手的末端执图3.3 末端执行模块行模块如图3.3所示。另外,喷头的技术参数如下:直径:5mm压力:7Mpa
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 机械手 结构设计
链接地址:https://www.31doc.com/p-3949820.html