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1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 第 6 頁(yè) 共 6 頁(yè)
1 緒論
1.1 選題背景
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置,它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來,隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù),它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展,使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用,在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ,加工工件的搬運(yùn)、裝卸,特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前,機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元F
2、MC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn),可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應(yīng)性很強(qiáng)[1]。當(dāng)工件變更時(shí),柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低,機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此,進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
1.2 設(shè)計(jì)目的
本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合,完
3、成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì),能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平,實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
本機(jī)械手主要與數(shù)控車床(數(shù)控銑床,加工中心等)組合最終形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工過程(上料、加工、下料)的自動(dòng)化、無人化。目前,我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)
展,越來越多的資金流向制造業(yè),越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間,滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求,從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約加工輔助時(shí)間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。
1.3 國(guó)內(nèi)外研究
4、現(xiàn)狀和趨勢(shì)
目前,在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn),其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下[2]:
(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。
(2) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)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。
(3) 機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳
5、感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
(4) 機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
(5) 焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。
總的來說,大體是兩個(gè)方向:其一是機(jī)器人的智能化,多傳感器、多控制器,先進(jìn)的控制算法,復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng);其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系,滿足相對(duì)具
6、體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人,主要采用性價(jià)比高的模塊,在滿足工作要求的基礎(chǔ)上,追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠,大量采用工業(yè)控制器,市場(chǎng)化、模塊化的元件。
1.4 設(shè)計(jì)原則
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是:以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo),充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練,盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件,以降低成本,同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則,同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí),如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感器、可編程控制器(PLC)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿
7、真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中,使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化,同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際,充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性,腳踏實(shí)地,實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。
2 設(shè)計(jì)方案的論證
2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu),圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu),球坐標(biāo)結(jié)構(gòu),關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn),分別介紹如下[3]。
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(a)由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制,所以,直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度(μ
8、m級(jí))。但是,這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講,是比較小的。因此,為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間,直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè),直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式,龍門式,天車式三種結(jié)構(gòu)。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(b)。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,精度還可以,常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,如
9、圖2-1(c)。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,如圖2-1(d)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸,其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè),都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu),有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
(a) 直角坐標(biāo)型 (b) 圓柱坐標(biāo)型 (c) 球坐標(biāo)型 (d) 關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式
2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案
10、
圖2-2 機(jī)械手工作布局圖
具體到本設(shè)計(jì),因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG,且長(zhǎng)度達(dá)500MM,同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求,考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下,盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮,機(jī)械手自由度數(shù)目取為3,坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式,即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度,其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。
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