六自由度焊接機器人設(shè)計
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開題論證報告
題目名稱:關(guān)節(jié)型機器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計
一、題目來源、題目研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
(一)題目來源:
本題目來源于生產(chǎn)實際,手工電弧焊接效率低,操作環(huán)境差,而且對操作員技術(shù)熟練程度要求較高,因此采用機器人技術(shù),實現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動化,以提高生產(chǎn)效率。而且,現(xiàn)在對許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時的火花及煙霧等,對人體造成危害,因此,焊接過程的完全自動化已成為重要的研究課題。其中,十分重要的就是要應(yīng)用焊接機器人。
(二)題目研究的主要內(nèi)容:
設(shè)計一個用于焊接的關(guān)節(jié)型機器人,進行機器人的總體方案設(shè)計、腰結(jié)構(gòu)設(shè)計及其零件設(shè)計。
關(guān)節(jié)型機器人的機械本體部分一般為由各種關(guān)節(jié)串接起若干連桿組成的開鏈?zhǔn)綑C構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)上的原因,其關(guān)節(jié)通常只有轉(zhuǎn)動型和移動型。關(guān)節(jié)型機器人主要特點是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu),因此本體結(jié)構(gòu)通常包括關(guān)節(jié)型機器人的機座結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和末端執(zhí)行器。我所做的課題偏重與機座和腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
弧焊機器人多采用占地面積小,動作范圍較大的關(guān)節(jié)型操作機,其靈活性大,能以最佳狀態(tài)決定焊槍的位置。
(三)國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述:
目前,對機器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。美國在機器人技術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位,日本生產(chǎn)的機器人數(shù)量和種類則居世界首位。我國發(fā)展機器人技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代末。1995年9月,6000m水下機器人試驗成功.近年來,在步行機器人、精密裝配機器人及多自由度關(guān)節(jié)型機器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。
自從第一臺工業(yè)機器人問世以來,機器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透,機器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機器人,如今機器人已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類科技的進步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機器人產(chǎn)生了密切的關(guān)系。人類社會的發(fā)展已經(jīng)離不開機器人技術(shù),而機器人技術(shù)的進步必然對推動科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當(dāng)前和今后的機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、對環(huán)境的自主性強、具有多種感覺能力的方向發(fā)展。機器人也正在逐漸具有智能。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上,其智能分析速度比普通計算機要快數(shù)千倍,能更好地完成識別語言和圖像處理等工作。
華中理工大學(xué)的熊臘森、彭振國、陳一堅和曹東杰教授合著的一篇論文,題為《IR761/125型點焊機器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用》,它主要介紹了IR761/125型點焊機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng);重點討論了該機器人的焊接生產(chǎn)應(yīng)用;提出了機器人的使用維護和故障處理建議。
南京機械??茖W(xué)校的徐錦康、邵群濤和劉啟芬合著的論文《XZ-I型弧焊機器人》主要介紹了XZ-I型機器人操作機結(jié)構(gòu)和機構(gòu)設(shè)計,位置交流伺服控制系統(tǒng)及計算機控制軟件特點,給出了主要算法。
二、本題目擬解決的問題
焊接機器人具有6個自由度:① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn);② 臂關(guān)節(jié)俯仰;③ 肘關(guān)節(jié)俯仰;④ 腕關(guān)節(jié)仰腕;⑤ 擺腕;⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計機器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機器人要實現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg,最大速度2m/s,最大工作空間半徑1500mm 。
在設(shè)計過程中要考慮到很多問題:① 機器人的六個關(guān)節(jié)采用何種驅(qū)動器;② 傳動比的選擇要合理;③ 同一軸上的軸承要保證很好的同軸度;④基座采用何種材料如何制造;⑤ 立柱與大臂如何聯(lián)接;⑥ 要有足夠大的安裝基面,以保證機器人工作時的穩(wěn)定性;⑦ 腰座承受機器人全部重量和工作載荷,應(yīng)保證足夠的強度、剛度和承載能力;⑧ 腰座軸系及傳動鏈的精度對末端執(zhí)行器的運行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面。
三、 解決方案及預(yù)期效果
(一)解決方案:
機器人大體采用PUMA型
1. 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計;
關(guān)節(jié)型機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu),它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體,驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高,可靠性好,能以較大的變速范圍滿足機器人應(yīng)用要求等特點。所以在這次設(shè)計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。
2. 速度和位置檢測;
3. 伺服控制系統(tǒng)選擇;
4. 工作空間的確定;
5. 機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計;
①內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜,既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座,又兼作承力骨架,傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料,減少加工量,又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接,使連接件減少,工藝簡單,減輕了質(zhì)量。
② 軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處,載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
③ 采用薄壁軸承與滑動銅襯套,以減少結(jié)構(gòu)尺寸,減輕質(zhì)量。
④ 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體,減少連接件,增加了傳遞剛度。
⑤ 大、小臂,手腕部結(jié)構(gòu)密度大,很少有多余空隙。如電機與臂的外壁僅有0.5mm間隙,手腕內(nèi)部齒輪傳動安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少,質(zhì)量減少。
⑥ 工作范圍大,適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外,它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動角度大,因此使它工作時位姿的適應(yīng)性強。譬如用手腕擰螺釘,手腕關(guān)節(jié)4,6配合,一次就能轉(zhuǎn)1112°。
⑦ 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動,調(diào)整齒輪間隙機構(gòu),彈性萬向聯(lián)軸器,工藝上加工精密,多用整體鑄件,使得重復(fù)定位精度高。
⑧ 機器人手臂材料的選擇:
機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求,機器人手臂要完成各種運動。因此,對材料的一個要求是作為運動的部件,它應(yīng)是輕型材料。而另一方面,手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動,這將大大降低它的運動精度。因此,在選擇材料時,需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮,以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。
機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時,不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看,即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料,如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的,又要具有很好的受控性,因此,要求手臂比較輕。綜合而言,應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中,非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等;金屬材料以輕合金為主。
⑨腰關(guān)節(jié)采用齒輪二級傳動??倐鲃颖葹?8,第一級傳動傳動比為4,第二級傳動比為12,主軸的角速度為3.82 rad/s。
(二)預(yù)期效果:
工作可靠,結(jié)構(gòu)簡單;裝卸方便,便于維修、調(diào)整;能很好的實現(xiàn)自動電弧焊的功能。
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自由度
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