四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计

四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计
四自由度圆柱坐标机器人机械手臂设计

四自由度圆柱坐标型工业机器人机械设计

摘要

在现代制造业中,工业机器人已成为不可或缺的核心自动化装备。工业机器人适应工作环境能力强,可担任各种类型各种强度的生产工作,精度高、速度快、易于控制,可显著提高生产的工业自动化水平。国工业机器人起步晚,市场占有率低,许多核心技术还没有掌握,可靠性低,应用围小,零部件互换性低。

现设计一种四自由度的圆柱坐标型机器人,能实现工件的上下搬运。该四自由度机器人由两个旋转自由度机构和两个平移自由度机构组成,根据机器人运动参数,选择足够功率的伺服电机,然后,估算驱使机构各自由度运动需要的力及扭矩,选择传动比合适且大小合适的减速器。通过伺服电机减速器驱动机构的运动,实现机器人腰部旋转,手臂的竖直升降,手臂的水平移动和末端操纵器的旋转。在机器人辅助系统的设计部分,还考虑了伺服电机导线坦克链的排布,机构零点位置的触发开关及其导线排布的设计。

关键词:四自由度,圆柱坐标,工业机器人,机械设计

Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical

Industrial Robot

Abstract

In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low.

The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary

system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration.

Key Words:4-DOF; Cylindrical coordinates; Industrial Robot; Mechanical design

目录

摘要 (ⅰ)

Abstract (ⅱ)

第一章引言 (1)

1.1 工业机器人 (1)

1.1.1 工业机器人的概念及特点 (1)

1.1.2 工业机器人的组成 (1)

1.1.3 国外发展状况 (2)

1.2 研究容 (2)

1.2.1 研究方法 (2)

1.2.2 研究成果 (2)

1.3研究意义 (2)

第二章机构结构设计 (4)

2.1 设计分析及方案拟定 (4)

2.1.1 设计要求 (4)

2.1.2 设计流程 (5)

2.1.3 方案拟定 (5)

2.2 主要结构件设计 (6)

2.2.1旋转平台结构 (6)

2.2.2滚珠丝杠结构 (7)

2.2.3中间连接器 (9)

2.2.4外壳设计 (11)

2.3受载变形校核 (11)

第三章传动机构设计 (13)

3.1腰部转动 (13)

3.1.1减速器选择 (13)

3.1.2伺服电机选择 (14)

3.1.3传动法兰盘设计 (15)

3.2竖直平移 (16)

3.2.1滚珠丝杠及螺母选择 (16)

3.2.2伺服电机选择 (18)

3.2.3联轴器选择 (19)

3.3水平平移 (20)

3.3.1滚珠螺母丝杠选择 (21)

3.3.2伺服电机选择 (21)

3.3.3联轴器选择 (22)

3.4手臂末端操纵器旋转 (23)

3.4.1伺服电机选择 (23)

3.4.2减速器选择 (24)

第四章辅助机构设计 (25)

4.1 坦克链线路设计 (25)

4.2 机构零点设计 (26)

第五章总结与展望 (28)

5.1 总结 (28)

5.2 展望 (28)

参考文献 (30)

致谢 (31)

附录 (32)

第一章引言

1.1工业机器人

1.1.1工业机器人的概念及特点

我国专家学者对于工业机器人的概念解释也各有不同,综合各方面的说法,从工业机器人能实现的功能来讲,工业机器人是有以下功能的机器:

(1)具有执行运动操作的机构;

(1)具有通用性,可实现多种运动操作;

(2)有一定程度的智能,能重复编程;

(3)有一定的独立性,一定程度上不依赖人的操纵。

1.1.2工业机器人的组成

工业机器人一般由机械系统和控制系统组成,四自由度圆柱坐标型工业机器人的机械系统组成由下图可知:

图1.1 四自由度圆柱坐标型工业机器人机械系统组成

(1)驱动机构:本次设计采用四个交流伺服电机驱动四个自由度。至于气压,液压驱动

的装置体积较大,因行程较大而不采用。

(2)执行机构:本次设计的执行机构主要包括底座、腰部机构、手臂机构和末端操纵器。采用丝杠螺母和行星齿轮减速器两种传动方式,能将旋转运动转换成直线运动或将高转速转换成低转速,再将动力传递给执行装置。

1.1.3国外发展状况

上世纪中叶,美国结合机械手和操作机两者的优势,开发了一种可自动执行动作的机械装置,称为工业机器人。60年代末,美国通用汽车公司采用机械手臂,建立了汽车焊接车身的自动化生产线。此后,工业机器人的研制和应用,受到各个工业发达国家的重视。日本又称为“机器人的王国”,可见日本的工业机器人产业非常发达,如今的日本在智能型工业机器人上取得了巨大成就。随后,工业机器人产业又开始在欧洲崛起[2]。

工业机器人在中国发展的很快,但相比世界上先进的工业机器人,技术差距依旧明显[3]。国工业机器人起步晚,相比国外先进技术,国工业机器人可靠性较低,应用领域较窄,生产线技术落后,零部件互换性低[4]。工业机器人且可用于环境恶劣,劳动强度高,劳动单调乏味的工作中,将人们从中解放出来。

1.2 研究容

1.2.1研究方法

现设计一种工业机器人,有四个自由度,采用圆柱坐标型,利用该种机器人实现工件的上下料搬运。本次设计主要设计机械系统部分。该机器人的四个自由度分别是腰部旋转、手臂竖直升降、手臂的水平伸缩和手臂末端操纵器旋转。由四个自由度确定各自传动方式,选择传动装置。确定机器人各个运动部件运动所需的功率,再选择合适的伺服电机和减速器。设计机械手臂整体结构采用的三维实体设计软件是SolidWorks 2013,对于分析机构的质量、质心等参数十分方便。

1.2.2研究成果

本次设计基本完成任务,具体成果如下:

(1)完成四自由度圆柱坐标型机器人的整体结构设计,包括基座、腰部旋转平台、竖直机身、水平手臂和末端旋转平台的设计;

(2)完成外壳包装的简单设计,完成机构零点和极限位置的传感器设计;

(3)完成机器人三维实体的装配,并绘制出机器人的二维工程图。

1.3研究意义

工业机器人已经是现代制造业中举足轻重的自动化机械,一些机械式的、工作环境恶劣危险的、没有创新性的作业完全可以由机器人替代人工完成。在金属热压加工中,需要人工作在加热的窑炉、冲压床、车床或钻床附近,工业机器人耐高温,程序写好就可以防止与其他加工工具碰撞,避免了工作中出现危险的可能[6]。

工业机器人能适应多品种中小批量生产,高精度高速度,容易控制,能显著提高生产自动化水平。目前小负载旋转臂机型工业机器人市场容量大、应用广泛[8]。

第二章机构结构设计

2.1设计分析及方案拟定

2.1.1设计要求

主要解决问题:按下表中参数的要求,设计一种四自由度圆柱坐标型工业机器人,完成该工业机器人的机械结构设计、驱动装置设计、传动装置设计、各自由度零点和极限位置设计及传感器选择:

表2.1 机器人设计参数

最大负载/kg 腰部、臂部回

转角度/o

伸缩行程

/mm

高度行程

/mm

最大旋转角

速度

/(rad·s-1)

最大移动

速度

/(m·s-1)

重复定位

精度

/mm

机器人的工作空间是指机器人正常工作时手臂末端操纵器能活动的围,可从上表推得,工作空间图如下:

图2.1 机械手臂工作空间

2.1.2设计流程

(1)分析四个自由度,选择适当的驱动方式、传动装置和机构件;

(2)用三维建模软件完成主要零件(包括所有结构件)的三维建模,并初步完成三维实体模型装配;

(3)对实体模型相关参数进行测量估算,按设计要求,最终确定电机、减速器、丝杠等产品参数,完成装配;

(4)对机器人运动进行动画仿真和受载分析,验证设计正确性;

(5)绘制二维工程图。

流程图如下图所示:

3 360 500 500 2 1 ±0.1

分析选择

驱动、传

动等三维建模

计算相关

参数

受载分析

确定产品

选择动画仿真

确定满足

参数要求

工程图生

图2.2 设计流程

2.1.3方案拟定

根据设计需求,设计出的工业机器人大致外形图如图2.1所示。

图2.3 工业机器人图

由上面的设计参数表可知,机器人手臂的行程是500mm,较大,宜使用电机作为驱动装置。考虑到步进电机精度不足,加速性能一般,易产生丢步或过冲,性能效果没有交流伺服电机好,又因为所设计的机械手臂起动频率高,且要求快速启停,需达到一定传动精度,因此选择交流伺服电机。

传动装置选择行星齿轮减速器传动和丝杠螺母传动,其中行星齿轮减速器用于腰部高扭矩低转速的传动,丝杠螺母用于手臂的水平和竖直平移传动。

确定机器人的机构简图,以确定机器人的整体结构,所设计的工业机器人的机构简图如下图:

图2.4 机器人运动简图

采用伺服电机和行星齿轮减速器实现机器人的腰部低转速旋转运动;考虑设计中水平方向移动行程500mm,相对较大,水平手臂前后平移也是利用伺服电机驱动滚珠丝杠旋转实现,将水平移动和竖直移动的两个螺母角度偏差90度放置,共同固定在一个十字型钢板结构件上,达到水平方向丝杠螺母水平不移动,丝杠前后移动的效果;将一小功率伺服电机和行星齿轮减速器连接,固定在水平手臂支撑板的一端,实现末端操纵器的旋转。

2.2主要结构件设计

设计的机器人主要结构包括旋转平台、滚珠丝杠、中间连接器、和外包装。

2.2.1旋转平台结构

旋转平台是腰部旋转的实现的基础,一般要求有足够的稳定性,结构要求便于装修。它将基座和上方的运动机构连接起来,承载运动机构的重量,旋转平台的设计对于机器人的平衡性有很大影响。

旋转平台结构如下图所示,

1)套筒2)PX85减速器3)向心圆柱滚柱轴承4)支撑套5)外支撑套

6)加强筋7)传动法兰盘8)固定套筒9)固定垫片10)止推轴承

图2.5 旋转平台结构图

支撑套支撑机身重量,外支撑套带动腰部转动。支撑套和外支撑套间的连接通过两个轴承实现:止推轴承承受整个机身的重力,向心圆柱滚柱轴承起到防止机构径向力失衡的作用。传动法兰盘用螺栓连接在外支撑套上,其圈有键槽,配合减速器输出轴,输出轴转动,带动法兰盘和外支撑套转动。减速器用螺栓连接至支撑套上,输出轴伸出,旋上螺母,压紧外支撑套,实现腰部的轴向固定。

2.2.2滚珠丝杠结构

滚珠丝杠结构实现了手臂的上下和前后平移,结构如图所示:

图2.6 滚珠丝杠机构

丝杠安装采用两端支撑方式,两端各装有一个角接触球轴承(22-8-7,32-15-9),轴承由其两端的轴承座固定,轴承座安装应使丝杠轴线与支撑板平行。轴承座自行设计,其三维模型如下图:

图2.7 轴承座

导轨为滚珠丝杠结构提供了足够的支撑力。导轨首先选择滚珠型直线导轨,主要考虑其轨宽和轨长,滑块主要是确定类型和数量。导轨选择轨宽15mm,轨长根据工作行程需求选择600mm。滑块选择四方型滑块,其结构及总体尺寸如下图所示:

图2.8 四方型滑块

由于支撑板是主要承载部件,需要校核支撑板的受压稳定性。分析支撑板受力,支撑板

可以看作下端固定上端自由的压杆,压力为机身的重力,作用点在机身的中心位置,如下图所示:

图2.9 支撑板压杆模型

临界压力的公式为

2cr 2EI F (L)π=μ (1)

式中:F cr 是临界压力;E 是支撑板材料45钢的弹性模量,一般是196-216GPa ;I 是支撑板的惯性矩,可由三维模型的质量属性得到,40067 kg ·mm 2;μ是长度系数,对于一端固定一端自由的情况,μ值为2.1;L 是支撑板长度600mm 。计算得到,F cr =4.98×1010N ,远大于实际所受重力。

2.2.3中间连接器

(1)中间连接器的设计

中间连接器是连接水平丝杠和竖直丝杠的装置,它将由竖直丝杠螺母机构旋转而产生的竖直方向的位移,传递给水平丝杠螺母机构,使得手臂能够正常上下移动。中间连接器由两个螺母滑块连接器和一块中间连接板组成,相互之间用六角螺栓连接,其结构如下图所示。

图2.10 中间连接器

螺母滑块连接器自行设计,材料选择45钢,其制造工艺流程简单来说是铸造、铣平面、钻孔、攻螺纹。其安装尺寸由上述滚珠丝杠的螺母及滑块位置决定,外形如下图所示。

图2.11 螺母滑块连接器

图2.12 中间连接板

(2)中间连接板的强度校核

中间连接板主要需校核其与螺栓接触面上的挤压应力,挤压的强度条件是

bs

bs

bs

F

[]

A

≤(2)式中:F bs是挤压力,A bs是挤压面面积,[σbs]是挤压许用应力。

由中间连接器的三维模型可知,工作中的连接板与16个螺栓相互接触,螺栓直径3mm,连接板厚度5mm,单个螺栓对连接板的挤压面的面积A bs为15×10-6m2。

图2.13 连接板受力图

总的挤压力F为水平手臂的重力,由Solidworks三维建模,经过测量得到质量m不大于15kg,因此单个螺栓孔受到挤压力为

F bs=mg/16=9.2N (3)

因此,运算得到挤压许用应力

[σbs]≥0.613MPa (4)查表,可知钢材的挤压许用应力[σbs]≈355MPa,远大于最低要求。

2.2.4外壳设计

机器人外壳外形图如图所示,其主要作用是滚珠丝杠的防尘,导线线路的排布和整体机型的美观。外壳采用铝合金蒙皮包装,蒙皮厚度为3mm,质量轻。材料塑性好,采用锻压加工工艺,锻压成型。再以钻头打螺栓孔,以便于安装固定。为方便制造,将整体的外壳分

成三段,分别制造。

外壳及其总体尺寸如下图所示:

图2.14 外壳图

2.3受载变形校核

受载变形校核可简单的由模型模拟机器人的末端受载时的挠度,得到形变偏移值。应用Solidworks Simulation的有限元分析功能,简单分析弯曲变形。

根据机器人结构受力情况分析,主要是支撑板、丝杠、导轨等结构同时承载负载重量,因此受载的模型可简化如下图:

图2.15 简化的受载模型

下端做固定端,右上端的伸出端受向下的负载3kg,及30N的力,材料统一选择合金钢,其弹性模量是2.1×1011N/m2。运行结果为最大位移量0.0392mm,基本满足重复定位精度±0.1mm的要求。详见附录1。

第三章传动系统设计

传动系统设计主要是传动方式的确定,驱动电机的选择,减速器的选择以及其他辅助传

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毕业设计论文 四自由度搬运物料工业机器人的设计 摘要:在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人,用于给冲压设备运送物料。首先,本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构,然后选择合适的传动方式、驱动方式,搭建机器人的结构平台;在此基础上,本文将设计该机器人的控制系统,包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计,重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性,最终实现的目标包括:关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词:机器人示教编程伺服制动

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四自由度气动机械手概要

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1绪论 1.1工业机械手的概述 机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械装备,机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发展起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.2机械手的组成及分类 1.2.1机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1所示

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四自由度机械手控制系统设计

前言 可编程控制器是20世纪70年代以来,在集成电路,计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点,国外已广泛应用于自动化控制的各个领域,并已成为现实工业生产自动化的支柱产品。近年来,国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快,除有许多从国外引进的设备,自动化生产线外,国内的机床设备已越来越多采用PLC控制系统采用控制系统取代传统的继电—接触器控制系统小;价格上能与继电—接触器控制系统竞争;易于在现场变更程序;便于使用、维护、维修;能直接推动电磁阀,接触器与之相当的执行机构;能向中央执行机构;能向中央数据处理系统直接传播数据等。 本课题是基于PLC控制四自由度机械手运行。 工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,它可以代替手的繁重劳动,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。有着广阔的发展前途。本课题通PLC自动控制对机械手实现机械手规定动作并实现回原点、手动方式和自动方式三种工作方式的选择,并对系统进行运行效率分析。

摘要 随着工业机械手的进一步发展,其发展将更趋向于人性化、智能化并将在更加广泛的领域得到应用。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器,它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力,受到人们的广泛重视和欢迎。工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,提高劳动生产率和自动化水平。通过对机械制造与自动化大学专科三年的所学知识进行整合,对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析,确定机械手的工作原理和运动机理。设计了一种四自由度机械手,采用可编程序控制器(PLC)设计其控制系统,以提高其工作的稳定性能。 关键词:机械手梯形图 PLC 电磁阀 Abstract With the further development of industrial robots, and its development tends to be more humane, intelligent and in a wider range of applications. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role .Manipulator noted extensively and welcome by people for it has powerful vitality. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level.Mechanical manufacturing and automation through the junior college for three years to integrate the knowledge of industrial manipulator mechanical structure and function of various parts of exposition and analysis to determine the robot motion principle and mechanism.Design a four-DOF manipulator to enhance the stability of their work for using the programmable logic controller to control system. Keywords: Manipulator Ladder diagram PLC Solenoid valve

3个自由度机械手

优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械装备,机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类:第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的,称为操作机。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。第三类是用专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动;除少数以外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。 在国外,目前主要是搞第一类通用机械手,国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。 1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977年底,其中一半是国产,一半是进口。

最新坐标式机械手的设计

坐标式机械手的设计

毕业设计 专业: 班级: 姓名:学号: 山东技师学院

目录 第一章机械手的原理 (1) 1.1 机械手的概述 (1) 第二章设计要求 (11) 1.1控制要求 (11) 1.2 I/O编址并画出工作框图 (12) 1.3 编程并调试 (12) 1.4 I/O端子接线图 (12) 第三章工艺过程 (13) 第四章操作面板布置 (14) 第五章输入/输出端子地址分配 (15) 第六章程序规划及编制 (16) 第七章单操作工作的程序 (17) 将加载开关扳到“上/下”档,按下启动按钮,下降;按停止按钮,上升。 (17) 第八章自动操作程序 (17) 第九章 PLC外围端子接线图 (21) 第十章总结 (22) 参考文献 (23)

第一章机械手的原理 1.1机械手概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备. 机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉

四自由度搬运机械手的设计毕业论文

四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物,它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域,随着近几十年来计算机在科技领域全面应用,科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展,并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽,特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹,所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作,除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作,特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下,机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力,将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来,这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革,在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高,与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛,但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域,价格也相对昂贵,不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手,填补这一领域市场的空白,这对

于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中,机械手在模型设计上,四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型,在技术上,四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现,在应用层面上,四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足,在成本上,四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本,也就说其性价比相对较高,所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品,从较高应用层次来说,机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备,特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现,其发展历史并不算太长,机械手最早起源于美国,接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展,然而我国近十年来虽然工业发展迅猛,可机械手在工业领域的应用才刚刚起步,机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距,特别实是在机械手的高端应用领域,主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进,这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”,越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来,互联网技术飞速发展,工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革,从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”,再到“中国制造2025”,世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变,在此历

圆柱坐标机械手结构设计概述

圆柱坐标式三自由度机械手 摘要 机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。 本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动),也确实是所讲的三个自由度。该机构中立柱可相关于机座旋转180度,回转速度15r/min,可水平伸缩距离400mm,移动速度约0.2m/s,机械手可上下垂直运动,其垂直升降量1000mm,移动速度约0.15m/s,机械手最大夹持重量10kg,所夹持工件为圆柱形,直径范围:

Ф30mm—Ф120mm。 本设计的旋转运动采纳摆动液压马达(旋转液压缸)驱动,水平伸缩运动采纳液压缸驱动,垂直升降运动仍采纳液压缸驱动。 关键词:三自由度,圆柱坐标式,工业机器人,机械手

CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OF THREE DEGREES OF FREEDOM ABSTRACT A robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to

move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task. This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight

曲轴加工搬运机械手毕业设计(圆柱坐标)

第1章绪论 1.1工业机械手概况 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。 而机械手臂的研究,开发和设计是从二十世纪中叶开始的。我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”,“八五”科技攻关,目前已经基本掌握了机械手的设计制造技术,控制系统硬件及软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆,弧焊,点焊,装配,搬运等机器人.其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用,弧焊机器人已经应用在汽车制造企业的焊装生产线上。但总的来看,我国的工业机械手技术及其工程应用水平和国外比还有一定得距离,如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件,硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业,其中汽车工业占第一位(占28.8%),电器制造业第二位(占16.4%),化工第三位(占11.7%)。发达国家汽车行业机械手应用占保有量百分比为23.4%-53%,年产每万量汽车所拥有的机械手数为(包括整车和零部件):日本88.0台,德国64.0台,法国32.2台,英国26.9台,美国33.8台,意大利48.0台。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有2~3个自由度

四自由度机械手设计

四自由度机械手设计 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

摘要 在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人,用于给冲压设备运送物料。首先,本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构,然后选择合适的传动方式、驱动方式,搭建机器人的结构平台;在此基础上,本文将设计该机器人的控制系统,包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计,重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性,最终实现的目标包括:关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词:机器人,示教编程,伺服,制动 ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and

坐标式机械手的PLC梯形图控制程序设计与调试

现代控制技术及PLC控制课程设计 姓名 学号 2 班级机电101 院别机械工程学院 指导教师 2013年7月5日

目录 第一章设计要求 (01) 1.1控制要求 (02) 1.2I/O编址并画出工作框图 (03) 1.3I/O端子接线图 (03) 第二章工艺过程 (04) 第三章操作面板布置 (05) 第四章程序规划及编制 (06) 第五章单操作工作的程序 (07) 第六章自动操作程序 (11) 第七章PLC外围端子接线图 (23) 第八章元器件清单 (24) 第九章总结 (25) 参考文献 (26)

第一章设计要求 图1 坐标式机械手动作原理图 1.1控制要求 如图1所示,将物体从位置A搬至位置B 机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制及自动控制或半自动控制,以便对设备进行调整和检修。图2是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前,机械手处于原始位置,条件是机械手在高位、左位。 (1)动作顺序:机械手从原点位置下移到A处下限位→从A处夹紧物体后上升至上限为→右移至右限位→机械手下降至B处下限位→将物体放置在B处后→上升 至上限位→左移至左限位(原点)为一个循环。 (2)上限、A、B下限、左限、右限分辨有限位开关控制;机械手设立起动和停止开关。

(3)机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时,均应有状态显示。 (4)机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时,然后上升;机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时,然后进行下一个动作。 (5)若机械手停止时不在原点位置,可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移,使之回到原点。 (6)要求循环120次后自动停止工作并警铃报警。 1.2I/O编址并画出工作框图 输入: 起动按钮:I0.0 停止按钮:I0.6 输出: Q0.0 下降 Q0.1 上升 Q0.2 夹紧 Q0.3 右转 Q0.4 左转 Q0.5 原点指示 1.3I/O端子接线图 该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200CPU224,图3是S7-200CPU224输入/输出端子地址分配图。该机械手控制系统共使用了14个输入点,6个输出点 启动 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 S7-200 CPU224 上限下限 左限右限停止 上升Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 下降 左转 右转 夹紧 无件 单操作步进单周期连续左右 上下夹松I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 工作方式选择 加载选择Q0.5原点指示 图3 机械手的输入/输出接线图

六自由度机械手设计

机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者: 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师:高雪官 2006616

、八— 刖言 在工资水平较低的中国,制造业尽管仍属于劳动力密集型,机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣,因为他们要面对工人流失率高,以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性,提高品质。另 外,让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定, 而且也更加安全。同时,不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步,市场的发展,机械手的广泛应用已渐趋可能,在未来的制造业中,越来越多的机械手将 被应用,越来越好的机械手将被创造,毫不夸张地说,机 械手是人类是走向先进制造的一个标志,是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大,结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。

目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录(零件及装配图)31

单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计

XX大学 毕业设计(论文) 单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计 专业: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 年月

摘要 近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成,是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量,提升生产的效率,改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃,应用非常广泛的领域。 机械手具有很多人类所不具有的能力,包括快速分析环境能力;抗干扰能力强,能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物,它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今,机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。 随着机械手技术的快速发展,工业机械手的应用范围正在不断扩大,提出了新要求,为提高机械手教学教育的水平,我们研制出一套以实验教学为目的的机械手演示系统。 本文阐述了机械手的发展历史,国内外的应用状况,及其巨大的优越性,提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。 关键词:机械手;工业;传动;强度

Abstract From the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field. The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry. With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system. This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation; Key Words: robot; industrial; transmission; strength

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