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搬运机器人设计说明书.doc
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1 绪论
1.1 研究背景与意义
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械
制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新
兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手
也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的
作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应
性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛
的发展空间
[1-3]
。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分
的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和
位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,
从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业
生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物
力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的
场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,
受到机械工业的重视。
图 1-1 生产线上的机械手
Fig.1-1 The manipulator on the production line
进入 21 世纪,随着我国人口老龄化的提前到来,近来在东南沿海还出现大
量的缺工现象,迫切要求我们提高劳动生产率,提高我国工业自动化水平势在
必行。工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能,
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,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。实践证明,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,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。工
业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作,采用机械手是
有效的。此外,它能在高温、低温、深水、放射性和其他有毒、污染环境条件
下进行操作以保护人身安全,更显示其优越性,有着阔的发展前途。
1.2 工业机械手的简史
用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。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。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械
制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新
兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手
也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的
作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应
性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛
的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分
的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和
位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,
从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业
生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物
力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的
场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,
受到机械工业的重视。
现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初,是基于示教再现和主从控制方
式、能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。
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。他的结构是:机体上安装回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,
控制系统是示教型的。
1962 年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之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)。运动系统仿造坦克炮塔,臂回转、
俯仰,用液压驱动;控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就
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
(Unimaton),专门生产工业机械手。
图 1-2 世界上第一台工业机械手
Fig.1-2 The world's first industrial robots
1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手,原意是灵活
搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、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-Vic-arm 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,
定位误差可小于±1 毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。如 Unimate
公司建立了 8 年机械手试验台,进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间
(注:故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障
前的平均运行时间),由 400 小时提高到 1500 小时,精度可提高到±0.1 毫米。
图 1-3 六自由度机械手
Fig.1-3 Six degrees of freedom manipulator
德国机器制造业是从 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。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。
瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种
典型机械手后,大力研究机械手的研究。据报道,1979 年从事机械手的研究工
作的大专院校、研究单位多达 50 多个。1976 年个大学和国家研究部门用在机械
手的研究费用 42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元,产量为 14535 台。
其中固定程序和可变程序约占一半,达 222 亿日元,是 1978 年的二倍。具有记
忆功能的机械手产值约为 67 亿日元,比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17
亿日元,为 1978 年的 6 倍。截止 1979 年,机械手累计产量达 56900 台。在数
量上已占世界首位,约占 70%,并以每年 50%~60%的速度增长。使用机械手最
多的是汽车工业,其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。
1978 年,日本山梨大学牧野洋发明 SCARA,该机器人具有四个轴和四个运
动自由度,(包括绕 X,Y,Z 方向的旋转自由度和沿 Z 轴的平移自由度)。该系列
的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度,而在剩下的其余两个方向上
具有无限大刚度。
如今 SCARA 机器人
[4]
还广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、
药品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作。它的第一
个轴和第二个轴具有转动特性,第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同,
制造成相应多种不同的形态,并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。
由于其具有特定的形状,决定了其工作范围类似于一个扇形区域。
图 1-4 日本的 SCARA 机器人
Fig.1-4 Japan's SCARA robot
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、
触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,
使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计
算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible
Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要
一环。
1.3 国内外机械手研究现状与发展趋势
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和
维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的
6.5 万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减
速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整
机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
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