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自由度工业机器人机械结构.doc
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自由度工业机器人机械结构.doc
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摘 要
7 自由度工业机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座
的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。由于有一个冗余自由度,很容易在确
保最佳焊接姿势的同时,避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。
本论 文首先根据机器人 持重 3kg 、工作范 围 1434mm 、本体 重量 150 kg ,确立
机器人为 S 腰部回转、L 小臂摆动、E 大臂回转、U 臂部俯仰、R 腕部扭转、B
腕部俯仰、T 腕部回转的 7 自由度关节型弧焊机器人的总体结构;分析机器人的
各个关节在转动惯量、角速度、加速度等技术指标下的工作状况,确定 7 个关节
都采用交流电机驱动、机器人手臂专用减速器传动,同时 B、T 腕部关节还用到
同步带传动。通过计算各关节所需电机的功率和转矩、减速器的减速比、同步带
的要求并选型;用 UG NX6.0 画出机器人的各关节三维仿真模型,并装配成型。
本课题研究具有广泛的实际意义和应用前景。设计的 7 自由度工业机器人为
后续的机器人动力学分析和运动控制提供了参考依据,并可以做进一步的研发。
关键词 :7 自由度,工业机器人,机械结构
I
7 自由度工业机器人机械结构设计
Abstract
7 dof industrial robots with large scope of work, flexible, compact structure, can
grab the object near the base are famous among so much designers and users. Because
there is a redundant freedom, it is easy to ensure the best welding position at the same
time, avoid workpiece and fixture work on the robot arm interference.
In this thesis, according to the robot puts up 3kg , the scope of work is 1434mm ,
body weight is 150kg ,establish 7 dof joint structure of arc-welding robot including
S
waist, L arm swing, E arm rotation, U pitching arm, R wrist turn, B wrist pitch, T wrist
rotation. Analysis of the various robot joints in moment of inertia, angular
velocity,
acceleration and other technical indicators of the work under the conditions identified
seven joints driven by AC motor, the robot arm dedicated reducer drive, while
B, T
wrist joint is also used in synchronous belt drive. Required by calculating the
joint
motor power and torque, reduction ratio reducer, belt requirements and selection; robot
with UG NX6.0 draw three-dimensional simulation model of each joint, and assembly
molding.
This research has extensive practical significance and application prospect. 7
dof
industrial robots designed for the follow-up dynamics analysis and motion control and
provide a reference, and can do further research and development.
Key words: 7 dof, industrial robot, mechanical structure
II
7 自由度工业机器人机械结构设计
目录
摘 要 ............................................................................................................................ I
Abstract..............................................................................................................................II
目录 ................................................................................................................................. III
第一章 绪论 ................................................................................................................... 1
1.1 课题背景 ............................................................................................................. 1
1.2 国内外工业机器人的发展概况 ......................................................................... 2
1.2.1 国内外工业机器人的发展现状..................................................................................2
1.2.2 工业机器人的发展趋势..............................................................................................4
1.3 课题来源 ............................................................................................................. 5
1.4 主要研究内容 ..................................................................................................... 6
第二章 7 自由度工业机器人总体方案设计 ..........................................................................7
2.1 机器人机械设计的特点 ..................................................................................... 7
2.2 与机器人有关的概念 ......................................................................................... 7
2.3 机器人的基本技术要求 ..................................................................................... 9
2.4 机器人手臂结构型式 ....................................................................................... 10
2.5 机器人结构方案的分析 ................................................................................... 12
2.5.1 7 自由度工业机器人的外形结构设计......................................................................12
2.5.2 7 自由度工业机器人的关节结构设计......................................................................15
2.6 机器人的驱动方式的选择 ............................................................................... 19
2.7 7 自由度机器人的控制系统 ............................................................................. 20
2.7.1 7 自由度工业机器人控制系统硬件部分..................................................................20
2.7.2 7 自由度工业机器人控制系统软件部分..................................................................21
2.8 本章小结 ........................................................................................................... 21
第三章 7 自由度工业机器人结构设计 .................................................................................22
3.1 引言 ................................................................................................................... 22
3.2 减速器类型选择 ............................................................................................... 23
3.3 同步带类型选择 ............................................................................................... 24
3.4 机器人结构设计 ............................................................................................... 25
3.4.1 T 腕部回转关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 ......................................25
3.4.2 B 腕部摆动关节交流伺服电机和减速器、同步带的选择 ......................................30
3.4.3 R 回转关节交流伺服电机和减速器的选择 ..............................................................36
3.4.4 U 回转关节交流伺服电机和减速器的选择 ..............................................................38
3.4.5 E 回转关节交流伺服电机和减速器的选择 ..............................................................40
3.4.6 L 摆动关节交流伺服电机和减速器的选择 ..............................................................42
3.4.7 S 腰部回转关节交流伺服电机和减速器的选择.......................................................44
3.4.8 电机、减速器、同步带选型总表............................................................................47
3.5 电机型号 ........................................................................................................... 48
3.5.1 SGMGH 系列 1500 转电机 ........................................................................................48
III
7 自由度工业机器人机械结构设计
3.5.2 SGMPH 系列 3000 转电机.........................................................................................49
3.6 本章小结 ........................................................................................................... 51
第四章 7 自由度工业机器人三维结构设计 ........................................................................52
4.1 机器人各个关节三维图 ................................................................................... 52
4.1.1 底座造型图 ...............................................................................................................52
4.1.2 S 腰部回转关节造型图 ..............................................................................................53
4.1.3 L 小臂摆动关节造型图 ..............................................................................................56
4.1.4 E 大臂回转关节造型图 ..............................................................................................60
4.1.5 U 臂部俯仰关节造型图..............................................................................................60
4.1.6 R 腕部扭转关节造型图..............................................................................................61
4.1.7 B 腕部俯仰关节造型图..............................................................................................62
4.2 机器人装配图 ................................................................................................... 65
4.3 本章小结 ........................................................................................................... 66
第五章 结论和展望 ....................................................................................................................67
5.1 结论 ................................................................................................................... 67
5.2 技术经济分析报告 ........................................................................................... 68
5.2.1 技术可行性分析 .......................................................................................................69
5.2.2 技术优越性分析 .......................................................................................................69
5.3 展望 ................................................................................................................... 69
参考文献 ......................................................................................................................... 71
致 谢 ............................................................................................................................. 73
声 明 ............................................................................................................................. 74
IV
7 自由度工业机器人机械结构设计
第一章 绪论
1.1 课题背景
机器人是典型的机电一体化装备,除了在制造业、农业、医疗、海洋开发、
航天工程等方面得到了越来越广泛的应用之外,也渗透到人们生活的各个方面,
随着工业机器人向更深、更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高,机器人
的应用范围还在不断地扩大。机器人产品技术附加值很高,应用范围很广,机器
人产业是正在快速成长中的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的
作用。国外专家预测机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产
业。在这样的背景下,机器人技术与相关方面人才的需求也迅速增加,各高校也
相应加大了对机器人技术人才的培养力度 。
研究并开发机器人是一项极其具有价值的科研工作。
工业机器人 一般需要六个自由度,它是机器人在工 作空间内,达到任意位置和方
向所需要的最少的数量。然而,六自由度机器人在跟踪特定位置和方向的能力受到
很大的 限制。因此,通 过增加自由度的 办法来提高它 的灵活性,大大 地克服了六自
由度机器人受到奇异构形空间、障碍物、关节运动极限和电机的转矩极限等一系列
运动学和动力学问题的限制。因此,七自由度冗余手臂是智能化机器人的一个重要
主题,而且有资料显示,未来的通用机器人一般应至少具有七个自由度 。
从“七五”科技攻关开始,我国将工业机器人及应用工程作为研究开发重点
之一,经过研制、生产、应用,实现了中国机器人产业“从无到有”。“十五”期
间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究开发,我国的机器
人技术已日趋成熟;市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展,此
外我国业已形成了几家具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。
但是,从整体上来说,我国机器人产业还很薄弱,机器人研究仍然任重而道
远。我国市场上机器人总共拥有量近万台,仅占全球总量的 0.56%,其中完全国
产机器人行业集中度仅占 30%,其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等
20 多个国家引进。究其原因,很大程度在于自主品牌不够,发展壮大自主品牌及
其自动化成套装备产业成为当务之急 。
由于常年以来发达国家对我国的技术封锁,尤其是对我国的工业技术部门。
因此对能应用于各行各业的 7 自由度工业机器人,我国有必要自主研制和开发。
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