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工业机器人抓取手臂的结构设计.doc
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工业机器人抓取手臂的结构设计.doc
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目 录
1 前言 .....................................................................1
1.1 工业机器人简介 .....................................................1
1.2 世界机器人的发展 ...................................................1
1.3 我国工业机器人的发展 ...............................................2
1.4 本设计的内容和目的 .................................................3
1.4.1 臂力的确定 ....................................................3
1.4.2 工作范围的确定 ................................................3
1.4.3 确定运动速度 ..................................................3
1.4.4 手臂的配置形式 ................................................4
1.4.5 位置检测装置的选择 ............................................4
1.4.6 驱动与控制方式的选择 ..........................................4
2 手部结构 .................................................................5
2.1 概述 ................................................................5
2.2 设计时应考虑的几个问题 .............................................5
2.3 驱动力的计算 .......................................................5
2.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 ...................................7
3 腕部的结构 ...............................................................8
3.1 概述 ...............................................................8
3.2 腕部的结构形式 .....................................................9
3.3 手腕驱动力矩的计算 .................................................9
4 臂部的结构 ..............................................................11
4.1 概述 ..............................................................11
4.2 手臂直线运动机构 ..................................................12
4.2.1 手臂伸缩运动 .................................................12
4.2.2 导向装置 .....................................................13
4.2.3 手臂的升降运动 ...............................................14
4.5 臂部运动驱动力计算 ................................................14
4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 ...................................15
4.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 ...................................16
4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 ...................................16
5 液压系统的设计 ..........................................................17
5.1 液压系统简介 ......................................................17
5.2 液压系统的组成 ....................................................17
5.3 机械手液压系统的控制回路 ..........................................17
5.3.1 压力控制回路 .................................................18
5.3.2 速度控制回路 .................................................18
5.3.3 方向控制回路 .................................................19
5.4 机械手的液压传动系统 ..............................................19
5.4.1 上料机械手的动作顺序 .........................................19
5.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍 ...............................20
5.5 机械手液压系统的简单计算 ..........................................22
5.5.1 双作用单杆活塞油缸 ...........................................22
5.5.2 无杆活塞油缸(亦称齿条活塞油缸) .............................25
5.5.3 单叶片回转油缸 ...............................................26
5.5.4 油泵的选择 ...................................................27
5.5.5 确定油泵电动机功率 N .........................................28
6 结束语 ..................................................................29
致 谢 .....................................................................30
参考文献 ..................................................................31
1 前言
1.1 工业机器人简介
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出
来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯(Taloas),犹太传说中的泥土
巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年
前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
到了近代 ,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机
器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到农业、林、牧、
渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及
的。
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备,也是先进制造技术领域不可缺
少的自动化设备。
1.2 世界机器人的发展
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:
(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。
(3).工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网
络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠
性、易操作性和可维修性。
(4).机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器
外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、
力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术
在产品化系统中已有成熟应用。
(5).虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥
控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6).当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机
器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机
器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统
成功应用的最著名实例。
(7).机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型
装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.3 我国工业机器人的发展
有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不
一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够
充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而
且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国的工业机器人从 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,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系
统硬件和软件设计技术、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(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂
的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一
定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线
系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约 200 台,约
占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器
人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通
用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决
产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极
推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中
最为突出的是水下机器人,6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直
接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、
力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但
是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、
机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成
绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十
五”后期立于世界先进行列之中。
1.4 本设计的内容和目的
1.4.1 臂力的确定
目前使用的机械手臂的臂力范围较大,国内现有的机械手的臂力最小为 0.15N,最大
为 8000N。本液压机械手的臂力为 N
臂
=1650(N),安全系数 K 一般可在 1.5~3,本机
械手臂取安全系数 K=2,定位精度为±1mm。
1.4.2 工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是
几个动作的合成,在确定的工作范围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行
程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下:
手腕回转角度±115°
手臂伸长量 150mm
手臂回转角度±115°
手臂升降行程 170mm
手臂水平运动行程 100mm
1.4.3 确定运动速度
机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时
间,进而确定各动作的运动速度。工业机器人抓取手臂要完成整个工作过程,需完成夹
紧工件、手臂升降、伸缩、回转,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规
定的时间内完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的
方案进行比较,才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长
的计算,分配各动作时间应考虑以下要求:
① 给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间;
② 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运
动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下,应尽量选取较底的运动速度。机械手的运动
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