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三自由度直角坐标工业机器人设计.doc
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三自由度直角坐标工业机器人设计.doc
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1 设计任务描述
1.1 设计题目:三自由度直角坐标工业机器人设计
1.2 设计目的
(1)了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技
术。
(2)初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应
用于工业机器人的设计中。
(3)通过学习,掌握工业机器人的驱动机构、控制技术,并使机器人能独立执
行一定的任务。
1.3 基本要求
(1)要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人;
(2)要求设计机器人的机械机构(示意图),传动机构、控制系统、及必需的内
外部传感器的种类和数量布局。
(3)要有控制系统硬件设计电路。
1.4 发挥部分
2 设计思路
工业机器人是一种机体独立,动作自由度较多,程序可灵活变更,能任意定位,
自动化程度高的自动作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸
工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体,与人相比,可以有更快的运动速
度,可以搬运更重的东西,而且定位精度相当高,它可以根据外部来的信号,自动
进行各种动作。
直角坐标机器人,它由水平轴(X 轴,Y 轴),垂直轴 Z 轴及驱动电机组成。
此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓,下面分别予以介绍:
1.直线运动轴
也叫直线运动单元,它就是一个独立的运动轴,主要由支撑载体的铝型材
或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运
动的同步带组成。
2.运动轴的驱动系统
直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动,同步
带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于 60Or/min 时通常选用
步进电机,否则选用交流伺服电机。
3.直角坐标机器人的控制系统
机器人要在一定时间内完成特定的任务,在完成抓取,加速运动,高速运
动,减速运动,释放工件等同时,还要与相关的设备通过通讯或 I/O 口实现一些
时序上的协调同步。另外在涂胶应用上,各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。
因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O 口数量和软件功能。
通常选用数控系统,PLC,工控机加运动控制卡和带轴卡功能及 I/O 口的驱动电
机来做控制系统。
4.直角坐标机器人的末端操作器—手爪系统
根据其具体应用情况,其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动
夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可
以一次抓取多个工件。
3 设计方框图
4 直角坐标机器人的硬件设计
4.1 直角坐标机器人介绍
接近觉传感器
转速传感器
传感器信号调理电路
A/D 转换器
计算机
人
机
交
互
系
统
机
器
人
控
制
器
PI
D
控
制
算
法
距
离
控
制
算
法
电动马达
4.1.1 直角坐标机器人的主要特点
直角坐标机器人主要由一些直线运动单元,驱动电机,控制系统和末端操作
器组成。针对不同的应用,可以方便快速组合成不同维数,各种行程和不同带载
能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单
的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从食品
生产到汽车装配等各行各业的自动化生产线中,都有各式各样的直角坐标机器人
和其它设备共同严格同步协调的工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的
工业自动化任务。下面是其主要特点:
1 任意组合成各种结构样式,带载能力和尺寸的机器人,
2 采用多根直线运动单元级连和齿轮齿条传动,可以形成几十米的超大行程机器
人。
3 采用多根直线运动单元平连及各带多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
4 其最大运行速度可达到每秒 8 米,加速度可达到每秒 4 米。
5 重复定位精度可达到 0.05mm~0.01mm。
6 采用带有 RTCP 功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂轨迹的工作。
4.1.2 直角坐标机器人的分类
1.按用途分:焊接机器人、码垛机器人、涂胶(点胶)机器人、检测(监测)机
器人、分拣(分类)机器人、装配机器人、
排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。
2.按结构形式分:壁挂(悬臂)机器人、龙门机器人、倒挂机器人等
3.按自由度分:两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、
六坐标机器人。
4.1.3 直角坐标机器人的应用
因末端操作工具的不同,直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设
备,完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、
贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用
于多品种,便批量的柔性化作业,对于稳定,提高产品质量,提高劳动生产率,
改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用。
4.2 三自由度直角坐标机器人的硬件设计
4.2.1 机械结构
工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。每一大
件都有若干自由度,构成一个多自由度的机械结构。
若基座具备行走机构、则构成行走机器人;若基座不具备行走及腰转机构,
则构成单机器人臂(Single Robot Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末
端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件,它可以是二手指或多手指的手抓,
也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。
工业机器人的坐标形式多种多样,按坐标形式来分的话有:直角坐标型、圆
柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。
在本次设计中我们要设计的机器人为三坐标直角坐标机器人,这种机器人由
三个线性关节组成,这三个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的
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