基于UG四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【三維UG】
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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 機(jī)器人研究背景
1.1.1 制造業(yè)的發(fā)展使機(jī)器人“被迫”由科幻走入現(xiàn)實(shí)
以自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)為標(biāo)志,世界范圍內(nèi)的制造業(yè)革命于20世紀(jì)50年代拉開(kāi)帷幕。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)自動(dòng)化的概念幾乎是“用機(jī)器人代替人”的同義語(yǔ)。機(jī)器人就是為適應(yīng)當(dāng)時(shí)制造規(guī)模化生產(chǎn)的需要而誕生的,其最早應(yīng)用于汽車業(yè),在解決單調(diào)、繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高產(chǎn)品質(zhì)量上,發(fā)揮了巨大的作用。
1.1.2 信息技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了“高速軌道”
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),集成了多學(xué)科的發(fā)展成果,代表高技術(shù)的發(fā)展前沿,是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向。隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步,機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快,智能度越來(lái)越高。
1.1.3 高危領(lǐng)域?qū)C(jī)器人技術(shù)飛躍提出客觀要求
由于軍事、空間技術(shù)、核廢料處理以及水下探險(xiǎn)等,人類難以介入的高危領(lǐng)域發(fā)展的迫切需要,引起了各國(guó)政府對(duì)機(jī)器人研究的重視,同時(shí)也激發(fā)了各國(guó)科學(xué)家們的研究熱情[1]。
1.2 機(jī)器人的定義
1.2.1 世界機(jī)器人的定義
“機(jī)器人“是存在于多種語(yǔ)言和文字的新造詞,它體現(xiàn)了人類長(zhǎng)期以來(lái)的一種愿望,即創(chuàng)造出一種像人一樣的機(jī)器或人造人,以便能夠代替人去進(jìn)行各種工作。
盡管直到三十多年前,“機(jī)器人”才作為專有名詞加以引用,然而機(jī)器人的概念在人類的想象中卻以存在三千多年了。早在我國(guó)西周時(shí)代(公元前1066—公元前771年),就流傳有關(guān)巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)歌舞機(jī)器人的故事。我國(guó)東漢時(shí)期(25—220年),張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機(jī)器人雛形。作為第一批自動(dòng)化動(dòng)物之一的能夠飛翔的木鳥(niǎo)是在公元前400年至350年間制成的。公元前3世紀(jì),古希臘發(fā)明家戴達(dá)羅斯用青銅為克里特島國(guó)王邁若斯塑造了一個(gè)守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書籍中,描寫過(guò)一個(gè)具有類似機(jī)器人角色的機(jī)械化劇院,這些角色能夠在宮廷儀式上進(jìn)行舞蹈和列隊(duì)表演。人類歷史進(jìn)入近代史之后,出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命和科學(xué)革命。隨著各種自動(dòng)機(jī)器、動(dòng)力機(jī)械的問(wèn)世,制造機(jī)器人開(kāi)始由夢(mèng)想轉(zhuǎn)入現(xiàn)實(shí),許多機(jī)械式控制的機(jī)器人,主要是各種精巧的機(jī)器人玩具和工藝品應(yīng)用而生。
進(jìn)入20世紀(jì)后,機(jī)器人已躁動(dòng)于人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的母胎之中,人們含有幾分不安的期待著它的誕生。他們不知道即將問(wèn)世的機(jī)器人將是個(gè)寵兒,還是個(gè)怪物。1920年,捷克劇作家卡雷爾?查培克(Karel Capek)在他的幻想情節(jié)劇《路薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中,第一次提出了“robot”這個(gè)詞。在劇中,他把機(jī)器人描述成與人相似但能不知疲倦地工作的機(jī)器,最終機(jī)器人背叛它們的創(chuàng)造者而消滅了人類。各國(guó)對(duì)機(jī)器人的譯法,幾乎都從斯洛伐克語(yǔ)“robota”音譯為“羅伯特”,只有中國(guó)譯為“機(jī)器人”。1950年,美國(guó)著名科學(xué)幻想小說(shuō)家阿西莫夫在他的小說(shuō)《我是機(jī)器人》中,提出了有名的“機(jī)器人三守則”:
(1)機(jī)器人必須不危害人類,也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀;
(2)機(jī)器人必須絕對(duì)服從于人類,除非這種服從有害于人類;
(3)機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害,除非為了保護(hù)人類或者是人類令它做出犧牲。
這三條守則,給機(jī)器人社會(huì)賦以新的倫理性,并使機(jī)器人概念通俗化,更易于為人類社會(huì)所接受。至今,它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和用戶,提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。
而現(xiàn)實(shí)世界里,機(jī)器人在國(guó)際學(xué)術(shù)界至今也沒(méi)有做出統(tǒng)一的、公認(rèn)的、文字嚴(yán)格的定義。不同的專家往往給以各有側(cè)重的說(shuō)法,不同的國(guó)家也往往沿用各自習(xí)慣的解釋。
機(jī)器人的定義處在不斷的發(fā)展變化之中。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)認(rèn)為,機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)S醚b置,通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù),并具有編程能力的多功能機(jī)械手(Manipulator)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)(JIRA)認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(End Effector)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)給出的定義是,機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手,這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸,能夠借助于可變程序造作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置,以執(zhí)行多種任務(wù)。
1.2.2 我國(guó)機(jī)器人的定義
關(guān)于我國(guó)機(jī)器人的定義。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)也面臨討論和制定關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題,其中包括對(duì)機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議吧機(jī)器人定義為“一種幾人功能的機(jī)械電子裝置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。因此,我們參考各國(guó)的定義,結(jié)合我國(guó)情況,對(duì)機(jī)器人做出統(tǒng)一的定義:
我們認(rèn)為機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能,可以代替人完成特定任務(wù)的一種自動(dòng)化機(jī)電裝置[2]。
由此可見(jiàn)對(duì)于“機(jī)器人”的定義是仁者見(jiàn)仁,智者見(jiàn)智,但被國(guó)際普遍接受的是由美國(guó)“機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)”(RIA)的一批科學(xué)家于1979年提出的定義:機(jī)器人是一種可改編程序的多功能操作機(jī)構(gòu)、用以按照預(yù)先編制的能完成多種作業(yè)的動(dòng)作程序運(yùn)送材料、零件、工具或?qū)S迷O(shè)備。
1.3 機(jī)器人的分類
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展,極大的促進(jìn)了機(jī)器人研究水平的提高??茖W(xué)家們?yōu)榱藵M足不同用途和不同環(huán)境下作業(yè)的需要,把機(jī)器人設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和外形,以便讓他們?cè)谔厥鈼l件下出色的完成任務(wù)。但對(duì)于龐大的機(jī)器人家族,目前尚未有統(tǒng)一的分類方法,常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分類:
1.3.1 按照機(jī)器人從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展程度分類
(1)第一代機(jī)器人(20世紀(jì)60年代) 主要指能以“示教—再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人,其特征是機(jī)器人能夠按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。
(2)第二代機(jī)器人(20世紀(jì)70年代) 具有一定的感覺(jué)功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人,能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析,機(jī)器人做出一定的推理,對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制,表現(xiàn)出低級(jí)的智商。
(3)第三代機(jī)器人(20世紀(jì)80年代中期以后) 智能機(jī)器人,這種機(jī)器人帶有多種傳感器,能夠?qū)鞲衅鞯玫降男畔⑦M(jìn)行融合,能夠有效適應(yīng)環(huán)境變化,具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能[3]。
1.3.2 按照機(jī)器人所完成的主要功能分類
(1)操作機(jī)器人 這是目前工業(yè)應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人,絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人屬于這一類。其特點(diǎn)是模仿人手和手臂的動(dòng)作,完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、打磨、拋光、檢測(cè)、裝配等工藝操作。
(2)移動(dòng)機(jī)器 人在工業(yè)生產(chǎn)中輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人及步行機(jī)器人常用來(lái)完成運(yùn)輸及上、下料等任務(wù)。比如管道機(jī)器人、水下機(jī)器人、采掘機(jī)器人等等。這種機(jī)器人多半都裝有操作手和攝像系統(tǒng),以完成操作并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視[4]。
(3)信息機(jī)器人 這是指以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能行為模擬裝置。廣義地說(shuō),這類機(jī)器人包括專家系統(tǒng)、翻譯機(jī)、作曲機(jī)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、指紋識(shí)別機(jī)譯及信息決策系統(tǒng)等。
(4)人機(jī)機(jī)器人 這類機(jī)器人和人之間存在雙向閉環(huán)聯(lián)系,包括聯(lián)肢機(jī)械手,裝在人腿上的助行機(jī)械足,生物電控或聲控假肢等[4]。
1.3.3 按照機(jī)器人的開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的分類
按照機(jī)器人的開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的分為工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人、智能型機(jī)器人和特種機(jī)器人,習(xí)慣將后三種機(jī)器人統(tǒng)稱為先進(jìn)機(jī)器人。
(1)工業(yè)機(jī)器人:機(jī)器人的本體主要是一只機(jī)械手臂,它直接操作的對(duì)象是末端執(zhí)行器,它隨操作對(duì)象的形狀和材料不同而制成各種各樣。
(2)操縱型機(jī)器人:這類機(jī)器人是由一類由人操縱進(jìn)行工作的機(jī)器人,由操縱人員在工作中不停地向機(jī)器人發(fā)送操縱指令,在智能和適應(yīng)能力方面輔助機(jī)器人完成復(fù)雜的作業(yè),機(jī)器人把操作對(duì)象和作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)直接地或間接地反饋給操縱人員,操縱人員據(jù)此控制機(jī)器人行為。
(3)智能機(jī)器人:這類機(jī)器人是指本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài),能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來(lái)獨(dú)立地決定工作方法,利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo),并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這種機(jī)器人也就是第三代機(jī)器人,它的控制方法是一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式。
(4)特種機(jī)器人:這類機(jī)器人是專門為完成某一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)而制造的,大多數(shù)不具有通用性。這種機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和制造,可著眼于基礎(chǔ)研究的立場(chǎng)和面向?qū)嵱没?chǎng)[4]。
1.3.4 按照應(yīng)用領(lǐng)域?qū)C(jī)器人進(jìn)行分類
按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為民用機(jī)器人和軍用機(jī)器人。
民用機(jī)器人又分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、類人機(jī)器人和農(nóng)業(yè)機(jī)器人。1990年10月,國(guó)際機(jī)器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_(kāi)了一次工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)大會(huì),并在這次大會(huì)上通過(guò)了一個(gè)文件,把工業(yè)機(jī)器人分為四類:
(1)順序型。這類機(jī)器人擁有規(guī)定的程序動(dòng)作控制系統(tǒng);
(2)驗(yàn)軌跡作業(yè)型。這類機(jī)器人執(zhí)行某種移動(dòng)作業(yè),如焊接、噴漆等;
(3)遠(yuǎn)距離作業(yè)。比如在月球上自動(dòng)工作的機(jī)器人;
(4)智能型。這類機(jī)器人具有感知、適應(yīng)以及思維和人機(jī)通訊機(jī)能[5]。
1.4 機(jī)器人的發(fā)展概況
在科技發(fā)展史上,科研技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是相輔相成的。在發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上,國(guó)際上存在著兩條不同的技術(shù)路線:一條是日本所走的“需求牽引,技術(shù)驅(qū)動(dòng)”的路線,他們把美國(guó)發(fā)明的機(jī)器人和本國(guó)工業(yè)發(fā)展的需要相結(jié)合,開(kāi)發(fā)出一系列特定用途的機(jī)器人,如弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、建筑等機(jī)器人,從而形成了強(qiáng)大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。而財(cái)力雄厚的產(chǎn)業(yè)又提供大量的研究經(jīng)費(fèi)供科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行新的或后續(xù)的研究工作,由此推動(dòng)了本國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。另一條路線是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體,即單純從技術(shù)上模仿人的某些智能來(lái)研究智能機(jī)器人,如美國(guó)、英國(guó)等許多大學(xué)及研究所的做法[6]。
1.4.1 機(jī)器人在國(guó)外的發(fā)展概況
1、機(jī)器人的誕生之地——美國(guó)
美國(guó)是工業(yè)革命的誕生地,1959年美國(guó)人英格伯格和德沃爾制造出了世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。此后,精明的他們又創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠,并生產(chǎn)出一批名叫“尤里梅特”的工業(yè)機(jī)器人,也因此他們獲得了“世界工業(yè)機(jī)器人之父”的殊榮。經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展,美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一,但綜觀其發(fā)展史,并不平坦。
二十世紀(jì)六、七十年代,因擔(dān)心機(jī)器人會(huì)使失業(yè)率增加,而不予投資,也不組織研制,機(jī)器人的發(fā)展基本停滯。七十年代后期雖有所重視,但把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上,致使美國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面喪失領(lǐng)袖地位。
但美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn),適應(yīng)性也很強(qiáng)。其機(jī)器人性能可靠,功能全面,精確度高;機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快,語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣。視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在行天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用,高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等迅速發(fā)展,主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面[7]。
2、機(jī)器人的冠軍之地——日本
第二次世界大戰(zhàn)后,日本經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,而勞動(dòng)力緊張。為此,日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國(guó)Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù),建立起生產(chǎn)車間,并于1968年試制出第一臺(tái)川崎“尤尼曼特”機(jī)器人。到八十年代中期,已一躍成為“機(jī)器人王國(guó)”,其產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事本完二的說(shuō)法:“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了60年代的搖籃期,70年代的實(shí)用期,到80年代進(jìn)入普及提高期。”并正式把1980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”,開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。
日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn),使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增,質(zhì)量日益提高,而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠已價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng),并且向機(jī)器人誕生國(guó)出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí),日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng),這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人,增強(qiáng)了國(guó)力,獲得了巨大的好處,迫使美、英、法等許多國(guó)家不得不采取措施,奮起直追[8]。
1.4.2 我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展概況
1、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展
目前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,先進(jìn)制造業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)加入WTO,中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的局面。如何適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求,如何以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展,已是我國(guó)企業(yè)不容回避的問(wèn)題,這些問(wèn)題為工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提供了大的市場(chǎng)需求,促使中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟。
近幾年來(lái),國(guó)外著名的工業(yè)機(jī)器人制造廠商紛紛加大了在我國(guó)的投資和應(yīng)用技術(shù)的投入,對(duì)我國(guó)的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
我國(guó)機(jī)器人的研究與應(yīng)用水平與日美相比存在較大差距,主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)政府非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,從1986年“七五”科技攻關(guān)及實(shí)施到1987年863計(jì)劃開(kāi)始,就有計(jì)劃地組織和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人事業(yè),經(jīng)過(guò)20多年的研制和應(yīng)用,目前在工業(yè)機(jī)器人的一些機(jī)種方面,如噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人和特種機(jī)器人都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,基本掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù),有了一支具有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍,其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在20余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。形成了沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的新松機(jī)器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實(shí)機(jī)器人公司、北京機(jī)械自動(dòng)化研究所機(jī)器人開(kāi)發(fā)中心等九個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地,奠定了我國(guó)獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。
但是,我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在總體技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距,僅相當(dāng)于國(guó)外九十年代中期的水平。多數(shù)是單件小批生產(chǎn),關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進(jìn)口狀態(tài),工業(yè)機(jī)器人的性價(jià)比較低。我國(guó)整體裝備制造水平不高,制約了我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成和實(shí)現(xiàn)規(guī)?;陌l(fā)展。
盡管中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的需求在逐年增加,但要能為用戶提供高質(zhì)價(jià)廉的工業(yè)機(jī)器人商品,目前在我國(guó)尚有較長(zhǎng)的路程。這主要有以下幾個(gè)方面:
首先為了促進(jìn)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,必須在以市場(chǎng)需求為主的前提下,國(guó)家在政策上鼓勵(lì)企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人。同時(shí)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的機(jī)制,建立以適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)所需的工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)基地。
其次,在國(guó)家的科技發(fā)展規(guī)劃中,應(yīng)繼續(xù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持,形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。
第三,結(jié)合我國(guó)的國(guó)情,加強(qiáng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā),使之與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相結(jié)合。經(jīng)過(guò)近十年的努力,我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力,已有一支了解企業(yè)的需求,能開(kāi)發(fā)出符合實(shí)際使用條件應(yīng)用工程,成本低,服務(wù)及時(shí),具備與國(guó)外公司的競(jìng)爭(zhēng)能力,因此加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā),并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),使之具有一定的規(guī)?;a(chǎn)能力,這樣可以促進(jìn)我國(guó)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也可形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[9]。
21世紀(jì)是人類走向海洋,向海洋要資源的世紀(jì),我們的系列水下機(jī)器人將在海洋資源勘探、海洋石油開(kāi)采、沉船打撈等諸多領(lǐng)域發(fā)揮其不可替代的作用。臺(tái)灣問(wèn)題、臨海問(wèn)題一直是非常敏感的問(wèn)題,要想解決好這些問(wèn)題,必須有先進(jìn)的水上、水下裝備,發(fā)展先進(jìn)的水下機(jī)器人可以有效地提高我國(guó)的領(lǐng)海保衛(wèi)能力,增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防實(shí)力。
我國(guó)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)起步晚,始于20世紀(jì)70年代初,到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開(kāi)展研究工作狀態(tài),發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃,發(fā)展比較快。在機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面:諸如機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析與綜合研究,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制算法及機(jī)器人編程語(yǔ)言的研究,機(jī)器人內(nèi)外部傳感器的研究與開(kāi)發(fā),具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究,離線編程技術(shù)、遙控機(jī)器人的控制技術(shù)等均取得長(zhǎng)足進(jìn)展,并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用。
2、我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展特點(diǎn)
(1)水下機(jī)器人技術(shù)走在世界前列。例如,自主研制成功1000米水下無(wú)纜機(jī)器人以后,又和俄羅斯合作成功研制了6000米水下無(wú)纜自治機(jī)器人且實(shí)現(xiàn)了工程化[10]。更值得一提是,95年和97年在夏威夷東南太平洋5800米水深處成功地進(jìn)行了兩次大洋探測(cè)試驗(yàn),取得了海底錳結(jié)核分布資料,表明我國(guó)已成為世界上少數(shù)幾個(gè)具有深海探測(cè)能力的國(guó)家之一。
(2)機(jī)器人化機(jī)器推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械的更新?lián)Q代。相繼完成了無(wú)人駕駛的振動(dòng)式壓路機(jī)、具有自動(dòng)化推平功能的推土機(jī)、可編程挖掘機(jī)、自動(dòng)鑿巖機(jī),促進(jìn)了我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代。
(3)特種機(jī)器人的發(fā)展蓬蓬勃勃。繼防核化偵察車、遙控移動(dòng)機(jī)器人及爬壁機(jī)器人以后,又開(kāi)發(fā)出防暴機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)車、各種罐體爬壁清掃機(jī)器人、玻璃擦掃機(jī)器人等。90年代初,研制成功多自由度微操作機(jī)器人,并在生物與醫(yī)學(xué)工程取得成功應(yīng)用。在微小空間探測(cè)的小機(jī)器人研究也有了突破。
(4)工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的龍頭。研制出具有國(guó)際90年代水平的實(shí)用性轉(zhuǎn)配機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、電焊機(jī)器人及自動(dòng)引導(dǎo)引車等一系列產(chǎn)品,并實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程[4]。
3、我國(guó)機(jī)器人研究成果
1980年——研制成功中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī);
1985年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人首航成功;
1986年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人深海試驗(yàn)成功;
1988年——中國(guó)第一臺(tái)水下機(jī)器人投入使用;
1990年——水下機(jī)器人首次出口美國(guó);
1992年——國(guó)產(chǎn)AGV第一次應(yīng)用于柔性生產(chǎn)線;
1993年——中國(guó)唯一的機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程研究中心成立;
1994年——中國(guó)第一臺(tái)五自由度高壓水切割機(jī)器人投入使用;
1994年——中國(guó)第一臺(tái)1000米水下機(jī)器人海試成功;
1995年——中國(guó)第一臺(tái)6000米水下機(jī)器人海試成功;
1995年——中國(guó)首臺(tái)四自由度電焊機(jī)器人開(kāi)發(fā)成功,第一條電焊機(jī)器人生產(chǎn)線投入使用;
1995年——自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器人技術(shù)——AGV技術(shù)出口韓國(guó);
1997年——具有自主版權(quán)的高性能機(jī)器人控制器小批量生產(chǎn);
1997年——自主開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)第一條機(jī)器人沖壓自動(dòng)化線用于一汽大眾生產(chǎn)線;
1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光加工機(jī)器人開(kāi)發(fā)成功;
1998年——國(guó)內(nèi)首臺(tái)澆注機(jī)器人用于生產(chǎn);
2000年——中國(guó)首臺(tái)類人型機(jī)器人研制成功[11];
2001年——我國(guó)第一次用機(jī)器人完成腦外科手術(shù);
2003年——我國(guó)第一臺(tái)管道無(wú)損探測(cè)機(jī)器人研制成功;
2004年——我國(guó)首臺(tái)自走式兩棲機(jī)器人研制成功;
2006年——我國(guó)首臺(tái)烹飪機(jī)器人在深圳誕生。
1.5 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及人工智能、傳感技術(shù)和仿生材料技術(shù)水平的逐步提高,目前研究熱點(diǎn)主要落在了智能化、擬人化兩方面。
(1)工業(yè)機(jī)器人性能追求高速度、高精度、高可靠性的三高境界;
(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)趨向模塊化、可重構(gòu)化;
(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)利用PC機(jī)的開(kāi)放型控制器;
(4)機(jī)器人中的多傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,便于進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性 [24];
(5)從仿真、預(yù)演發(fā)展到過(guò)程控制全程運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);
(6)微型和微小機(jī)器人技術(shù)。納米機(jī)器人是最具誘惑的項(xiàng)目;
(7)遙控機(jī)器人系統(tǒng)致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制,即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng),使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室走入實(shí)用化階段;
(8)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始崛起。機(jī)器人化機(jī)械研究開(kāi)發(fā)包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床(VMT)與機(jī)器人化加工中心(RMC)的開(kāi)發(fā)研究,以及機(jī)器人化無(wú)人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)[1]。
1.6 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
基于UG四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的綜合性設(shè)計(jì)?,F(xiàn)今社會(huì),機(jī)器人以成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的行業(yè)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)給定的條件運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理,計(jì)算其負(fù)載功率,選定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式,確定出四自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式,確定各個(gè)部件的尺寸及對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
在上述基礎(chǔ)上,運(yùn)用計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)繪制零件二維圖形,機(jī)器人總裝圖形。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)UG三維軟件技術(shù)對(duì)四自由度機(jī)器人的所有零件進(jìn)行三維的實(shí)體建模,并運(yùn)用UG裝配功能將四自由度機(jī)器進(jìn)行三維的模擬組裝,最終完成機(jī)器人的模型設(shè)計(jì)。
第2章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案分析
2.1 機(jī)器人系統(tǒng)
2.1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成
一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng),一般由下列四個(gè)互相作用的部分組成:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器、環(huán)境、任務(wù),如圖2.1所示[1]
位置、速度反饋
控制算法
工作任務(wù)
模型
控制器(計(jì)算機(jī))
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
關(guān)節(jié)式機(jī)械系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)裝置
驅(qū)動(dòng)裝置
外感應(yīng)信息
交互作用
計(jì)算機(jī)
語(yǔ)言
任 務(wù)
外傳感應(yīng)器
環(huán) 境
圖2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成
2.1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成圖可簡(jiǎn)化為如圖2.2所示[2]。
外傳感信息
環(huán)境
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
控制器
任務(wù)
外傳感信息
圖2.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
機(jī)械手是具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械,它由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置(工具等)構(gòu)成,組合為一個(gè)互相連接和互相依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務(wù)。不同的機(jī)械手具有不同的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.3。
圖2.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.2 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成,各部關(guān)系如下框圖2.4。
工作
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測(cè)裝置
圖2.4 機(jī)器人組成關(guān)系圖
執(zhí)行機(jī)構(gòu)(機(jī)械部分)包括手部、腕部、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成[1]。
2.2.1 腰部結(jié)構(gòu)
腰部是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件,一般實(shí)行臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都要安裝在機(jī)身上,或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。機(jī)身既可以是固定的,也可以是行走的,即可以設(shè)地面或架空軌道運(yùn)動(dòng),本設(shè)計(jì)采用與底座相連的固定式。
機(jī)身是直接連接、支撐和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件,它是由臂部運(yùn)動(dòng)(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機(jī)構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。
常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有:
(1)升降回轉(zhuǎn)型; (2)俯仰型;
(3)直移型; (4)類人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)采用升降回轉(zhuǎn)型。
2.2.2 臂部結(jié)構(gòu)
手臂部件(簡(jiǎn)稱臂部)是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件,它的作用是支撐腕部和手部,并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。
機(jī)器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自傳等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件,如傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測(cè)元件等,此外,還有與腕部或手臂的運(yùn)動(dòng)和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件配線等。
根據(jù)臂部的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同可分為:
(1)伸縮臂部結(jié)構(gòu); (2)轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu);
(3)屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu); (4)其他專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)采用屈伸縮型臂部結(jié)構(gòu)[3]。
手臂有獨(dú)立的自由度,可采用:
(1) 直角坐標(biāo)(前后、上下、左右都如直線運(yùn)動(dòng));
(2) 圓柱坐標(biāo)(前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng));
(3) 球坐標(biāo)(前后伸縮,上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng));
(4) 關(guān)節(jié)式(手背能任意伸屈)。
直角坐標(biāo)系占空間大,工作范圍小,所以一般不用;圓柱坐標(biāo)系占空間較小,工作范圍較大,但慣性也較大,且不能抓取底面物體,不予使用;球坐標(biāo)系和關(guān)節(jié)式占空間小,工作范圍大,慣性小,所需動(dòng)力小,能抓取底面物件,關(guān)節(jié)式還可以繞障礙物選擇途徑,靈活性較高,廣泛使用。
本設(shè)計(jì)因手臂部只有兩個(gè)自由度,避免了多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷,使關(guān)節(jié)的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮,因此將手臂的結(jié)構(gòu)做成關(guān)節(jié)式,并分為小臂、大臂,小臂用來(lái)聯(lián)接手腕和大臂,大臂用來(lái)聯(lián)接小臂和底座上的腰部旋轉(zhuǎn)件,各擁有一個(gè)自由度。
2.2.3 手腕結(jié)構(gòu)
手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件,它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨(dú)立的自由度,以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。
手腕部一般需要三個(gè)自由度;
(1)臂轉(zhuǎn),繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn);
(2)手轉(zhuǎn),使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn);
(3)腕擺,使手部相對(duì)手臂進(jìn)行擺動(dòng)。
本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腕部采用上下擺動(dòng)的自由度形式,用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)機(jī)器人主要用于搬用中小零件或教學(xué)用機(jī)器人,所以承受載荷不很大,結(jié)構(gòu)要求不高,所以這個(gè)結(jié)構(gòu)可以使用。為了便于手臂上的位置結(jié)構(gòu)安排,直接驅(qū)動(dòng)浪費(fèi)空間,重量分布也不太均勻,所以決定采用同步帶輪傳遞動(dòng)力。
2.2.4 手部結(jié)構(gòu)
手部是機(jī)器人直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同,手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的。它具有模仿人手動(dòng)作的功能并安裝與機(jī)器人手臂的前端,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其自由度一般不少于六個(gè),所以本設(shè)計(jì)不對(duì)抓取部分—手腕 作詳細(xì)設(shè)計(jì)。
2.3機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式四種。
夜動(dòng)式輸出力大(壓力高,常用液壓為2.5~6.3MPa),臂力可達(dá)100公斤以上,且可用電液伺服機(jī)構(gòu),體積較小,可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩;工作平穩(wěn),可得到較高的位置精度;傳動(dòng)中力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,效率高、壽命長(zhǎng)。不足處,泄露難克服,易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn);液壓元件精度要求高,造價(jià)高。
氣動(dòng)式具有空氣粘度小,易達(dá)到高速(1m/s);可利用空氣壓縮機(jī)減少了動(dòng)力設(shè)備,氣動(dòng)元件工作壓力低,造價(jià)也低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械塊定位時(shí),有較高的重復(fù)定位精度,但臂力一般在30公斤一下。
電動(dòng)式可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置,輸出力矩大,但控制性能差,慣性大,適用于中型或重型機(jī)器人。私服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小,控制性能好,可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制,適用于中小型機(jī)器人。交直流、私服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng),而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),一般用于速度和位置精確要求不高的場(chǎng)合。
機(jī)械式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,靈敏度低,故不做詳細(xì)介紹。
綜上,本次設(shè)計(jì)的“四自由度機(jī)器人”主要使用于一般的教學(xué)、培訓(xùn)或汽車中小零件的搬運(yùn)等,故采用電動(dòng)式,將其簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮[4]。
2.4 控制系統(tǒng)
機(jī)器人控制器具有多種結(jié)構(gòu)形式,包括:非伺服控制、伺服控制位置和速度反饋控制、力(力矩)控制、基于傳感器的控制、非線性控制、滑??刂啤⒆顑?yōu)控制、自定位控制、遞階控制記憶各種智能控制等。本設(shè)計(jì)要求只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,控制系統(tǒng)不做要求。
2.5 本章小結(jié)
本章對(duì)四自由度機(jī)器人的常用結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成(腰部、臂部、腕部)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,并最終確定適合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案,驅(qū)動(dòng)方式等。最后簡(jiǎn)單介紹了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)。
第三章 四自由度機(jī)器人整體及部件設(shè)計(jì)
3.1 四自由度機(jī)器人性能要求
表3.1 四自由度機(jī)器人性能要求
結(jié)構(gòu)形式
串聯(lián)關(guān)節(jié)式
負(fù)載能力
2Kg
重復(fù)定位精度
±0.1mm
運(yùn)動(dòng)范圍
300°
120°
120°
360°
每軸最大運(yùn)動(dòng)速度
腰轉(zhuǎn)
45°/S
大臂
45°/S
小臂
30°/S
腕擺
60°/S
最大展開(kāi)半徑
530mm
高度
957mm
本體重量
操作方式
示教再現(xiàn)/編程
供電電源
單相220V、50Hz
3.2 電機(jī)的選擇
在要求輸出力矩和負(fù)載較小的情況下,電機(jī)的選用一般有:電動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。根據(jù)表3.1及電機(jī)的選用條件[13]結(jié)合本設(shè)計(jì)的性能要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本設(shè)計(jì)決定選用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)是一種吧電脈沖信號(hào)變換成直線位移的執(zhí)行元件,本設(shè)計(jì)機(jī)器人是用來(lái)搬運(yùn)中小零件的,所以選步進(jìn)電機(jī)符合要求。
在根據(jù)參考文獻(xiàn)[14],混合式步進(jìn)電機(jī)是一種兼有反應(yīng)式和永磁式兩種步進(jìn)電機(jī)有點(diǎn)的新型電動(dòng)機(jī)。五相及三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其分辨率小,精度高、低頻無(wú)振蕩、高頻力矩大而廣泛用于各類機(jī)床、切割機(jī)、輕工、包裝、醫(yī)療器械、機(jī)器人及電腦繡花機(jī)等自動(dòng)控制設(shè)備中。因此,選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),系列代號(hào)BYG。
3.2.1 負(fù)載功率的估算
電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率是根據(jù)具體生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載及效率計(jì)算的,它可以從機(jī)械手冊(cè)中查出。
(1)底座處電機(jī)負(fù)載功率
已知,腰轉(zhuǎn) 450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min
負(fù)載功率 [15]
PL=G?u?V624.5?ηc kw (3.1)
式中:
PL—腰部負(fù)載功率,kw;
G—傳動(dòng)件重量,N(根據(jù)任務(wù)書及電機(jī)的初選確定);
u—傳動(dòng)摩擦系數(shù);
V—移動(dòng)速度,m/s;
ηc —傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率。
G=mg(其中已知m≤85kg;g=9.8N/kg)=85×9.8 N=833 N
u—查參考資料[11]得u=0.2;
ηc—查參考資料[15]得ηc=0.9;
V—已知角度450/s,初步確定機(jī)器人的底座腰部直徑為150mm,則
V=4503600×π×150×10-3 m/s =0.059 m/s;
所以將以上各值帶入式 3.1得
PL=G?u?V624.5?ηc kw = 833?0.2?0.059 624.5?0.9 kw =0.01749 kw=17.49 w
3.2.2 步進(jìn)電機(jī)額定功率的計(jì)算
預(yù)選電機(jī)的額定負(fù)載功率基本原則是:連續(xù)工作方式下,要求
Pe≥PL,本設(shè)計(jì)是從發(fā)熱溫升負(fù)度考慮的,不必校核電動(dòng)機(jī)的溫升,只需校核過(guò)載能力[15]。
根據(jù)參考資料[16],步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速
ne=60?fZR?N r/min (3.2)
式中:
f—脈沖頻率,Hz或P/s,本設(shè)計(jì)電壓220V,頻率f=50Hz;
N—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距的運(yùn)行拍數(shù),本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī),三相三拍時(shí),N=m(相數(shù));三相六拍時(shí)N=2m;
ZR —轉(zhuǎn)子齒數(shù),本設(shè)計(jì)選用BYG型步進(jìn)電機(jī),ZR=8;
根據(jù)參考資料[13]步進(jìn)電機(jī)的額定功率
Pe=Te?ωe1000 kw (3.3)
式中:
Pe—電機(jī)額定功率;
Te—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 N?m;
ωe—電動(dòng)機(jī)角速度 rad/s,ωe= ne;
1、底座電機(jī)選擇
根據(jù)參考資料[17],初選機(jī)器人底座處的步進(jìn)電機(jī)為 57BYG4501型。
則根據(jù)提供的參數(shù)可知:Te=0.6N?m;N=2m=2×2=4;將N=4帶入公式 3.2得
ne =60×50/8×4 r/min =93.75 r/min
將ne =93.75 r/min帶入公式 3.3得
Pe=0.6×93.75/1000 kw =0.05625 kw=56.25 w
因Pe=56.25 w>PL=17.89 w,所以所選電機(jī) 57BYG4501型能夠勝任本設(shè)計(jì)要求。
2、手腕處電機(jī)選擇
手腕處負(fù)載,根據(jù)設(shè)計(jì)要求
PL'=F?vη×10-3 kw[15] (3.4)
式中:
PL'—手腕處負(fù)載功率;
F—額定提升的重量 N;
v —額定提升速度 m/s;
η—手腕處傳動(dòng)效率;
F根據(jù)設(shè)計(jì)要求得 F=2×9.8 N=19.6 N;
v 根據(jù)設(shè)計(jì)要求v=ω=600/s=6003600/160 rad/min=10 rad/min,或者
v=ω=600/s=6003600?π?d m/s=6003600×3.14×38.81×10-3 m/s=0.02 m/s,(其中d=38.81mm 這將在后邊具體算出);
η 根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]得η=0.98;將F、v、η的值帶入公式 3.4得
PL'=(19.6×0.02)/0.98 kw=4.0×10-3 kw
(若用公式3.1計(jì)算PL'得 PL'=1.28×10-4 kw,這里我選用公式 3.4算得的值)。
所以,手腕處負(fù)載較小,經(jīng)計(jì)算選用35BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。其轉(zhuǎn)速和功率如下計(jì)算:
ωe= ne = 60?fZR?N = 60?508×2×4 r/min=46.88 r/min
Pe= Teωe1000 = 0.05×46.88/10000.05×46.881000 kw =2.344×10-3 kw
3、大臂與腰部旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此處所承受的最大負(fù)載大致為G=mg=(12×85+2)×9.8N=436.1N。
運(yùn)動(dòng)速度為450/S=4503600/160 r/min =7.5 r/min,大臂伸展半徑為303mm,所以大臂速度可變換為V =7.5r/min = 7.5×π×2×30360 m/s=0.24m/s。根據(jù)公式3.1可得大臂處負(fù)載功率為
PL=G?u?V624.5?ηc kw=436.1×0.2×0.24624.5×0.9 kw=0.037kw=37w
根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)57BYG4501,根據(jù)公式3.3得
Pe=Te?ωe1000 kw=0.6×46.881000 = 0.05625 kw=56.25 w
56.25 w>37w,根據(jù)參考資料[17]大臂與旋轉(zhuǎn)體處電機(jī)選擇57BYG4501型步進(jìn)電機(jī)。
4、小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此處所承受的最大載荷為G=mg=(14×85+2)×9.8=227.85N。
運(yùn)動(dòng)速度為300/S=3003600/160 r/min =5 r/min,小臂伸展半徑為411.5mm,所以小臂速度可變換為V =5r/min = 5×π×2×411.560 m/s=0.22m/s。根據(jù)公式3.1可得小臂處負(fù)載功率為
PL=G?u?V624.5?ηc kw=227.85×0.2×0.22624.5×0.9 kw=0.0178kw=17.8w
根據(jù)參考資料[17]選擇步進(jìn)電機(jī)42BYG4503,根據(jù)公式3.3得
Pe=Te?ωe1000 kw=0.48×46.881000 = 0.0225 kw=22.5 w
22.5 w>17.8w,根據(jù)參考資料[17]小臂與大臂聯(lián)接處電機(jī)選擇42BYG4503型步進(jìn)電機(jī)。
3.3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.3.1 已知條件:
(1)傳動(dòng)功率 PL'=4.0×10-4 kw;
(2)大小帶輪轉(zhuǎn)速 n1=n2=600/s=10 r/min (n1 為手腕處主動(dòng)輪,n2為從動(dòng)輪);
(3)傳動(dòng)用途、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)種類以及工作制度[13]。
3.3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)設(shè)計(jì)功率 Pd
Pd=KA?P (3.5)
式中:
Pd—設(shè)計(jì)功率;
KA —工況系數(shù),查參考資料[13]得 KA =1.5;
P—傳動(dòng)功率,P= PL'=4.0×10-4 kw;
將以上數(shù)據(jù)帶入公式 3.5得
Pd=1.5×4.0×10-4 kw =6.0×10-4 kw
(2)帶型節(jié)距 Pb
根據(jù)Pd和n1、n2查參考資料[13]初選取XL型同步帶。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知,n1= n2=10 r/min。前所選手腕處步進(jìn)電機(jī)35BYG4501轉(zhuǎn)速ωe= ne =46.88 r/min,根據(jù)本設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)和BYG型電機(jī)的選擇,經(jīng)計(jì)算比較分析n1= n2=10 r/min與ωe= ne =46.88 r/min相差不是太大,可以使用 35BYG4501型電機(jī)。
為使傳動(dòng)平穩(wěn),提高帶的柔性以及增加嚙合齒數(shù),節(jié)距Pb盡可能選取較小值。對(duì)模數(shù)制的m也盡可能選取較小值,特別是在高速時(shí)。故選取周節(jié)制XL型,Pb=5.080 mm,m=2。
(3) 小帶輪齒數(shù)
(3.6)
Zmin由參考資料[13]查得 Zmin=10,帶速V和安裝尺寸允許時(shí),Z1盡可能選用較大值,故初選 Z1=24。
(4) 小帶輪節(jié)圓直徑
(3.7)
將mm,代入公式(3.3)中,得
mm
由Z1 =24及XL型號(hào)帶查參考資料[13]得節(jié)圓直徑 mm,外徑mm。(5) 帶速
(3.8)
將mm,r/min代入公式(3.8)中,得
m/s
根據(jù)模數(shù)型號(hào)與所選同步帶型號(hào),由參考資料[13]查得 m/s
故符合要求。
(6) 傳動(dòng)比
= n1n2 ≤10
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu),大小帶輪轉(zhuǎn)速相同,所以取 =1<10,符合要求。
(7)大帶輪齒數(shù) Z2
Z2=i ?Z1=1×24
(8)大帶輪節(jié)圓直徑 d2
d2 =PbZ2/π =i?d1=1×38.81=38.81 mm
(9)初定中心距 a
采用中心距可調(diào)式
(3.9)
將mm,將其帶入公式(3.9)中,得
mm
故取 a=70 mm。
(10)初定帶的節(jié)線長(zhǎng)度及其齒數(shù)
(3.10)
將mm,mm代入公式(3.10)中,得
mm
根據(jù)參考資料[13],查表得:mm,Zb =55。
(11)實(shí)際中心距 a
(3.11)
將mm,mm,mm代入公式(3.11)中,得
mm
將a取整 a=79 mm。
(12)基準(zhǔn)額定功率 P0
(3.12)
式中:—帶寬為bs0的許用工作拉力,N;
m—帶寬為bs0的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 kg/m;
根據(jù)參考資料[13]查得 Ta=50.17,v=0.02 m/s,m=0.22 kg/m帶入公式(3.12)得
kw
(13)帶寬 bs
(3.13)
式中:
bs0—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度 mm;
kz—小帶輪嚙合齒系數(shù);
根據(jù)參考資料[13]查得bs0 =9.5 mm;kz數(shù)=1.00;
將kw,Pd=6.0×10-4 kw,mm,代入公式(3.13)中,得
mm
則根據(jù)參考資料[13]取bs=9.5 mm。
故選取同步帶 GB/T 11616—1989 110XL037。
(13)作用在軸線上的力 Fr
N (3.14)
將Pd=6.0×10-4 kw,m/s代入公式(3.10)中,得
N
本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人的機(jī)身材料查閱參考資料[19]取 Q235。
3.4 軸的確定及校核
查閱參考資料[13],本設(shè)計(jì)四自由度機(jī)器人腰部軸與手腕處軸均選用 45號(hào)剛。
3.4.1 腰部軸的確定校核
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),腰部軸的尺寸及形狀最終確定如圖 3.1
圖3.1 底座軸結(jié)構(gòu)尺寸
本設(shè)計(jì)腰部軸主要承受轉(zhuǎn)矩,承受的彎矩很小,所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。
τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa (3.15)
式中:
τ—軸的扭切應(yīng)力 MPa;
P—傳遞的功率 kw,P=17.49×10-3 kw;
T—轉(zhuǎn)矩 N?m;
WT—抗扭截面系數(shù) mm3;
d—軸的直徑 mm,d=30 mm;
n—軸的轉(zhuǎn)速 r/min,n=93.75 r/min;
[τ]—許用扭切應(yīng)力 MPa,45號(hào)剛 [τ]=30~40 MPa;
將數(shù)以上據(jù)帶入式(3.15)得
τ=9.55×106×17.49×10-3/0.2×303×93.75
=0.329 MPa< [τ] =30~40 MPa
所以本設(shè)計(jì)腰部軸的結(jié)構(gòu)安排符合要求。
3.4.2 手腕軸的確定校核
根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及所確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),手腕軸的尺寸及形狀最終確定如圖3.2
圖3.2 手腕軸結(jié)構(gòu)尺寸
手腕處即受彎矩又受扭矩,也可近似使用公式(3.15)計(jì)算,但必須把軸的許用扭切應(yīng)力[τ]適當(dāng)降低以補(bǔ)償彎矩對(duì)軸的影響。將減低后的許用應(yīng)力帶入 式3.15,并改寫為設(shè)計(jì)公式
d≥39.55×1060.2τ?3Pn≥C3Pn mm (3.16)
手腕處:
P=4.0×10-4 kw;
[τ]—45號(hào)剛 [τ]=30 MP(最小值);n=10 r/min;
C—由軸的材料和承載情況確定的常數(shù),查參考資料[18]得C=118~107,取C=100;
將以上數(shù)據(jù)帶入公式(3.16)得
d≥39.55×1060.2×30?34.0×10-410≥10034.0×10-410 mm
d≥7.324≥3.4 mm
本設(shè)計(jì)d=8 mm≥3.4 mm,符合要求。
3.4.3 大臂聯(lián)接件的確定校核
根據(jù)本設(shè)計(jì),大臂聯(lián)接件尺寸確定如圖3.3所示。
圖3.3 大臂聯(lián)接件尺寸
根據(jù)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安排,大臂聯(lián)接件主要承受扭矩,所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。據(jù)公式3.15
τ= TWT =9.55×106P/0.2d3n ≤[τ] MPa
此處式中P=37w=37×10-3kw,n=7.5r/min=0.24m/s,d=35mm,帶入式3.15中得,
τ= TWT =9.55×106×37×10-3/0.2×353×7.5 MPa
≈5.49 MPa
大臂聯(lián)接件材料為45號(hào)剛,[τ]=30~40 MPa,而5.49 MPa ≤[τ]=30~40 MPa,所以大臂聯(lián)接件設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。
3.5 軸承的選用及計(jì)算
3.5.1 手腕處軸承
(1)手腕處軸承的選擇
手腕處根據(jù)工作條件主要承受徑向載荷,同時(shí)也承受一定得軸向載荷。故選手腕處軸承為深溝球軸承。
根據(jù)參考資料[13]及其圖 3.2選擇手腕處軸承為 60000型,查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=4.85 kN,徑向額定靜載荷 C0r=1.98 kN。
(2)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P
P=(XFr +YFa) (3.17)
式中:
X—徑向動(dòng)載荷系數(shù);
Y—軸向動(dòng)載荷系數(shù);
Fr—徑向載荷 N,F(xiàn)r =mg=29.8 N=19.6 N,此處考慮到過(guò)載、環(huán)境溫度及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊等情況可取大點(diǎn),所以取Fr =100 N;
Fa—軸向載荷 N,同F(xiàn)r取為Fa=100 N;
因此 FaC0r = 100 N1980 N =0.051
根據(jù) FaC0r = 0.051查閱參考資料[20]得e 值為0.26;
又 FaFr = 100 N100 N =1>e=0.26
根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56;Y=1.71;
將以上數(shù)據(jù)帶入公式(3.17)得
P=(0.56×100+1.71×100)N
=227 N
(3)軸承的基本額定壽命 Lh
Lh = 10660n (ftCfpP)ε h (3.18)
式中:Lh—軸的基本額定壽命 小時(shí);
—基本額定動(dòng)載荷 N,C=Cr=4.58103 ×103N;
—當(dāng)量動(dòng)載荷 N,P=P=227 N;
—軸承轉(zhuǎn)速r/min;
ft—溫度系數(shù),ft =1[18];
fp—載荷系數(shù),fp =1.5[18];
ε—壽命指數(shù)[18],球軸承 ε =3;
將以上數(shù)據(jù)帶入公式(3.18)得
h
符合要求。
3.5.2 大臂聯(lián)接處軸承
大臂聯(lián)接處根據(jù)工作條件選擇深溝球軸承,根據(jù)參考資料[13]及圖3.3結(jié)構(gòu)選擇軸承6207,查參考資料[20]得該軸承的基本額定動(dòng)載荷 Cr=25.5 kN,徑向額定靜載荷 C0r=15.2kN。
(1)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷 P
Fr—徑向載荷 N,F(xiàn)r = mg=(12×85+2)×9.8N=436.1N,
Fa—軸向載荷 N,此處軸向載荷較小,故Fa根據(jù)參考資料[20]可為Fa=400 N;
X=0.56;Y=1.71
因此, FaC0r = 100 N15200 N =0.026
根據(jù) FaC0r = 0.026查閱參考資料[20]得e 值為0.22;
又 FaFr = 400 N436.1 N =0.91>e=0.22
所以根據(jù)參考資料[20]得 X=0.56;Y=1.99;
將上邊各值帶入公式3.17得
P=(0.56×436.1+1.99×400)N
=1040.216 N
(2)軸承的基本額定壽命 Lh
根據(jù)公式3.18
Lh = 10660n (ftCfpP)ε h
得 Lh=10660×7.5×(1×25.5×1031.5×1040.216)3=9.7×106h
符合要求。
3.5.3 其它部位軸承的選擇
同手腕處軸承的選用方法,腰部軸處根據(jù)工作條件及圖3.1結(jié)構(gòu)尺寸選用30206型滾動(dòng)軸承。
大臂兩端處軸承選用6207型滾動(dòng)軸承[20]。
注:本設(shè)計(jì)其它零件的結(jié)構(gòu)尺寸具體見(jiàn)CAD圖紙和UG三維模型,這里不在贅述。
3.6 四自由度機(jī)器人長(zhǎng)度尺寸
3.6.1 腰部總成高度尺寸
根據(jù)前邊的選擇,腰部電機(jī)57BYG4501,直徑為66.6mm,根據(jù)參考資料[5],箱座壁厚δ≥8mm,所以取機(jī)器人腰部壁厚為15mm,所以機(jī)器人腰部總直徑d=66.6+2×15=96.6mm,取整d=97mm。底座直徑比腰部直徑要大些,以便安裝螺栓固定腰部與底座,故取底座直徑d’= 150mm。
底座軸承端蓋厚度根據(jù)參考資料[5]得
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三維UG
基于
UG
自由度
機(jī)器人
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
三維
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