六自由度焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)【11張圖紙】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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開題論證報(bào)告
題目名稱:關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、題目來源、題目研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述
(一)題目來源:
本題目來源于生產(chǎn)實(shí)際,手工電弧焊接效率低,操作環(huán)境差,而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求較高,因此采用機(jī)器人技術(shù),實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化,以提高生產(chǎn)效率。而且,現(xiàn)在對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因此,焊接過程的完全自動(dòng)化已成為重要的研究課題。其中,十分重要的就是要應(yīng)用焊接機(jī)器人。
(二)題目研究的主要內(nèi)容:
設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人,進(jìn)行機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、腰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由各種關(guān)節(jié)串接起若干連桿組成的開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)上的原因,其關(guān)節(jié)通常只有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型。關(guān)節(jié)型機(jī)器人主要特點(diǎn)是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu),因此本體結(jié)構(gòu)通常包括關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)座結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和末端執(zhí)行器。我所做的課題偏重與機(jī)座和腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
弧焊機(jī)器人多采用占地面積小,動(dòng)作范圍較大的關(guān)節(jié)型操作機(jī),其靈活性大,能以最佳狀態(tài)決定焊槍的位置。
(三)國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述:
目前,對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。美國在機(jī)器人技術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位,日本生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量和種類則居世界首位。我國發(fā)展機(jī)器人技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代末。1995年9月,6000m水下機(jī)器人試驗(yàn)成功.近年來,在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。
自從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世以來,機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透,機(jī)器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)器人,如今機(jī)器人已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類科技的進(jìn)步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機(jī)器人產(chǎn)生了密切的關(guān)系。人類社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)器人技術(shù),而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當(dāng)前和今后的機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、對(duì)環(huán)境的自主性強(qiáng)、具有多種感覺能力的方向發(fā)展。機(jī)器人也正在逐漸具有智能。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上,其智能分析速度比普通計(jì)算機(jī)要快數(shù)千倍,能更好地完成識(shí)別語言和圖像處理等工作。
華中理工大學(xué)的熊臘森、彭振國、陳一堅(jiān)和曹東杰教授合著的一篇論文,題為《IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用》,它主要介紹了IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng);重點(diǎn)討論了該機(jī)器人的焊接生產(chǎn)應(yīng)用;提出了機(jī)器人的使用維護(hù)和故障處理建議。
南京機(jī)械??茖W(xué)校的徐錦康、邵群濤和劉啟芬合著的論文《XZ-I型弧焊機(jī)器人》主要介紹了XZ-I型機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),位置交流伺服控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制軟件特點(diǎn),給出了主要算法。
二、本題目擬解決的問題
焊接機(jī)器人具有6個(gè)自由度:① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn);② 臂關(guān)節(jié)俯仰;③ 肘關(guān)節(jié)俯仰;④ 腕關(guān)節(jié)仰腕;⑤ 擺腕;⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg,最大速度2m/s,最大工作空間半徑1500mm 。
在設(shè)計(jì)過程中要考慮到很多問題:① 機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)采用何種驅(qū)動(dòng)器;② 傳動(dòng)比的選擇要合理;③ 同一軸上的軸承要保證很好的同軸度;④基座采用何種材料如何制造;⑤ 立柱與大臂如何聯(lián)接;⑥ 要有足夠大的安裝基面,以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性;⑦ 腰座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷,應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力;⑧ 腰座軸系及傳動(dòng)鏈的精度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面。
三、 解決方案及預(yù)期效果
(一)解決方案:
機(jī)器人大體采用PUMA型
1. 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì);
關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體,驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高,可靠性好,能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。
2. 速度和位置檢測(cè);
3. 伺服控制系統(tǒng)選擇;
4. 工作空間的確定;
5. 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
①內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜,既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座,又兼作承力骨架,傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料,減少加工量,又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接,使連接件減少,工藝簡單,減輕了質(zhì)量。
② 軸承外形環(huán)定位簡單。一般在無軸向載荷處,載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。
③ 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套,以減少結(jié)構(gòu)尺寸,減輕質(zhì)量。
④ 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體,減少連接件,增加了傳遞剛度。
⑤ 大、小臂,手腕部結(jié)構(gòu)密度大,很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙,手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少,質(zhì)量減少。
⑥ 工作范圍大,適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外,它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大,因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘,手腕關(guān)節(jié)4,6配合,一次就能轉(zhuǎn)1112°。
⑦ 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng),調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu),彈性萬向聯(lián)軸器,工藝上加工精密,多用整體鑄件,使得重復(fù)定位精度高。
⑧ 機(jī)器人手臂材料的選擇:
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此,對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件,它應(yīng)是輕型材料。而另一方面,手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此,在選擇材料時(shí),需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮,以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí),不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看,即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料,如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的,又要具有很好的受控性,因此,要求手臂比較輕。綜合而言,應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中,非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等;金屬材料以輕合金為主。
⑨腰關(guān)節(jié)采用齒輪二級(jí)傳動(dòng)??倐鲃?dòng)比為48,第一級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)比為4,第二級(jí)傳動(dòng)比為12,主軸的角速度為3.82 rad/s。
(二)預(yù)期效果:
工作可靠,結(jié)構(gòu)簡單;裝卸方便,便于維修、調(diào)整;能很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電弧焊的功能。
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