1958_通用工業(yè)機器人結構設計

1958_通用工業(yè)機器人結構設計,通用,工業(yè),機器人,結構設計 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 1 頁 非正交主軸與工作臺型五軸工具機后處理程序開發(fā)黃昭堂.佘振華摘要：后處理程序是將刀具位置數(shù)據(jù)轉換成加工操作所需數(shù)據(jù)的重要接口，其對五軸工具機來說是非常復雜的，因為在五軸工具機中線性軸和旋轉軸是同動的。以前大部分的五軸后處理方法研究只局限于正交的工具機構型，本論文針對主軸型與工作臺型及工作臺/主軸型有非正交旋轉軸的五軸工具機開發(fā)其后處理算法，這種構型的工具機具有從立式加工轉換為臥式加工的優(yōu)點。本文以齊次坐標轉換為基礎，利用運動學的前向轉換，求得五軸工具機的形狀創(chuàng)成函數(shù)矩陣，再由逆向轉換，解出工具機各軸運動的解析方程。后處理程序中的線性算法是為了保證加工的精確性而開發(fā)的。五軸后處理程序接口是利用 Borland C++、Builder 與 OpenGL 開發(fā)，以產(chǎn)生三種構型的 NC 碼，經(jīng)由商業(yè)實體切削仿真軟件 VERICUT 驗證及試加工實驗，證實所提出的后處理方法論的可行性。關鍵詞：后處理、五軸加工、形狀創(chuàng)成函數(shù)、非正交旋轉軸1、引言五軸工具機被越來越多地的用戶所使用的，特別是用于加工復雜自由曲面。傳統(tǒng)的五軸工具機有三個正交的線性軸和旋轉軸。這里所說的旋轉軸通常是指與相互正交的中心線平行的線性軸。各國的機械工具制造商，如 Makino，Ingersol 和 Deckel Maho，將非正交旋轉軸或工作臺進行改進使機器具有更好的多功能性和靈活性。 “非正交”是指軸旋轉體的振蕩運動，這類似與一張桌子上的硬幣的緩慢旋轉。五軸工具機有一個旋轉軸的傾斜面[1]，而不同于平行的直線軸，它提供的優(yōu)勢可使切削刀具在一個半球內(nèi)指向任意角度[2，3]。這種機器可以在連續(xù)的水平和垂直位置移動。非正交旋轉軸為生產(chǎn)航空部件及汽車頭部提供了便利。運動經(jīng)電機主軸傳遞給空心軸和齒輪[4]。由于線性和旋轉運動同時作用在五軸數(shù)控機床上，導致了五軸數(shù)控程序比三軸數(shù)控程序更加的復雜。后處理程序必須利用刀具位置（CL）將數(shù)據(jù)從凸輪系統(tǒng)轉化為機器控制數(shù)據(jù)。盡管先進的控制器可以接受實時的數(shù)據(jù)，而不需要后處理，但他們是相當昂貴的[5]。該方法主要可以分為三類：圖形[ 6]，[7 ]和坐標數(shù)值迭代[8-10]。由 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 2 頁 坐標變換方法解析方程，產(chǎn)生的數(shù)控數(shù)據(jù)最有效，它已被廣泛采用在最近的研究中。然而，幾乎所有的這些方法包括后處理方法均采用正交旋轉軸五軸工具機。研究解決非正交配置的相對較少。例如，有為主軸傾斜式發(fā)展的非正交旋轉軸五軸機床后處理程式[11]。最近，Sorby [ 12]發(fā)表了一篇關于封閉形式五軸工具機的非正交旋轉工作臺論文。然而，該解決方案具有一定的局限性。例如，工件原點的偏移向量和二次主旋轉不明確，及角度傾斜 45 度的非正交軸的固定。本研究開發(fā)一種后置的雙主軸和工作臺五軸工具機?；邶R次坐標變換矩陣的解析方程，確定方程的一般形式；偏移向量定義為從工件的起始位置回轉至工作臺，偏移向量在非正交軸中是可變的。此外還包括線性化算法的后處理開發(fā)，保證加工精度。一個基于后處理是開發(fā)和圖形界面動態(tài)顯示的表面模型議案的提出幫助用戶輸入相關參數(shù)正確。此外，生成的 NC 數(shù)據(jù)進行驗證，使用商業(yè)實體切削仿真軟件 VERICUT [13]進行五軸加工實驗工具機的非正交旋轉工作臺的后處理方法確認。2、五軸工具機的配置與類型大多數(shù)五軸工具機有兩個旋轉軸作為常規(guī) X 軸，X 軸和 Z 軸。五軸機床可分為三種類型：主軸型，工作臺型和工作臺/主軸型。商業(yè)方面用正交配置，如圖 1 所示三種類型。圖 1（a ）為非正交旋轉主軸型。圖 1（b）為非正交旋轉工作臺型，如 Deckel Maho DMU 70 改進型[ 15]，其在工作臺上具有兩個旋轉軸，和一個平行與 Z 軸而與非正交旋轉軸存在一定的傾斜角度的旋轉軸（C 軸） 。圖 1（c）為工作臺\主軸型，如Deckel Maho 200P [ 15]，其中一個旋轉工作臺（ c）是以在工作臺上的非正交旋轉軸（B 軸）為主軸。由于作者已經(jīng)提出過主軸型非正交旋轉主軸的后處理程序，本研究著重于發(fā)展與其他兩種配置的后處理。五軸機床可以看作是平動與旋轉運動組合的機床。正向運動學方程必須建立數(shù)學模型來描述刀具相對于工件的切削運動?；镜淖鴺俗儞Q矩陣，包括 Trans 矩陣和 Rot矩陣 [ 16 ]。 Trans 矩陣式可以表示如下： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 3 頁 Trans（a，b， c）表示矢量 a i+b j+c k一般 Rot 矩陣用來描述旋轉的主軸單元。本坐標系設定 ；則Rot 矩陣可以表示為：其“C”和“S” 分別為余弦和正弦函數(shù)，且 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 4 頁 圖 1 五軸工具類型：a.主軸型 b.工作臺型 c.工作臺\ 主軸型3、后處理程序3.1 工作臺傾斜型圖 2 描繪了相關的坐標系配置。工件坐標系為 而 為刀具坐標系。由于這兩個旋轉軸并不相交，則必存在一條公法線垂直于兩軸。公法線分別與 C 軸和B 軸相交于 RC 和 RB 點。偏移向量 為從原點 至 RC，而偏移向量為從 RC 至 RB。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 5 頁 圖 2 傾斜型坐標系組成機床的結構有：回轉工作臺 C，回轉工作臺 B，機床床身， X 軸方向工作臺，Y 軸方向工作臺，Z 軸方向工作臺，主軸和刀具。根據(jù)刀具與工件的相對位置和方向，將從工件開始至刀具完成的過程稱為形式塑造功能，[17]。這種機床的形式塑造過程，用數(shù)學矩陣形式表示如下：其中 Px，Py 和 Pz 分別表示 X，Y 和 Z 軸的相對距離。 和 分別為與 C 軸和B 軸的旋轉角度。采用右手螺旋定則判定+C 和+B。方程（3）表示的函數(shù)矩陣，結合機床參數(shù) Px， Py，Px， 和 。第一步是計算刀具所需的旋轉角度，二是根據(jù)已知的旋轉角中心位置的直線計算所需的位置關系。當?shù)毒呶恢?和刀具的方向向量 確定后，CL 數(shù)據(jù)可用矩陣形式表示如下：由于方程（3）和（4）都表示相同的刀具和工件之間的關系，聯(lián)立這兩個矩陣，確定所需的參數(shù)。結合兩個矩陣得到下列公式： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 6 頁 首先可以確定 ， 的值。代入式（5）得：值得注意的是，在 范圍內(nèi)的表達方式如下：如果范圍在–π 到 0 之間，方程應修改為式（ 8）所示。另一方面，如果同時滿足以上兩種情況，則以最小的旋轉角選擇算法。此外，將式（5）對應的第一值第二值聯(lián)立求解線性方程組得到：由于方程（9）和（10）分母是相同的，總是正的，C 軸轉角可以確定如下：其中 arctan2（y，x）是在 范圍內(nèi)的函數(shù)返回值，表示 y 和 x 的夾角[16]。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 7 頁 此外，結合矩陣（6）式兩邊的相應參數(shù)，產(chǎn)生三個未知數(shù) Px，Py 和 Pz。聯(lián)立方程組，設定程序坐標系為工件坐標系。因此，可以得到所需的 NC 數(shù)據(jù)（記為 x，y 和z） ，考慮兩個偏移向量 和 ，并表示為如下：3.2 工作臺/主軸傾斜型工作臺/主軸傾斜型有一個旋轉主軸和一個旋轉軸的工作臺。圖 3 分別顯示了 C 軸和 B 軸上的兩個交點 RC 和 RB。交點 RC 位于 C 軸上任意點，交點 B 為非正交旋轉 B 軸和刀具的交點。偏移向量 是按從原點 到交點 RC，有效刀具長度代表交點 RB 和刀尖中心之間的距離， 。由其造型函數(shù)矩陣可以得到坐標變換矩陣如下：圖 圖 3 工作臺/ 主軸傾斜型坐標系統(tǒng) 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 8 頁 等值式（14）式（15）聯(lián)立得：結合參數(shù)，可以采用同工作臺傾斜型的計算過程。但要注意的是， NC 參考點，在此假設為交點 RB。這個定義是根據(jù)主軸傾斜和工作臺/主軸傾斜型得來，而且使用的是相同的商業(yè)后處理器程序的軟件包。完整的 NC 數(shù)據(jù)的分析方程可以表示為： 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 9 頁 3.3 線性問題從理論上講， CAD / CAM 系統(tǒng)生成的 CL 數(shù)據(jù)是以假設刀具在連續(xù)兩個點之間的線性移動為基礎。然而，實際的刀具與工件的運動軌跡并不是直線和旋轉軸移動同時進行。彎曲的路徑偏離線性插值的連續(xù)路徑點之間的直線路徑被稱為線性問題。以下算法可以解決這個問題。假設，在圖 4 中 為三個相鄰的 CL 數(shù)據(jù)點。矢量 Pn 的矩陣形式可表示為 ，其中 和 組成刀尖的中心位置，和 組成刀具的方向。 相應的機床數(shù)控代碼 Pn 為 。由于五軸同時從當前位置 Pn 移動到隨后的位置的 Pn+1，每個軸之間移動假定為線性的[18]。因此，實際的曲線路徑的每個點可以表示如下：其中 t 是一個虛擬的時間坐標 。其中 CL 數(shù)據(jù) 和 為正值。例如，工作臺傾斜型的式（5） 、 （6）和工作臺/主軸傾斜型的式（ 16） 、 （17） 。此外，在理想的線性刀具路徑下每個點可以決定如下：理想的線性刀具路徑實際曲面刀具路徑內(nèi)插刀具路徑 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 10 頁 圖 4 多軸加工線性問題 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 11 頁 圖 5 后處理程式對話框：a 工作臺傾斜型 b 工作臺/ 主軸傾斜型圖 6 工作臺傾斜型生成 NC 數(shù)據(jù)對話框 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 12 頁 之間的距離為偏差 。如果最大偏差 超過規(guī)定的公差，應將插入到原 CL 數(shù)據(jù)。理論上，必須采取數(shù)值迭代方法計算 。實際上，中間點，t=0.5 ，常被選為候選點[10] 。將中間點 插入后，即可以生成相應的數(shù)控代碼。4、討論1．非正交旋轉軸的主要特征是在同一臺機床上水平位置和垂直位置之間的連續(xù)運動。在當前商業(yè)工具機的配置中，可以由以上方程得出非正交旋轉軸傾斜 45 度。可以拿工作臺型傾斜是用來作為一個例子，方程（5）表示刀具相對于工件的方向。在初始位置，工作臺水平，可以確定 。非正交旋轉軸假定繞 x 軸旋轉 θ 角使矢量及 。將以上條件代入式（5）且 ， ，產(chǎn)生了如下方程：解得 ， 。因此，當工作臺轉動角度 π，非正交旋轉軸 B 軸轉動 π/4時工作臺的處于垂直位置。 圖 7 工作臺/主軸傾斜型生成 NC 數(shù)據(jù)對話框2、非正交坐標系的采用提高了五軸工具機床靈活性。然而，在 CL 數(shù)據(jù)方面是有 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 13 頁 限制的。只有在方程（7）顯示的條件 滿足時方能使用。當非正交軸設置在45 度角時 ， 的取值范圍在 。所以， 為負值時，通過CAD / CAM 軟件生成的 CL 數(shù)據(jù)無法進行加工。3、生成的 NC 數(shù)據(jù)是一個普遍的形式，它可以運用到正交配置中。工作臺傾斜型就是一個例子。如果向量 W 是在 X 軸方向，且 Wx =1 Wy=Wz= 0 就是 CA 工作臺傾斜性的配置。分析方程中的 NC 數(shù)據(jù)，例如 Y 軸的值，與文獻[8]中的一致，可以表示如下：注意，在所列舉的例子中，假設兩個旋轉軸相交且偏移向量 用于推導上述方程。4、基于 和 ，刀具解可能通過， ， 且 [12, 18]未知的點。該點發(fā)生在 且 C 軸平行于刀具軸時。正如在圖 4 所示，如果當 Pn+1 是該點時， 在理論上可以是任意的值，因為 Pn+2 是未知的。Pn+2 應進一步確定，以確保的值是在該連續(xù)兩個點之間的線性變化。 的值可定義為 Pn 到 Pn+2 之間的距離。5、在實際的多軸加工中進給速度控制是一個重要的問題。大多數(shù)控制器，如FANUC 公司和 Cincinnati Milacron 公司采用字符（ FRN）和 G93 代碼來控制進給速度。FRN 由工件的進給率的所決定。當兩個或兩個以上線性軸旋轉運動時，路徑長度的確定變得非常復雜。在大多數(shù)情況下，實際的路徑長度可以充分接理論的線性位移[19]。5 執(zhí)行和核查5.1 軟件實現(xiàn)在 Windows XP 環(huán)境中使用 BorlandC ++ 、Builder 編程語言和 OpenGL 圖形庫。采用一個半徑為 35mm、的半球進行加工說明。 CL 數(shù)據(jù)通過商業(yè) CAD / CAM 軟件與PowerMILL[20]產(chǎn)生。機床采用工作臺傾斜型與工作臺/ 主軸傾斜型的二種形式的工具機，進行了測試。圖 5（a）所示工作臺傾斜型配置后處理器開發(fā)軟件對話框。用戶可以用鼠標的旋轉放大機床表面模型。當用戶輸入相關參數(shù)，如偏移向量從 C 軸中心點開始時，系統(tǒng)會顯示數(shù)字，以幫助用戶輸入正確的參數(shù)，如圖 6 所示。最后，點擊 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 14 頁 “文件”菜單打開 CL 數(shù)據(jù)，生成 NC 代碼。圖 5（b）和圖 7 顯示的是工作臺/主軸傾斜型啟動和實施環(huán)節(jié)的對話框， 。值得注意的是，設值長度是從壓刀尖中心到工作臺表面。5.2 實體切削仿真實體切削仿真軟件 VERICUT 是用來生成數(shù)控加工數(shù)據(jù)。軟件中有可供選擇的原材料，刀具的規(guī)格尺寸，數(shù)控數(shù)據(jù)，控制器的類型，及物理性能不同的數(shù)控加工工具，它可以用數(shù)控數(shù)據(jù)來模擬材料去除過程。工作臺傾斜型工具機用產(chǎn)品仿真和成品加工進行驗證，如圖 8 所示。相關參數(shù)如圖 6 所示。圖 8 工作臺傾斜型的 VERICUT 軟件模擬 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 15 頁 圖 9 工作臺/主軸傾斜類型的 VERICUT 軟件模擬圖 9 所示工作臺/主軸傾斜類型的 VERICUT 軟件模擬。如前所述，根據(jù)圖 7，應設置相關參數(shù)。B 軸的向量為 。偏移向量 從程序原點到旋轉刀具軸。5.3 實驗驗證生成的五軸聯(lián)動數(shù)控數(shù)據(jù)要進一步驗證。工作臺傾斜型五軸加工中心（DECKEL MAHO DMU70 改進型）配備 Heidenhain iTNC530 用于半球形工件加工。這項實驗是在下列條件下進行：（1）兩個球頭直徑為 10 毫米和 4 毫米的刀具分別用于粗加工和精加工（2）主軸轉速 5000r\min,進給速度為 1000mm/min（3）工作臺采用 7075 鋁合金材料制造。應該注意的是，本機床 C 軸的正方向是刀具沿著 Z 軸的負方向。C 軸的實際數(shù)控數(shù)值再式（11）中為負值。圖 10 顯示了實際的加工過程，揭示正確的后處理程式，能成功生成 NC 數(shù)據(jù)。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 16 頁 圖 10 DECKEL MAHO DMU1070 改進型機床的實際加工實驗 a.粗加工 b.精加工六、結論非正交工作臺和主軸型五軸工具機床的后處理程序有了一定的發(fā)展。一般的 NC數(shù)據(jù)是由齊次坐標變換矩陣，正向和逆向運動學的分析來確定的。生成的 NC 數(shù)據(jù)對那些旋轉軸需要相互交叉和非正交軸的傾斜角度為變量的這類機床是有用的。產(chǎn)生的可變傾斜角能增加派生方程的有效性，從而 NC 數(shù)據(jù)可降低正交型的配置。該種算法也可以應用到線性軸和旋轉軸非正交的多功能磨/轉機床中 [21]，目前這項工作正在進行。致謝 對中華人民共和國理事會 NSC95-2221-E-150-101 的財政資助深表感謝。同時也對金屬工業(yè)研究發(fā)展中心提供五軸設備，及對在臺灣 Delcam 公司的 Bacchus Yu先生提出的有效建議意見表示感謝。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )文 獻 翻 譯 第 17 頁 參考文獻1.Goode KF, Rockford IL (1983) Tool head having nutating spindle,US Patent No. 43700802.Makino (2003) High-Productivity Aerospace Machining Center.MMS Online?, URL: 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OKUMA MULTUS, URL: http://www.okuma.co.jp/english/黃河科技學院畢業(yè)設計（論文）開題報告表課題名稱 通用工業(yè)機器人結構設計課題來源 教師擬訂 課題類型 AX 指導教師 薛東彬?qū)W生姓名 汪培林 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 080105640一、調(diào)研資料的準備由于本設計牽涉的知識面較廣，在設計過程中會涉及到大量的分析，設計較為復雜，需要進行詳盡的資料收集、加工與整理。在做本課題時，首先需要查閱所學過的專業(yè)書籍資料，如機械制圖、機械原理、機械設計，氣壓與液壓傳動等書籍；再次，可以廣泛的搜索網(wǎng)絡資源，結合實際，查找有關工業(yè)通用機器人的信息，如概念，結構，組成，發(fā)展趨勢等等，由此進行符合本課題要求的設計。 二、設計的目的和要求1、設計目的：本課題設計的最終目的是通過實習調(diào)研搜集資料，運用所學知識，并借助 CAD 軟件，設計通用工業(yè)機器人結構，包括傳動機構設計、主要零件設計、支承部件設計等。2、設計要求：分析國內(nèi)外通用工業(yè)機器人結構設計發(fā)展和應用的情況，結構類型和功能特點完成：1、總體機械結構設計，繪制總裝配圖。2、傳動機構設計，繪制部分裝配圖。3、支承部件設計，繪制支承部件部分裝配圖。4、主要零件設計，繪制主要零件的工作圖。做課題時，需要查閱機械制圖、機械設計、力學、機器人技術、機床設計手冊等資料和 CAD繪圖相關資料，綜合分析使用，進行設計。三、設計的思路與預期成果1、設計的思路結合調(diào)研資料，聯(lián)系本次設計的內(nèi)容及目的，做出以下安排：（1）明確設計任務，收集相關資料；（2）根據(jù)要求制定總體方案，結合實際分析并確定確定總體方案；（3）結構設計及計算：a．手部結構設計b．手腕結構設計c．氣動系統(tǒng)設計（4）根據(jù)設計過程及計算數(shù)據(jù)編寫設計說明書。2、預期成果（1）完成文獻綜述一篇，不少于 3000 字，與專業(yè)相關的英文翻譯一篇，不少于 3000 字；（2）完成內(nèi)容與字數(shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設計說明書一份；（3）根據(jù)使用性能要求初定設計方案，進行設計方案對比后最終確定方案；設計通用工業(yè)機器人結構設計總體、傳動系統(tǒng)部分裝配和主要零件圖；（圖紙量折合后不少于 A1 圖紙 4 張，用計算機繪圖）（4）包含本次設計的所有內(nèi)容的光盤一張；（5）所有文字成果要求交打印稿和電子稿。四、任務完成的階段內(nèi)容及時間安排1~ 3 周：完成文獻綜述、開題報告及英文資料翻譯，掌握 CAD 軟件應用功能，完成畢業(yè)實習。4~ 9 周：通用工業(yè)機器人結構設計總體、細部、零件結構設計、計算，用 AutoCAD 等軟件繪制總裝圖、部裝圖、典型零件圖。10~11 周：編寫設計說明書，進一步修改完善畢業(yè)設計，準備并完成畢業(yè)答辯稿。12 周：畢業(yè)答辯。五、完成設計所具備的條件因素1、通過四年的機械專業(yè)知識的學習與積累,已具備進行設計的基礎；2、通過畢業(yè)導師的指導，設計中遇到的問題可以向?qū)熣埥蹋犌髮煹慕ㄗh；3、通過四年來的本專業(yè)的實習和課程設計經(jīng)驗，有一定的實踐基礎；4、有相關類似的教材以及網(wǎng)絡資源可供參考。指導教師簽名： 日期：2012-2-20 畢業(yè)設計文獻綜述院 （ 系 ） 名 稱 工 學 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名 汪 培 林 指 導 教 師 薛 東 彬 2012 年 03 月 10 日 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 1 頁通用工業(yè)機器人結構設計文獻綜述摘要：在工業(yè)生產(chǎn)和其他領域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。機械手就在這樣的環(huán)境下誕生了,機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機械器件組成；電氣方面有步進電機、驅(qū)動模塊、傳感器、開關電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術，位置控制技術、氣動技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。關鍵字：機械手，機械結構，機電一體化1、工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說它也是機器進化過程的產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非工業(yè)領域的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手” 。工業(yè)機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，由它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，工業(yè)機械手在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 2 頁工業(yè)機械手的結構形式開始比較簡單專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手” ，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應用。2、工業(yè)機器人的組成和分類2.1 工業(yè)機器人的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖 2-1 所示。圖 2.12.1.1 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式手部和吸附式手部。在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳動機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的，手指有外夾式和內(nèi)撐式，指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳動機構則是向手 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 3 頁指傳遞運動和動力。傳動機構型式較多常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒 條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?，F(xiàn)在工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)大多采用液壓傳動，但液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)，液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 4 頁(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高，且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，采用氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器，介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣造成壓力明顯降低和嚴重污染。(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元件、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。2.1.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā) 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 5 頁出報警信號。2.1.4 位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。2.2 機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。2.2.1 按用途分1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在其性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種：簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制；伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。2.2.2 按驅(qū)動方式分1、液壓傳動機械手 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是：抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，否則液壓油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 6 頁氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是：介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手 機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手 電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，很有發(fā)展前途。2.2.3 按控制方式分1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。3、國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10.3 萬美元降至 97 年的 6.5 萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 7 頁測系統(tǒng)三位一體化。由關節(jié)模塊、連桿模塊重組方式構造機器人整機，國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自動化系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距。在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求， “一客戶，一次重新設計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計， 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 8 頁積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863” 計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種。在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品。4、小 結經(jīng)過兩周的資料查閱與整理，我對工業(yè)機器人的結構與組成有了初步的了解，對設計有了初步的思路。經(jīng)過初步的思考，坐標方式定為圓柱坐標，驅(qū)動方式為氣壓傳動，大致方案圖如下圖 4.1。在后面的設計過程中，我會根據(jù)需要不斷調(diào)整和改進設計方案，最后希望可以做出合理的設計方案。圖 4.1 通用工業(yè)機器人結構 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設 計 (文 獻 綜 述 ) 第 9 頁參考文獻【1】謝存禧，張鐵.機器人技術及其應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.7【2】徐元昌.工業(yè)機器人.北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.8 【3】蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001. 4【4】郭洪江主編.工業(yè)機器人技術.西安電子科技大學出版社.2006【5】王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封，1999 【6】嚴學高，孟正大.機器人原理.南京：東南大學出版社，1992 【7】成大先.機械設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2010.1 【8】孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理.北京：高等教育出版社，2006.5【9】濮良貴，紀民剛.機械設計.北京：高等教育出版社，2006.5. 【10】成大先.機械制圖圖冊.北京：化學工業(yè)出版社，2008.1 【11】鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京：機械工業(yè)出版社，1987 【12】徐永生.氣壓傳動.北京：機械工業(yè)出版社，1990.5【13】 The American Society of Mechanical 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