六自由度焊接机器人设计-6自由度
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开题论证报告
题目名称:关节型机器人腰部结构设计
一、题目来源、题目研究的主要内容及国内外现状综述
(一)题目来源:
本题目来源于生产实际,手工电弧焊接效率低,操作环境差,而且对操作员技术熟练程度要求较高,因此采用机器人技术,实现焊接生产操作的柔性自动化,以提高生产效率。而且,现在对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求,一般工人已难以胜任这一工作;此外,焊接时的火花及烟雾等,对人体造成危害,因此,焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题。其中,十分重要的就是要应用焊接机器人。
(二)题目研究的主要内容:
设计一个用于焊接的关节型机器人,进行机器人的总体方案设计、腰结构设计及其零件设计。
关节型机器人的机械本体部分一般为由各种关节串接起若干连杆组成的开链式机构。由于结构上的原因,其关节通常只有转动型和移动型。关节型机器人主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构,因此本体结构通常包括关节型机器人的机座结构及腰部关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。我所做的课题偏重与机座和腰部的结构设计。
弧焊机器人多采用占地面积小,动作范围较大的关节型操作机,其灵活性大,能以最佳状态决定焊枪的位置。
(三)国内外现状综述:
目前,对机器人技术的发展有最重要影响的国家是日本和美国。美国在机器人技术的综合性水平上仍处于领先地位,日本生产的机器人数量和种类则居世界首位。我国发展机器人技术起步于20世纪70年代末。1995年9月,6000m水下机器人试验成功.近年来,在步行机器人、精密装配机器人及多自由度关节型机器人研制等前沿领域内逐步缩短与世界水平的差距。
自从第一台工业机器人问世以来,机器人的应用领域从汽车工业逐渐向其他行业渗透,机器人的种类也从操作手逐渐衍生出各种各样的机器人,如今机器人已经深入到人类生活的方方面面。人类科技的进步、文明的发展已经和机器人产生了密切的关系。人类社会的发展已经离不开机器人技术,而机器人技术的进步必然对推动科技发展产生不可忽视的作用。当前和今后的机器人技术正逐渐向着具有行走能力、对环境的自主性强、具有多种感觉能力的方向发展。机器人也正在逐渐具有智能。美国贝尔科尔公司已成功地将神经网络装配在芯片上,其智能分析速度比普通计算机要快数千倍,能更好地完成识别语言和图像处理等工作。
华中理工大学的熊腊森、彭振国、陈一坚和曹东杰教授合著的一篇论文,题为《IR761/125型点焊机器人在平头驾驶室总装生产线上的应用》,它主要介绍了IR761/125型点焊机器人的机械结构和控制系统;重点讨论了该机器人的焊接生产应用;提出了机器人的使用维护和故障处理建议。
南京机械专科学校的徐锦康、邵群涛和刘启芬合著的论文《XZ-I型弧焊机器人》主要介绍了XZ-I型机器人操作机结构和机构设计,位置交流伺服控制系统及计算机控制软件特点,给出了主要算法。
二、本题目拟解决的问题
焊接机器人具有6个自由度:① 腰关节回转;② 臂关节俯仰;③ 肘关节俯仰;④ 腕关节仰腕;⑤ 摆腕;⑥旋腕。其中要详细地设计机器人基座和腰部的结构。整体机器人要实现腕部最大负荷6kg,最大速度2m/s,最大工作空间半径1500mm 。
在设计过程中要考虑到很多问题:① 机器人的六个关节采用何种驱动器;② 传动比的选择要合理;③ 同一轴上的轴承要保证很好的同轴度;④基座采用何种材料如何制造;⑤ 立柱与大臂如何联接;⑥ 要有足够大的安装基面,以保证机器人工作时的稳定性;⑦ 腰座承受机器人全部重量和工作载荷,应保证足够的强度、刚度和承载能力;⑧ 腰座轴系及传动链的精度对末端执行器的运行精度影响最大。因此腰座与手臂的联接要有可靠的定位基准面。
三、 解决方案及预期效果
(一)解决方案:
机器人大体采用PUMA型
1. 操作机的驱动系统设计;
关节型机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构,它们常和执行机构联成一体,驱动臂杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高,可靠性好,能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。
2. 速度和位置检测;
3. 伺服控制系统选择;
4. 工作空间的确定;
5. 机器人本体结构设计;
①内部铝铸件形状复杂,既用作内部齿轮安装壳体与轴的支承座,又兼作承力骨架,传递集中载荷。这样不仅节省材料,减少加工量,又使整体质量减轻。手臂外壁与铸件骨架采用胶接,使连接件减少,工艺简单,减轻了质量。
② 轴承外形环定位简单。一般在无轴向载荷处,载荷外环采用端面打冲定位的方法。
③ 采用薄壁轴承与滑动铜衬套,以减少结构尺寸,减轻质量。
④ 有些小尺寸齿轮与轴加工成一体,减少连接件,增加了传递刚度。
⑤ 大、小臂,手腕部结构密度大,很少有多余空隙。如电机与臂的外壁仅有0.5mm间隙,手腕内部齿轮传动安排亦是紧密无间。这样使总的尺寸减少,质量减少。
⑥ 工作范围大,适应性广。PUMA除了自身立柱所占空间以外,它的工作空间几乎是他的长臂所能达到的全球空间。再加之其手腕轴的活动角度大,因此使它工作时位姿的适应性强。譬如用手腕拧螺钉,手腕关节4,6配合,一次就能转1112°。
⑦ 由于结构上采用了刚性齿轮传动,调整齿轮间隙机构,弹性万向联轴器,工艺上加工精密,多用整体铸件,使得重复定位精度高。
⑧ 机器人手臂材料的选择:
机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求,机器人手臂要完成各种运动。因此,对材料的一个要求是作为运动的部件,它应是轻型材料。而另一方面,手臂在运动过程中往往会产生振动,这将大大降低它的运动精度。因此,在选择材料时,需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑,以便有效地提高手臂的动态性能。
机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时,不应有变形和断裂。从力学角度看,即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料,如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的,又要具有很好的受控性,因此,要求手臂比较轻。综合而言,应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中,非金属材料有尼龙6、聚乙烯和碳素纤维等;金属材料以轻合金为主。
⑨腰关节采用齿轮二级传动。总传动比为48,第一级传动传动比为4,第二级传动比为12,主轴的角速度为3.82 rad/s。
(二)预期效果:
工作可靠,结构简单;装卸方便,便于维修、调整;能很好的实现自动电弧焊的功能。
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自由度
焊接
机器人
设计
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