HZB焊接机器人课设1211Word下载.docx
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班级:
0831305
学号:
2013212719
指导教师:
林海波
设计时间:
2016年10月
重庆邮电大学自动化学院制
摘要
六自由度机器人是一种典型的工业机器人,可广泛应用于运动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中。
六自由度机器人是成熟完备的运动控制技术与先进的设计和工业应用领域的结合,在教学领域开出的新的奇葩。
既满足工业现场要求,也是教学实验、科研机构进行运动规划和编程系统设计的理想对象。
该机器人采用六关节串联结构,各个关节以伺服电机精密谐波减速器为传动。
另外机器人采用手柄控制,开关设置人性化,不仅操作方便,而且可靠安全稳定,高速高精度,高安全性。
关键词:
六自由度;
焊接机械手;
伺服电机
一、设计内容及要求................................................................................4
2.1.3焊接机器人研究意义...................................................................................5
2.4运动学分析...................................................................................8
2.5机器人动力学原理理解和分析....................................................16
2.6.1工作空间..................................................................................................18
2.6.2工作空间与机器人结构尺寸的相关性...................................................18
2.7焊接机器人结构设计...................................................................22
2.7.1传动方案的确定.......................................................................................22
2.7.2手腕传动..................................................................................................23
2.7.3底座及腰部.............................................................................................24
2.7.2手臂..........................................................................................................24
三、心得体会..........................................................................................................37
一、设计内容及要求
六自由度关节焊接机器人直流伺服电机设计与分析:
1、六自由度关节焊接机器人运动学原理理解和分析,
2、六自由度关节焊接机器人动力学原理理解和分析,,
3、直流伺服电机原理理解和分析,
4、六自由度关节焊接机器人直流伺服电机设计和分析,
5、六自由度关节焊接机器人直流伺服电机电气工程量数量关系分析和计算。
6、六自由度关节焊接机器人直流伺服电机电气元器件和电线电缆的选择。
二、设计正文报告
2.1设计背景与意义
工业机器人对人们的日常生活和高新技术产业产生了重大的影响,因此工业机器人是现代制造技术和新兴技术产业发展的重要标志之一,且已为世人所认同。
而焊接机器人作为工业机器人大家庭中最大的一族,在各国工业机器人中的应用比例高达总数的40~60%,由此可见,研究焊接机器人意义重大。
在实际应用中焊接机器人最普遍的方式主要有两种:
点焊和电弧焊。
焊接机器人就是在焊接生产领域中代替焊工从事焊接任务的工业机器人。
这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的,而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具构成的。
在多任务环境中,一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务,机器人可以根据程序要求和任务性质自动更换机器人手腕上的工具,完成相应的任务。
2.1.1焊接机器人概述
焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。
工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机,具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。
为了适应不同的用途,工业机器人最后一个轴的机械接口,通常是一个连接法兰,可接装不同工具或称末端执行器。
焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的,使之能进行焊接,切割或热喷涂。
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来,机器人的应用和技术发展经历了三个阶段:
示教再现型机器人、具有感知能力的机器人、智能型机器人。
2.1.2焊接机器人国内外研究现状
(1)国外研究现状
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来,机器人在工业发达国家得到了迅速发展。
其中日本具有机器人王国之称,此外,世界上还有许多工业发达国家,如美国、前苏联等一些国家的机器人产业也发展得很快。
在亚洲,韩国的机器人产业发展也很迅速,现排名世界前列。
现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为,在机械结构上以发展关节型机器人为主流,在控制系统方面主要是发展基于PC的开放结构的控制系统,在驱动技术方面主要是发展AC伺服驱动技术,此外智能化传感器技术的机器人数量呈上升趋势。
焊接机器人技术正朝着高速、高精度、多功能化方向发展。
(2)国内研究现状
我国的工业机器人技术经过三十多年的发展,现在已掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,开发出了弧焊、点焊、装配等机器人;
现阶段我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。
其中弧焊机器人已广泛应用于各大汽车制造厂的自动焊装线上。
但从总体上来看,我国的工业机器人技术及其工程上的应用水平和国外相比起来还有一定的差距。
现阶段我国工业机器人技术主题发展战略目标是:
根据2l世纪初,我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高新技术发展方向,创新性地进行研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、关键技术,产品技术和系统技术。
2.1.3焊接机器人研究意义
(1)提高和稳定焊接质量,保证其焊缝均一性。
(2)改善了劳动条件,减少工人劳动强度。
(3)提高劳动生产率,提高经济效益。
(4)产品周期明确,容易控制产品产量。
(5)缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。
2.2设计内容
本设计是六自由度焊接机器人设计,所以需要设计六部电机来驱动。
本设计的主要内容包括焊接机器人本体设计和和控制系统设计。
(1)焊接机器人本体设计
焊接机器人的机械部分是整个机器人的执行机构,机构型式的好坏,将直接影响到整个系统的好坏。
所以,机构的设计是非常重要。
在本设计机构中,主要包括运动副型式的合理选择,驱动的最佳速比等。
本设计还需要设计六部电机的安装位置、尺寸大小,连杆的设计,机械手等各个关节的设计。
(2)焊接机器人控制系统设计
首先选择合适的控制系统,绘制出控制系统结构框图,然后选择合适的运动控制器、驱动器、伺服电机型号来搭建控制系统硬件平台。
2.3设计方案
(1)焊接机器人机械本体总体布局
总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置,并使机器人有一个协调完美的造型。
总体布局要通过联系尺寸来体现,联系尺寸同时也是结构设计的关键。
初步确定的联系尺寸是个部件的设计依据,并通过部件的设计,此外还应对联系尺寸进行必要的修改,最后确定总体装配图。
(2)总体方案设计
总体方案主要包括:
系统运动方式的确定、伺服系统的选择、控制系统的选择等内容。
系统运动方式的确定:
焊接机器人按运动方式已由题目确定好了,选用六轴联动式关节型。
伺服系统的选择:
1)伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转一个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接收的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又接收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。
2)直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。
控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或者正弦波换相。
电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射小,长寿命,可用于各种环境。
控制系统硬件设计:
根据系统要求确定系统电气控制的结构图,选择电气元器件的参数和型号,绘制电气原理图。
2.4运动学分析
概述
多自由度机器人是具有多个关节的空间机构,为了描述末端执行器在空间的位置和姿态,可以在每个关节上建立一个坐标系,利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位姿。
建立坐标系的方法有多种.
常用的有D-H法和五参数法及矩阵变换法等。
D-H法是1955年由Denavit和Hartenber提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。
它用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系,用一个4×
4的齐次变换矩阵描述相临两连杆的空间关系,从而推导出“末端执行器坐标系”相对于“基坐标系”的等价齐次坐标变换矩阵,建立操作臂的运动方程。
本文中使用D-H法来建立坐标系并推导该机器人的运动方程。
各杆件和关节的示意图如图3-1(a)。
连接杆1与杆2的关节为关节2,记做J2,O0,O1的原点在关节2转轴上,连接杆2与杆3的关节为关节3,记做J3,O3的原点在关节3转轴上,依次类推。
最终建立机器人坐标系如图3-1(b).
其中表明坐标间关系的四个参数为:
1、
:
从
到
沿
测得的距离。
2、
绕
测得的角度。
3、
4、
表3.1PUMA560机器人连杆参数
连杆i
变量
变量范围
1
(90°
)
0°
-160°
~160°
2
(0°
-90°
-225°
~45°
3
(-90
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- HZB 焊接 机器人 1211