基于工業(yè)機器人的玻璃纖維管自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真,基于,工業(yè),機器人,玻璃纖維,自動化,鉆孔,系統(tǒng),設(shè)計,仿真 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 基于工業(yè)機器人的玻璃纖維管自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 金陵科技學院學士學位論文 目錄 目 錄 III 金陵科技學院學士學位論文 目錄 摘 要 III Abstract IV 1緒論 1 1.1課題設(shè)計背景及意義 1 1.2工業(yè)機器人概述 1 1.3國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展 2 1.4課題設(shè)計主要工作和內(nèi)容 3 2 方案分析 4 2.1管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案1 4 2.1.1方案說明 4 2.1.2可能存在的問題 5 2.2管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案2 5 2.2.1方案說明 5 2.2.2可能存在的問題 6 2.3管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案3 6 2.3.1方案說明 6 2.3.2可能存在的問題 7 3.方案確定與機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 3.1引言 8 3.2機器人設(shè)計 8 3.3 工業(yè)機器人的主要用途及技術(shù)參數(shù) 9 3.4 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計與分析 10 3.4.1設(shè)計要求 10 3.4.2設(shè)計方案 11 3.4.3 工業(yè)機器人主要零部件 11 3.5 工業(yè)機器人移動平臺的設(shè)計 15 3.5.1 齒輪齒條傳動的特點 16 3.5.2 齒輪齒條的計算 17 3.6 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 18 3.6.1驅(qū)動方式選擇 18 3.6.2 電機與減速器的設(shè)計計算與選型 19 3.7 本章小結(jié) 20 4 自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真 21 4.1 Creo建模 21 4.1.1 機器人建模 21 4.2 自動鉆孔系統(tǒng)的設(shè)計與建模 25 5 總結(jié)與展望 29 5.1 總結(jié) 29 5.2 展望 29 參考文獻 30 致謝 31 金陵科技學院學士學位論文 摘要 基于工業(yè)機器人的玻璃纖維管自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真? 摘 要 隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，大大小小的企業(yè)也都引進了機器人技術(shù)。本文主要闡述了六自由度機器人本體的總體構(gòu)成及其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對機器人單關(guān)節(jié)位置進行了簡單的研究。 本課題來自企業(yè)橫向課題。該企業(yè)專門制造生產(chǎn)玻璃纖維管，需要在其圓周方向加工若干均布孔。由于管材尺寸較大且現(xiàn)有加工設(shè)備較低級，因此目前仍采用人工使用鋸片切割的形式加工，加工截面粗糙且精度較差。針對該加工對象，本課題考慮采用基于工業(yè)機器人設(shè)計開發(fā)自動化鉆孔系統(tǒng)的模擬試驗平臺，該平臺加工對象為比例縮小的管材，可以實現(xiàn)管材加工工位精確定位和鉆孔。內(nèi)容主要包括工業(yè)機器人系統(tǒng)的建模與加工仿真。 本次設(shè)計主要利用Creo軟件對每個模塊進行三維模型的建立，最后在裝配環(huán)境下實現(xiàn)每個零件的裝配及運動，選取幾個能鉆孔的的零界點，驗證該方案的可行性。 關(guān)鍵字：工業(yè)機器人；精度；Creo；鉆孔 金陵科技學院學士學位論文 Abstract Based glass fiber tube drilling automation system design and simulation of industrial robot Abstract With the rapid development of modern industry, industrial robots are becoming more widespread, large and small companies have also introduced a robot technology. This article focuses on the overall composition and the specific design of the body of six degrees of freedom manipulator, and the manipulator single joint position for a simple study. This paper from the enterprise horizontal topic. The enterprise specializes in manufacturing glass fiber pipe production, the need for processing a plurality of holes uniformly distributed in the circumferential direction. Due to the larger size of the pipe and the existing processing equipment lower level, there is currently still using artificial form of blade cutting, machining sectional rough and poor accuracy. For the object to be processed, to consider this issue based on simulation test platform design and development of industrial robots, automated drilling system, the platform target for the scaled-down pipe, pipe processing stations can achieve precise positioning and drilling. Mainly including modeling and process simulation of industrial robot systems. The main advantage of Creo design software to build three-dimensional model for each module, and finally realize the assembly and movement of each part in the assembly environment, few can select zero boundary point of drilling, to verify the feasibility of the program. Keywords: Industrial robots; accuracy; Proe; drilling; IV 金陵科技學院學士學位論文 第1章 緒論 1緒論 1.1課題設(shè)計背景及意義 由于現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，機器人技術(shù)越來越成熟，應用也越來越廣泛，很多企業(yè)都引用了機器人技術(shù)。 尤其是科技的不斷進步與創(chuàng)新，傳統(tǒng)的生產(chǎn)關(guān)系已被打破，人類逐漸從生產(chǎn)勞動中解放出來，被機械加工所取代，給而人類社會帶來了出巨大的財富，加速了人類社會的進步與發(fā)展。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，人類充分發(fā)揮自己的想象力與創(chuàng)新能力，在原有的基礎(chǔ)上加強了對于機械的制造與控制能力，擴大了機械的應用領(lǐng)域。而工業(yè)機器人的出現(xiàn)與發(fā)展正是人類在使用機械進行生產(chǎn)勞作史上的一個里程碑。 由于工業(yè)機器人的特殊性，使得其可以代替人類在各種惡劣的場合及一些需要長時間工作的場合進行生產(chǎn)活動，減少了對人的傷害，例如在焊接、涂裝、鑄造、涂裝和簡單裝配等工序，以及一些特種加工部門，完成搬運對人體有害物料或工藝操作。工業(yè)機器人應用廣泛，不僅是為了保護人身安全，同時也能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和費用，擴大生產(chǎn)，實現(xiàn)長遠發(fā)展。因此，研究開發(fā)和設(shè)計推廣特種機器人工業(yè)機器人，為社會的長遠發(fā)展具有非常的現(xiàn)實意義。 1.2工業(yè)機器人概述 一臺典型的工業(yè)機器人由操作機、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成。如圖1.1所示。 圖1.1 工業(yè)機器人的組成 操作機是機器人的骨架，主要起支撐作用和承載，并已符合人手臂的功能是把物體在太空中被逮捕或機械手段操作，包括基地，手臂，手腕和末端執(zhí)行器。機器人是固定相對于底座和承受各成分的力，主要是用于支撐手臂，手腕和調(diào)整端部執(zhí)行器，通過機器的操作，并連接到在手腕桿關(guān)節(jié)和筆記主要用于支持自由2-3旋轉(zhuǎn)度，也能夠擴大該臂的工作范圍。端部執(zhí)行器，也被稱為手，該設(shè)備的操作是直接執(zhí)行的機器，也可以在必要時安裝夾具，工具，傳感器等。驅(qū)動裝置肌肉機器人，是用于向機器人提供電力的部分原因，它主要用于操作所述驅(qū)動單元被操作。控制系統(tǒng)是機器人的，主要是用于根據(jù)需要控制機器人的動作的大腦中，控制系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)中，與快速的發(fā)展和進步現(xiàn)代計算機技術(shù)，許多工業(yè)機器人也開始采用電腦系統(tǒng)控制。 1.3國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展 工業(yè)機器人的誕生地是美國，其擁有堅實的基礎(chǔ)和先進的技術(shù)，使得它在工業(yè)機器人的發(fā)展中起到無可替代的作用。因而美國在一段時間內(nèi)掀起了研發(fā)工業(yè)機器人的狂潮，工業(yè)機器人研發(fā)與制造公司如雨后春筍般冒了出來?，F(xiàn)如今，Adept?Technologe?、Emersom?Industrial?Automation?等此類公司已經(jīng)站在了機器人行業(yè)的頂峰。 德國的制造技術(shù)處于世界一流水平，而在機器人研發(fā)與制造方面也沒有落后，僅次于日本和美國，居于世界第三，尤其在智能機器人的研究和應用領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。而現(xiàn)在機器人正向著智能化與模塊化發(fā)展，德國的機器人有很大的發(fā)展前景及升值空間。 日系與歐系是世界上機器人生產(chǎn)商的兩大派系。兩者各有優(yōu)缺點，適用于不同的場合?，F(xiàn)如今，ABB機器人公司的機器人產(chǎn)品遍布個行各業(yè)，廣泛應用于各類生產(chǎn)加工及生活服務，極大的減少了人工的操作，提高了生產(chǎn)效率，增加了企業(yè)的利潤。 我國由于在建國后政策上出現(xiàn)了一些重大失誤，錯失了參與第二次科技革命的機會，使得我國工業(yè)機器人起步較晚，大約在上世紀70年代初期我國的工業(yè)機器人發(fā)展大致可分為以下三個階段：70年代的起步期，80年代的成長期和90年代的成熟期。雖然中國近幾年的發(fā)展很快，尤其是在經(jīng)濟領(lǐng)域，已成為世界上第二大經(jīng)濟體，但是在一些機械及科研領(lǐng)域仍處于世界中下層，無法和國際同行相比。我國也有一些自主研發(fā)的工業(yè)機器人，如新松、華昌達等，但是市場占有率無法與國際同行相比，并且很多工業(yè)機器人相關(guān)的核心技術(shù)也未曾掌握，阻礙了我國工業(yè)機器人的發(fā)展。 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，機器人也向著智能化與模塊化方向發(fā)展，盡最大可能解放人的勞動已不再是一個夢或者少數(shù)行業(yè)巨頭的特權(quán)。機器人的智能化也極大的減少了企業(yè)在設(shè)備上的資金投入，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。這對于企業(yè)發(fā)展與社會進步具有深遠的影響。最近，科技行業(yè)公司谷歌也在大力收購工業(yè)機器人公司，正是因為它看到了智能機器人廣闊的發(fā)展前景，通過結(jié)合自身在人工智能方面的優(yōu)勢，可以大力拉動經(jīng)濟的增長，為公司的長遠發(fā)展鋪路。 1.4課題設(shè)計主要工作和內(nèi)容 本課題來自企業(yè)橫向課題。該企業(yè)專門制造生產(chǎn)玻璃纖維管，需要在其圓周方向加工若干均布孔。由于管材尺寸較大且現(xiàn)有加工設(shè)備較低級，因此目前仍采用人工使用鋸片切割的形式加工，加工截面粗糙且精度較差。針對該加工對象，本課題考慮采用基于工業(yè)機器人設(shè)計開發(fā)自動化鉆孔系統(tǒng)的模擬試驗平臺，該平臺加工對象為比例縮小的管材，可以實現(xiàn)管材加工工位精確定位和鉆孔。內(nèi)容主要包括工業(yè)機器人系統(tǒng)的建模與分析。 31 金陵科技學院學士學位論文 第2章 方案分析 2 方案分析 2.1管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案1 2.1.1方案說明 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運動原理如圖2.1所示。工作臺可沿軌道作軸向進給運動，其上安裝有一個可沿圓管徑向作進給運動的鍵槽銑刀，圓管可作軸向雙向回轉(zhuǎn)。銑刀端部安裝有激光測距儀，用于檢測銑刀與圓管表面的距離，由銑刀的徑向進給控制切割深度，通過工作臺的軸向進給和圓管的軸向回轉(zhuǎn)聯(lián)動實現(xiàn)孔輪廓的切割。具體的孔輪廓加工路徑如圖2.2所示。 圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運動原理 圖2.2 孔輪廓加工路徑圖 A點為鍵槽銑刀初始位置，C點為待加工孔徑的左極限位置。銑刀整個運動路徑可分4個階段：銑刀由A點——>O點的同時，圓管表面自上向下運動，則圓管表面在聯(lián)動作用下形成AB圓??；銑刀由O點——>C點的同時，圓管表面自下向上運動，形成BC圓??；銑刀C——>O時，圓管表面自下向上，形成CD圓弧；銑刀O——>A時，圓管表面自上向下，形成DA圓弧，完成孔加工。 2.1.2可能存在的問題 1.孔加工路徑是由工作臺的軸向進給和圓管的軸向回轉(zhuǎn)聯(lián)動并插補形成的圓弧，因此需要圓管回轉(zhuǎn)運動也具有較高精度的位置和速度伺服，如現(xiàn)有設(shè)備不具有該功能，還需進一步改造。 2.現(xiàn)有的加工設(shè)備具有一套數(shù)控系統(tǒng)，本方案的數(shù)控系統(tǒng)是需要獨立的還是和原有系統(tǒng)結(jié)合仍需作進一步協(xié)商。 3.之所以控制鍵槽銑刀的切割深度是基于以下考慮：根據(jù)客戶的初步要求——打孔最好是在圓管仍在芯模上進行，因此需避免銑刀切割時損傷芯模的情況，但由于加工誤差的因素，很可能出現(xiàn)打孔后仍有圓片與管道粘連的情況，因此在脫模后還需工人對孔輪廓部位進一步修整。如果不要求圓管在芯模上打孔，則上述情況不存在。 2.2管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案2 2.2.1方案說明 該方案結(jié)構(gòu)運動原理如圖2.3所示。與方案1不同的是，工作臺具有兩個自由度，即可沿軌道作軸向進給和周向進給，通過兩方向的聯(lián)動插補實現(xiàn)孔輪廓的加工。該方案不需圓管具有軸向回轉(zhuǎn)伺服功能。 圖2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運動原理 2.2.2可能存在的問題 1.現(xiàn)有的加工設(shè)備具有一套數(shù)控系統(tǒng)，本方案的數(shù)控系統(tǒng)是需要獨立的還是和原有系統(tǒng)結(jié)合仍需作進一步協(xié)商。 2.與方案1中問題3的情況相同。 2.3管道鉆孔設(shè)備技術(shù)方案3 2.3.1方案說明 采用ABB或FUNAC六軸工業(yè)機器人，末端夾持鍵槽銑刀進行鉆孔。通用性和柔性較好，如圖2.4所示。 圖2.4 工業(yè)機器人 2.3.2可能存在的問題 1.成本較高。 2.一般工業(yè)機器人基座是固定的，要綜合考慮所要加工的孔間距范圍以及現(xiàn)有導軌車的承載能力等來確定采用該機器人的方式。如果孔間距不大，可采取固定工位。如果孔間距較大，可采用多個工業(yè)機器人（成本成倍增加）或機器人基座移動（綜合考慮導軌車的承載能力、結(jié)構(gòu)的動態(tài)穩(wěn)定性對加工誤差的影響等）。 金陵科技學院學士學位論文 第3章 方案確定與機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.方案確定與機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1引言 ABB專門從事開發(fā)，生產(chǎn)機器人擁有30年的經(jīng)驗，并已安裝了16萬多套，在世界機器人。作為工業(yè)機器人的先驅(qū)和全球領(lǐng)先的工業(yè)機器人制造商之一，在瑞典，挪威和中國上海等地與機器人的研發(fā)，制造和銷售基地。 ABB于1974年設(shè)計了世界上第一臺工業(yè)機器人，并擁有世界上種類最多，最全面的機器人產(chǎn)品，技術(shù)和最大的整機銷售。 ABB領(lǐng)先不僅體現(xiàn)在市場份額，其龐大的規(guī)模，而且其長遠的眼光和巨大的研發(fā)投入。 本設(shè)計采用方案三的設(shè)計方案，使用ABB六軸工業(yè)機器人，末端夾持鍵槽銑刀進行鉆孔。通用性和柔性較好。 圖3.1 IRB 4600 3.2機器人設(shè)計 機器人的優(yōu)點 （1） 精度高 工業(yè)機器人的精度高達0.05，其運轉(zhuǎn)速度快，加工效率高，在擴大產(chǎn)能、提升效率方面，擁有無可比擬的優(yōu)勢，尤其擅長應用于點膠、機加工、測量、裝配及焊接等方面。此外，該機器人采用“所編即所得”的程序編寫機制，縮短了編程時間和生產(chǎn)周期。 在任何應用場合下，尤其是當新產(chǎn)品上線或生產(chǎn)線調(diào)整時，上訴編程功能可以最大限度地加快機器人的調(diào)試過程，減少生產(chǎn)線暫停時間，提高生產(chǎn)效率。 （2） 周期短 該機器人采用了最新優(yōu)化的設(shè)計，小巧輕便的機身，同類產(chǎn)品的最大加速度，其超快的運行速度，由此產(chǎn)生的周期時間與行業(yè)可以減少25％最低標準相比相結(jié)合。操作上，機器人，同時避免在賽道上的障礙和路徑，可以始終保持最高加速度，從而提高生產(chǎn)力和效率。 （3） 范圍大 該機器人的工作范圍大，可實現(xiàn)以達到全面優(yōu)化的距離，周期時間，輔助設(shè)備等多個方面。機器人可與地面，傾斜，半支架等安裝倒靈活，以模擬最佳布局提供了極大便利。 （4） 機身纖巧 該機器人占地面積小，軸1轉(zhuǎn)座半徑短，軸3肘部纖細，小巧的上臂和下臂，手腕緊湊，這些特點使其成為同類產(chǎn)品中最“苗條”的機器人。在規(guī)劃生產(chǎn)裝置的布局，機器能走近從而降低了整個工作站面積，單位面積產(chǎn)量，提高工作效率。 3.3 工業(yè)機器人的主要用途及技術(shù)參數(shù) 在本文中，工業(yè)用機器人的設(shè)計是一個六自由度關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人，設(shè)計機器人的額定負載為8千克，負載的主要類型定位恒定負載，末端工具為銑刀。 機器人技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)機器人制造商根據(jù)不同機器人的技術(shù)參數(shù)提供不同的產(chǎn)品。一般情況下，工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)包括: （1）自由度的確定 為了確定在空間中的剛體位置，首先需要在這一點上剛體的選擇，并指定點的位置，這樣，三個數(shù)據(jù)，以確定該點的位置。然而，即使該對象的位置已被確定，有辦法來定位所選擇的點的姿態(tài)的對象無數(shù)。為了完全使對象定位，不僅要確定對象選定點的位置，而且還要確定對象的姿態(tài)，也就是六個數(shù)據(jù)完全確定該剛性物體的位置和姿態(tài)。 (2)精度 精度是指機器人到達指定點的精確程度。 (3)重復精度 重復性意味著，如果是重復的動作，所述機器人的準確位置來達到同樣的級別。驅(qū)動機器人100被假定為達到同樣的倍的位置，因為許多因素會影響機器人的位置的精度，機器人可能不總是能夠準確地實現(xiàn)，但應在相同的點作為中心的圓形 地區(qū)。 (4)運動范圍 運動的范圍是指機器人在工作區(qū)間能夠達到的最大距離。該機器人可以到達任何他們在工作區(qū)域（稱為智能點）的態(tài)度的許多觀點。然而，對于機器人的運動一些其他的范圍是接近極限點，你可以不指定任何姿勢（稱為非智能點）。運動的機器人關(guān)節(jié)的活動范圍是它的長度和配置功能。 (5)負荷能力 負載容量是在滿足其他性能要求的情況下，機械手能承載負荷重量，例如，工業(yè)機器人可能比它的額定負載容量的最大負載容量大得多，但在最大負荷時，機器人可能的工作精度降低，沿著預定的軌跡可能不準確，或產(chǎn)生額外的偏差。用其自身的重量負載機器人往往是非常小的。 通過對多個國際知名品牌的工業(yè)機器人原型產(chǎn)品，樣品，綜合的結(jié)合研究分析，確定工業(yè)機器人的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)，見表3.1。 表3.1機器人的主要性能參數(shù) 名稱 IRB 4600型工業(yè)機器人 結(jié)構(gòu) 自由度 重復定位精度 最 大 動 作 范 圍 最 大 速 度 S-軸(腰部回轉(zhuǎn)) L-軸(大臂) U-軸(小臂) R-軸(腕部扭轉(zhuǎn)) B-軸(腕部俯仰) T-軸(腕部回轉(zhuǎn)) 負載重量 末端最大速度 末端最大加速度 電氣連接 垂直多關(guān)節(jié) 6 ±0.14mm ±180° 200°/s +180°/-45° 200°/s +90°/-180° 260°/s ±180° 360°/s ±120° 360°/s ±360° 450°/s 6kg 2.5m/s 10m/s2 電源電壓 220-500V . 50/60HZ 功耗 1.8KW 3.4 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計與分析 3.4.1設(shè)計要求 工業(yè)機器人制造商主要生產(chǎn)目前提供在外觀上，或更低，有異曲同工之妙六軸關(guān)節(jié)機器人結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)應該是一致的。外國工業(yè)基礎(chǔ)機器人參考經(jīng)典工業(yè)機器人，實際工作要做和系統(tǒng)的機械設(shè)計：即，其第一接頭旋轉(zhuǎn)軸線（所述的堿的旋轉(zhuǎn)軸），聯(lián)合第四的旋轉(zhuǎn)軸線，第六在同一平面上的關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線（手腕安裝板的凸緣部的旋轉(zhuǎn)中心）;第二旋轉(zhuǎn)軸接頭，第三關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動是平行于每個第五關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)軸，并垂直于前面提到的平面上;此外，同時允許旋轉(zhuǎn)的第四關(guān)節(jié)軸，第五和旋轉(zhuǎn)接頭軸線的轉(zhuǎn)動的第六關(guān)節(jié)軸相交于一點。 本次設(shè)計的工業(yè)機器人為關(guān)節(jié)型機器人，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計時要注意以下特點: (1) 一般可以將其設(shè)計為各個連桿之間首尾相連、末端沒有約束的開式連桿系。 (2)為了使機器人連桿得到恰當?shù)尿?qū)動扭矩，其瞬態(tài)過程在時域內(nèi)的變化十分復雜，而且與執(zhí)行機構(gòu)的反饋信號緊密聯(lián)系著。 (3)由于位姿的改變，連桿系的受力、剛度和動態(tài)性能會發(fā)生改變，這樣會使得機器人在工作時容易出現(xiàn)隨機振動與系統(tǒng)不穩(wěn)定的狀況。 3.4.2設(shè)計方案 該工業(yè)機器人的主要設(shè)計方案如下: 1、確定機器人的運動自由度 由于本次機器人實現(xiàn)的是鉆孔加工，所以對工業(yè)機器人的精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求，并且使機器人盡可能在實際工作空間里內(nèi)自由運動，所以確定工業(yè)機器人有六個自由度。 2、根據(jù)機器人的自由度，制定機器人的整體框架結(jié)構(gòu) 由于機械系統(tǒng)運動部件多且運動狀態(tài)容易改變，在操作時會出現(xiàn)沖擊和振動，所以采用最小運動慣量原則。 3、根據(jù)總體框架結(jié)構(gòu)，確定主要零部件的結(jié)構(gòu)尺寸 因為手腕、前臂機械系統(tǒng)都是高強度的材料，所以零件的質(zhì)量必須要小。韋德達到設(shè)計要求，杠桿必須選擇正確的橫截面形狀和大小，從而增加了接觸軸承剛度和剛性。 4、虛擬裝配 對零部件單個三維建模完成后，在Creo中進行虛擬裝配，在裝配過程中，檢查零件間的配合關(guān)系和干涉檢查，便于對機器人進行整體評估。 5、機器人運動的動態(tài)分析 通過手動的移動機器人到幾個比較難到達的關(guān)鍵點，觀察干涉情況，最終判斷機器人的實際工作情況。 3.4.3 工業(yè)機器人主要零部件 根據(jù)產(chǎn)品加工要求，在機器人模型的大體尺寸確定后，開始設(shè)計機器人本體各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，機器人本體零件與裝配體機構(gòu)如圖3.2～3.8所示。各部件組成和功能描述如下： 圖3.2 基座結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.3 腰部結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.4 大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.5 肘部結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.6 小臂結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.7 手腕結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 圖3.8 機器人本體結(jié)構(gòu)裝配圖 1 基座；2 腰部；3 大臂；4 肘部；5小臂；6 手腕。 圖3.8是工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是在三維繪圖軟件Creo中完成的。設(shè)計過程中，為了降低物理樣機成本和提高加工效率，所以大部分零件采用標準件。整機包括基座、腰部、大臂、肘部、小臂和腕部六大組件。 3.5 工業(yè)機器人移動平臺的設(shè)計 如圖3.9所示，機器人移動平臺也被稱為機器人導軌或機器人第7軸，其 運動方式是通過機器人移動基座平臺上的交流電機通過齒輪齒條驅(qū)動機器人在平臺左右兩條直線導軌上水平移動，兩條直線導軌同時可以起到導同作用，買現(xiàn)機器人沿機身航問的直線移動。移動機器人平臺沿工業(yè)機器人在體內(nèi)標題方向的移動空間拉伸，極大地增加了有效的工作空間機器人，以確保沿著廣泛機器人本體航向的方向，大批量的預鉆孔的可能性。 圖3.9 機器人移動平臺 3.5.1 齒輪齒條傳動的特點 齒輪做回轉(zhuǎn)運動，齒條做直線運動，齒輪可以看作一個齒數(shù)無窮多的齒條的一部分，這時齒輪的各圓均變?yōu)橹本€。齒條直線的速度v與齒輪的分度圓直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為 （ d—齒輪分度圓直徑，mm；N—齒輪轉(zhuǎn)速，r/min） 嚙合線與齒輪的基圓相切，由于齒條的基圓為無窮大，所以嚙合線與齒條基圓的切點在無窮遠處。齒輪與齒條嚙合時，不論是否標準安裝（齒輪與齒條標準安裝即為齒輪的分度圓與齒條的分度圓相切），其嚙合角恒等于齒輪分度圓壓力角，也等于齒條的齒形角；齒輪的節(jié)圓也恒與分度圓重合。只是在非標準安裝時，齒條的節(jié)線與分度線不再重合。 齒輪與齒條正確嚙合條件是基圓齒距相等，齒條的基圓齒距是其兩相鄰齒廓同側(cè)直線的垂直距離，即。 齒輪與齒條的實際嚙合線為，即齒條頂線及齒輪齒頂圓與嚙合線的交點及之間的長度。 圖4.9 齒輪齒條嚙合 3.5.2 齒輪齒條的計算 表3.2 齒輪齒條的計算 項目名稱 計算公式及代號 齒輪齒條數(shù)值 齒輪齒數(shù) 48 模數(shù) 2 螺旋角 基本齒廓 壓力角 齒頂高系數(shù) 1 頂隙系數(shù) 0.25 齒輪變位系數(shù) 0.418 尺寬 齒輪 45 齒條 50 齒條長度 8000 主要幾何參數(shù)計算 項目名稱 計算公式及代號 轉(zhuǎn)齒輪齒條數(shù)值 齒輪分度圓直徑 96 齒頂高 齒輪 2.836 齒條 2 齒根高 齒輪 1.664 齒條 2.5 齒高 齒輪 4.5 齒條 齒輪中心到齒條中心距 4.5 齒距 6.238 齒條齒數(shù) 1283 3.6 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 3.6.1驅(qū)動方式選擇 機器人的每個關(guān)節(jié)需要一定的驅(qū)動裝置以驅(qū)動所述驅(qū)動裝置，該可以是電氣，液壓或者氣動的。其中機器人采用的驅(qū)動系統(tǒng)不僅根據(jù)應用的實際需要的機器人的定位精度，速度和加速度控制，而且還有工業(yè)機器人的制造成本，控制器等因素的綜合考慮的復雜性。機器人驅(qū)動系統(tǒng)每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置可能也不是采用單一的驅(qū)動方式，可以是不同驅(qū)動方式的結(jié)合，從而獲得較高的性能價格比。下面就給出各種驅(qū)動方式的比較如表3.3，以作為選取伺服電機作為驅(qū)動方式的依據(jù)。 表3.3 各種驅(qū)動方式比較 比較內(nèi)容 驅(qū)動方式 機械 電機驅(qū)動 氣壓 液壓 異步或直流電機 伺服電機 輸出力矩 較大 較大 較小 較小 較大 控制性能 速度可高可低，機構(gòu)控制，定位精度高， 控制性能較差，慣性大，不易精確定位 控制性能良好，能精確定位，但控制系統(tǒng)復雜 精確定位較困難，低速時易控制 壓力流量易控制，能無極調(diào)速，反應迅速，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 應用范圍 自由度較少的機器人 高負載低速機器人 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型機器人 中小型機器人 適用范圍廣，尤其是重型機器人 3.6.2 電機與減速器的設(shè)計計算與選型 主要根據(jù)的扭矩大功率伺服電機的性能參數(shù)兩個方面，一般選擇如下：首先確定相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)和技術(shù)方案;其次，計算靜載荷扭矩伺服馬達，伺服馬達，以確定初始選擇，電動機的功率的最終計算。只是保證電動機的輸出功率等于或小于預選電動機的額定功率，或確保該電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大于預選電動機額定轉(zhuǎn)矩等于或更少。 以基座電機為例，在機器人極限條件下進行計算的：設(shè)機器人腰部、大臂、小臂以及手腕（帶最大負載）繞各自重心軸的傳動慣量為： 、、、，根據(jù)機器人靜力學分析，可得繞第一軸轉(zhuǎn)動慣量為： 其中，、、、（分別為27kg、22kg、25kg、9kg（末端最大負載8kg））各組件的質(zhì)量、、、分別為各自重心到第一關(guān)節(jié)原點的距離，從建模軟件中可以很容易得出這些數(shù)據(jù)，具體結(jié)果算出來為0.084、0.320、0.681、0.985，而在繞各自中心軸的轉(zhuǎn)動慣量中，可以忽略不計，所以，腰部承受的最大的轉(zhuǎn)動慣量為: 電機轉(zhuǎn)矩，取回轉(zhuǎn)加速度為，則需要的轉(zhuǎn)矩為: 考慮到摩擦力矩，取安全系數(shù)為1.5，因此可定為190N·m。 基座減速器需要輸出的轉(zhuǎn)矩為190N· m，同時，該關(guān)節(jié)的最大輸出轉(zhuǎn)速20r / min ,假設(shè)電機的轉(zhuǎn)速為3000r / min 。假設(shè)減速器的轉(zhuǎn)動效率為月η=80% , RV減速器選擇日本帝人公司RV-20E-5 ,額定輸出轉(zhuǎn)矩231N·m，轉(zhuǎn)速比105:1，輸入功率為: 根據(jù)計算結(jié)果，初步選定伺服電機，根據(jù)日本安川伺服電機公司提供的參數(shù)，選取系列的SGMAH-08A型電機，額定輸出為750W ,額定轉(zhuǎn)速為3000r / min ,額定扭矩為2.39N·m ,瞬時最大加速扭矩7.16N·m，電機折算到減速器輸出端的額定轉(zhuǎn)速約為為30r / min，滿足關(guān)節(jié)的最大輸出轉(zhuǎn)速。 依照這種方法對第二關(guān)節(jié)進行分析，以大臂與腰部的連接面的中心為坐標原點，重新取得各關(guān)節(jié)到第二關(guān)節(jié)原點的距離，取最大加速度為，乘以按系統(tǒng)數(shù)1.5，計算出承受在該關(guān)節(jié)上的最大轉(zhuǎn)矩為130.4N·m;其余關(guān)節(jié)也用類似方法去進行計算出第三、四、五關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)矩為13.1N·m、12.4N·m、0.92N·m。最后一個關(guān)節(jié)受轉(zhuǎn)矩影響較小，可以忽略不計。 根據(jù)上述計算結(jié)果，參考伺服電機的參數(shù)，大臂俯仰關(guān)節(jié)采用子V系列的SGMAH-04A型電機，額定轉(zhuǎn)速為3000r / min ,額定扭矩為1.27N·m ,瞬時最大加速扭矩3.82N·m ，RV減速器為帝人公司RV-20E，額定輸出轉(zhuǎn)矩為167N·m，額定轉(zhuǎn)速3000r / min。三、四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小相近，采用同一款伺服電機SGMAH-01，能承受額定扭矩0.381N·m，減速器采用Harmonic Drive的CSD-20型諧波減速器，減速比100:1，最大輸出扭矩28N·m，最大輸入轉(zhuǎn)速6500r / min。五、六關(guān)節(jié)力矩較小，采用SGMAH-A3型電機，額定扭矩0.095N·m，減速器采用Harmonic Drive的CSD-14型諧波減速器，減速比80:1，最大輸出扭矩5.4N·m。 3.7 本章小結(jié) 本章首先對鉆孔方案進行選擇，著重介紹了關(guān)節(jié)型多白由度工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計特點，對工業(yè)機器人進行了機械系統(tǒng)的設(shè)計。在確定好工業(yè)機器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，對該機器人進行了初步設(shè)計，運用目前通用的CAD三維設(shè)計軟件Creo對工業(yè)機器人的各主要零部件進行了設(shè)計，并裝配成完整的機器人模型。分析了當今主要的工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的類型，最終選擇了交流伺服電機配合減速器的方式去驅(qū)動機器人，根據(jù)靜力學的分析，對腰部與基座之間所需的轉(zhuǎn)矩進行了計算，通過詢問指導老師和查閱資料，確定了合理的電機與減速器的型號，并用此方法，確定了其余關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機與減速的型號。 金陵科技學院學士學位論文 第4章 自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真 4 自動化鉆孔系統(tǒng)設(shè)計與仿真 4.1 Creo建模 4.1.1 機器人建模 1、打開Creo2.0，新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】、【陣列】等命令對機器人基座進行設(shè)計建模，如圖4.1所示。 圖4.1 機器人基座 2、新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】、【陣列】等命令對機器人腰部進行設(shè)計建模，如圖4.2所示。 圖4.2 機器人腰部 3、新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】等命令對機器人大臂進行設(shè)計建模，如圖4.3所示。 圖4.3 機器人大臂 4、新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】等命令對機器人肘部進行設(shè)計建模，如圖4.4所示。 圖4.4 機器人肘部 5、新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】等命令對機器人小臂進行設(shè)計建模，如圖4.5所示。 圖4.5 機器人小臂 6、 新建零件模型，通過【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】等命令對機器人手腕進行設(shè)計建模，如圖4.6所示。 圖4.6 機器人手腕 7、新建裝配模型，通過【銷】連接將機械手臂的六個軸裝配在一起，并實現(xiàn)六個軸之間能相互轉(zhuǎn)動，如圖4.7所示。 圖4.7 機械手臂裝配圖 4.2 自動鉆孔系統(tǒng)的設(shè)計與建模 通過設(shè)計建模與簡單的動作分析，得出本次設(shè)計自動鉆孔系統(tǒng)的模型圖如下圖4.8～4.14所示。 圖4.8 自動鉆孔系統(tǒng)的整體布局圖 圖4.9 機器人零點位置 圖4.10 機器人待鉆孔位置 圖4.11 機器人鉆孔“A”位置 圖4.12 機器人鉆孔”B”位置 圖4.13 機器人鉆孔”C”位置 圖4.14 機器人鉆孔”D”位置 金陵科技學院學士學位論文 第5章 總結(jié)與展望 通過在Creo軟件的虛擬環(huán)境下，轉(zhuǎn)動機器人到達幾個鉆孔過程中的臨界點，已驗證此設(shè)計的可行性，簡單直觀。 5 總結(jié)與展望 5.1 總結(jié) 在這次畢業(yè)設(shè)計，我不僅更加全面系統(tǒng)的回顧了已學內(nèi)容，同時在搜索資料的過程中也收獲了許多課外知識，開拓了知識面，了解了未來機械加工的發(fā)展方向，使本人在專業(yè)知識和實踐操作方面有了質(zhì)的飛躍。 本文設(shè)計的主要目的是對玻璃纖維管的鉆孔設(shè)備進行優(yōu)化，為此，我們最初也提出了三種方案，然后在與指導老師研究談論過后，我們選擇的運用ABB機器人末端夾持銑刀進行輪廓鉆孔。配合小車導軌，最終實現(xiàn)鉆孔的自動化。以下為本文的主要獲得結(jié)果： 1、 根據(jù)實際加工需要，結(jié)合現(xiàn)在工業(yè)機器人的現(xiàn)狀，確定了機器人的工作參數(shù)，完成設(shè)計方案。 2、 分析了當今主要的工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的類型，最終選擇了用交流伺服電機配合減速器的方式作為機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，對電機與減速機的參數(shù)進行了驗算，選擇了安川伺服電機與諧波減速器(RV減速器)的型號，確保結(jié)果符合要求。 3、 結(jié)合實際生產(chǎn)要求，設(shè)計出整個鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)。 5.2 展望 本文主要在機器人及其整個鉆孔設(shè)備的模型上進行了研究，由于時間和能力有限，在各關(guān)節(jié)力的計算上和運動仿真上存在一些問題，下面針對這套系統(tǒng)做出一些展望： 1、 進一步完善機器人的本體設(shè)計，是的機器人結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。 2、 進一步完善機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，選擇性能更優(yōu)越的伺服電機和減速器。 3、 學習模擬仿真軟件，對整套設(shè)備進行虛擬的模擬仿真，已驗證方案的最終可行性。 金陵科技學院學士學位論文 參考文獻 參考文獻 [1] 曹文祥, 馮雪梅. 工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 機械制造, 2011, 558(49):41~43 [2] 陳煥明, 熊震宇, 劉頻. 弧焊機器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn). 上海交通大學學報, 2008, 42(Sup): 25~31 [3] 張牧, 李亮玉, 王天琪等. 基于 SolidWorks 的海洋平臺導管架弧焊機器人離線編程系統(tǒng). 上海交通大學學報, 2008, 42(Sup): 7~9 [4] 胡廣勝, 吳向陽, 李波. 高速列車轉(zhuǎn)向架焊接機器人離線編程系統(tǒng)的分析與開發(fā). 金屬加工, 2011, 4: 58~60 [5] 周青松. 噴涂機器人人機交互及離線編程系統(tǒng)的研究: [碩士論文]. 廣州: 華南理工大學圖書館, 2010. 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[17] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2009 金陵科技學院學士學位論文 致謝 致謝 畢業(yè)接近尾聲，這也意味著我的大學生活即將結(jié)束，學生生涯一晃而過，通過這兩年回頭看，我感覺很充實，當我完成了我的論文設(shè)計，有一種如釋重負的感覺，感慨很多。 首先，我要特別感謝我的指導老師郭語老師。本來做畢業(yè)設(shè)計是漫長而艱辛的過程，但是在整個過程中，郭語老師給了我很大的幫助，他一直陪伴著我，是的我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計，謝謝您！ 其次，我還要感謝這兩年來教我知識的所有老師，正因為有了你們所傳授的理論知識，我的畢業(yè)設(shè)計才能夠順利完成，在這里，我非常感謝你們。 最后，要向這兩年來所有幫助過我的同學們以及各位朋友們說聲謝謝。 畢業(yè)設(shè)計是我學生階段的最后一次作業(yè)，它不僅是對在校所學知識的全面歸納和綜合應用，也是我對所學知識的應用與總結(jié)，畢業(yè)設(shè)計的完成，同樣也意味著新的開始，希望所有人以后的生活會越來越好。