機器人給機床自動上下料設計

1、機器人給機床自動上下料設計摘 要由于機器人一詞帶有“人”字，再加上科幻小說和影視作品的宣傳，人們往往把機器人想象成為外貌象人的機電裝置，例如美國大片終結者、變形金剛、機器警察等等為我們形象的塑造了各種令人印象深刻的機器人形象。然而科幻片終究只是人類遙遠的夢想，其實在現(xiàn)實中，特別是工業(yè)機器人，與人的外貌毫無相象之處。在國家標準中，工業(yè)機器人被定義為：“一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！睓C器人賴以完成各種作業(yè)的機械實體被定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置?！笨梢?，工業(yè)機器人是一

2、機電系統(tǒng)，它的靈活程度和動態(tài)性能，直接影響著機器人系統(tǒng)的工作質量。搬運機器人不但能夠代替人的某些功能和動作，有時還能超過人的體力能力?？梢?4小時甚至更長時間連續(xù)重復運轉，還可以承受各種惡劣環(huán)境進行物體搬運作業(yè)，超過限度的必須由搬運機器人來完成。因此，在惡劣的環(huán)境中、重復性操作的工作一般可由機器人來代替。 關鍵詞： 1、機器人 2、搬運 3、代替人工 目 錄一、概 述11.1 機器人的發(fā)展概況11.2國外機器人研究現(xiàn)狀11.3國內(nèi)機器人研究現(xiàn)狀21.4 機器人總體結構類型41.5 工業(yè)機器人的組成6二、 機器人給機床自動上下料設計82.1 設計的相關信息82.2 自動線設計布局82.3 夾爪設

3、計92.4 機器人選型102.5 機器人外部軸設計13三、搬運機器人的未來發(fā)展趨勢15四、結論16致謝17參考文獻18一、概 述1.1 機器人的發(fā)展概況自從20 世紀60 年代初美國人創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。 目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機器人密度最高的行業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的

4、發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等領域機器人的應用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務機器人等均有應用實例。機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作

5、，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。有些人認為，最高級的機器人要做的和人一模一樣，其實非也。實際上，機器人是利用機械傳動、現(xiàn)代微電子技術組合而成的一種能模仿人某種技能的機械電子設備，他是在電子、機械及信息技術的基礎上發(fā)展而來的。然而，機器人的樣子不一定必須像人，只要能獨立完成一些人類的技能或有一定危險性的工作，就屬于機器人。1.2 國外機器人研究現(xiàn)狀以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的諧波減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。并聯(lián)機器人：采用并

6、聯(lián)機構，利用機器人技術，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。網(wǎng)絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司

7、的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。 可靠性：由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，基本上可以滿足任何場合的需求。 經(jīng)過五十多年的飛速發(fā)展，國外的機器人產(chǎn)業(yè)技術已經(jīng)非常成熟，形成了多家擁有高端技術的機器人企業(yè)。根據(jù)其算法和自身特點，可分為兩個派系，一個是以高精度、高性能的歐美機器人，代表性的公司如德國的KUKA、RIES，瑞典的ABB、史陶比爾等；

8、另一個派系則是以精度、可靠性更具性價比的日本系機器人，比較有代表性的公司有FANUC、川崎、安川、那智不二越等。1.3 國內(nèi)機器人研究現(xiàn)狀我國工業(yè)機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線相關的產(chǎn)品的年銷售額已突破10億元。目前國內(nèi)市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國市場上工業(yè)機器人總共擁有量盡萬臺，占全球總量的0.56%，其中完全國產(chǎn)工業(yè)機器人行業(yè)集中度占30%左右，其余都是從日

9、本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進的。國產(chǎn)工業(yè)機器人目前主要以國內(nèi)市場應用為主，年出口量為100臺左右，年出口額為0.2億元以上。目前，工業(yè)機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè)。在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。目前，由于機器人技術及研發(fā)的落后，工業(yè)機器人還主要應用在制造業(yè)，非制造業(yè)使用的較少。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)廠家所生產(chǎn)的哦工業(yè)機器人有超過一半是提供給汽車行業(yè)。由此可見，汽車工業(yè)的發(fā)展是近幾年我國工業(yè)機器人增長的原動力之一。進入80年代后，在高技術浪潮的沖擊下，隨著

10、改革開放的不斷深入，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。 從90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施

11、了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎。在機器人操作方面機制方面：已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人，如AVG、壁面爬行機器人，重復定位精度為0.024mm的裝配機器人，可潛入海底6000m的水下機器人，移動機器人，移動遙控機器人等，有些已達到實用化水平并應用于實際工程。在應用工程方面：目前國內(nèi)已建立了多條弧焊機器人生產(chǎn)線，裝配機器人生產(chǎn)線，噴涂生產(chǎn)線和焊接生產(chǎn)線。國內(nèi)的機器人技術研發(fā)力量已達到國際同類產(chǎn)品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產(chǎn)品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。然而，我們的機器人事業(yè)起步較晚，在發(fā)展的過程中同樣受

12、到世界上多個大機器人企業(yè)的市場排擠，發(fā)展也并非一帆風順。目前仍然有些難點需要我們克服，例如RV減速機的制造、伺服馬達、機器人的控制系統(tǒng)等。在有壓力的同時也有動力，不肯服輸?shù)闹袊艘灿幸恍┳龅帽容^好的機器人品牌，如新松、廣數(shù)等。1.4 機器人總體結構類型工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。141.直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度。但是，直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講

13、，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。下圖為直角坐標機器人：142.圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。示意圖如下：3. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工

14、作空間是一個類球形的空間。示意圖如下：4. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。下圖為六軸機器人：1.5 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅動一傳動裝置和控制系統(tǒng)三部分組成(如下圖所示)。1）執(zhí)行機構執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。2）驅動和傳動裝置工業(yè)機器人的驅動和傳動裝置包括驅動器和傳動機構兩個部分，它

15、們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動機構常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅動器通常有伺服電機、液壓或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。3）控制系統(tǒng)控統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各關節(jié)驅動器之間的運動，同時還要完成編程、示教再現(xiàn)以及和其他環(huán)境狀況(傳感器信息)、工藝要求、外部相關設備(如電焊機)之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。后者控制各關節(jié)驅動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動。二、 機器人給機床自動上下料設計2.1 設計的相關信息目標：用機器人給四臺數(shù)控機床自動上下料，全程無人參與加工。加工工件：調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈，內(nèi)徑260mm，外徑330

16、mm,重量為30KG。機床數(shù)量：四臺磨床+三臺退磁清洗機工件的加工節(jié)拍：180S/件加工工藝流程：內(nèi)圈外徑磨退磁清洗內(nèi)圈雙滾道磨退磁清洗內(nèi)圈內(nèi)徑磨退磁清洗超精滾道2.2 自動線設計布局根據(jù)已知信息，從占地面積及工藝流程的流暢性和可行性進行分析，作出了以下比較合理的布局方式，如下圖：圖中OP10為內(nèi)圈外徑磨，OP10為內(nèi)圈雙滾道磨，OP30為內(nèi)圈內(nèi)徑磨，OP40為超精滾道。2.3 夾爪設計一般機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機器人夾爪的驅動方式主要有三種1.氣動驅動方式 是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運

17、動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低并且系統(tǒng)相對簡單，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。2.電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。另外，用電機作為夾爪的驅動方式，結構體積較大且較重，不適宜安裝在負載能力有限的機器人終端軸上。3.液壓驅動方式 液壓驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。但系統(tǒng)較復雜，管路較多，

18、在一定程度上會限制機器人的活動范圍，不利于機構設計。2.3.1機器人夾爪的典型結構1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（松開）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。4.齒輪齒條式手爪這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手

19、指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。2.3.2設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設計按照工件的直徑為330mm來設計。手爪的具體結構形式如下圖所示：2.4 機器人選型因六軸機器人的相關技術已經(jīng)很成熟，直接采購比自己開發(fā)的機器人會更可靠更便宜，故機器人只需要在知名品牌中選型并購買即可，無需自己設計。為了提高機器人給機床上下料的效率，在機器人的第六軸上安裝兩個夾爪，可以同時夾持兩個工件。機器人首先從上料倉抓取一個待加工的毛坯，當機床

20、加工完畢后打開門，機器人進入機床內(nèi)，用空的夾爪將加工好的工件取下來，然后旋轉180度，將毛坯件裝到機床夾具上，最后退出機床。在上下料的過程中動作一貫相連，提高了自動上下料的效率。當兩個夾爪都夾持工件時，機器人所承受的負載最大，所以在機器人的選型過程中，一定要注意機器人的負載能力，另外還要看機器人最大的活動范圍是否可以覆蓋機器人搬運的目的地點。當機器人兩夾爪都夾持工件時，負載G（工件重量M1+夾爪重量M2）*2+結構件重量M3（30+10）*2+30110KG根據(jù)負載情況查看相關機器人生產(chǎn)廠家的選型手冊，我們選日本安川機器人，選擇出合理的機器人型號。通過查找對比，安川的MOTOMAN MH165

21、這款機器人比較符合以上的條件。其相關參數(shù)如下圖：2.5 機器人外部軸設計通過了增加機器人外部軸行走機構，實現(xiàn)了一臺機器人多工位操作，從而大大提高了機器人的利用率，降低設備的投入成本。行走機構主要是由移動板部分和行走機構底座部分組成，移動板部分上的伺服電機由配備該設備的機器人控制柜進行控制，該部分可以實現(xiàn)機器人的直線運動，從而實現(xiàn)在同工位之間的切換，該部分被稱作機器人的外部追加直線軸。直線行走的工作原理是由安裝在移動板上的伺服電機通過行星減速機驅動齒輪齒條，使移動板上的六軸機器人可以精確的到達第七軸上的任意位置點。如下圖所示：機器人的直線行走由兩條平行的滑軌帶四個安裝滑塊進行導向，確保移動位置的

22、精度。通過計算可得到機器人加上移動板及其他結構件的總重量約為1.6T，根據(jù)滑軌的參數(shù)分析，選擇滑軌寬度為45mm系列。從以往的設計經(jīng)驗來看，齒輪齒條的模數(shù)暫時取m=3，齒數(shù)取z=25，在此場合下強度應該足夠。為滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需要，現(xiàn)設定機器人行走的速度為1.5M/S,伺服電機選中貫量的，額定轉速為2000r/min,則可求出減速機的減速比：i=60v/3.14dn5.95,取整得減速比為1：6。伺服電機功率計算：電機的啟動和停止所需的力矩必須大摩擦力和慣性力的合力。因移動部分的重量為約1.5T，所以加速度不能取太大，暫定為1.5M/S2。合力Ff+F慣uN+ma=0.05*1.5*104+1.

23、5*1.5*103=3*103N對減速機輸出軸之矩：TF*d/2=3*103*4*10-2/2=120N電機功率：PnT/(9550*6)=4.1KW 取P5KW標準件的選型確定后，即可根據(jù)其安裝尺寸進行其余的結構件設計。之后再進行一些相關的校核工作，比如齒輪齒條的校核等。機器人的主體結構設計好后，接著就要設計后面的上料倉，外圍的防護欄等。三、搬運機器人的未來發(fā)展趨勢目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：1工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比，同時機構向著模塊化、

24、可重構方向發(fā)展。2機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡化，以及基于PC機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。3多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。4機器人的結構靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。5機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術，多機器

25、人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。6虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。7多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。8微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的