毕业论文柔性自动生产线总体方案研究及大六自由度机械手结构电控设计.docx
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毕业论文柔性自动生产线总体方案研究及大六自由度机械手结构电控设计
毕业设计说明书
题目名称:
柔性自动生产线总体方案研究及
大六自由度机械手结构、电控设计
院系名称:
机电学院
2015年6月
摘要
随着制造业的发展,公众对产品的功能与质量的要求越来越高,产品更新换代的周期越来越短,传统的大批量生产方式已经不能满足需求。
为了同时提高制造工业的柔性和生产效率,柔性自动化系统FMS(FlexibleManufactureSystem)便应运而生。
本课题在对中工实验室FMS及六自由度机器人研究分析的基础上,对其中六自由度串联机械手进行结构分析设计、传动机构设计及其程序控制进行二次开发编程。
运用了SolidWorks三维造型软件,对六自由度机器人进行建模以及整体分析。
通过对模型进行受力分析进而完成各个关节的减速器及电机的选型,完成机器人的关节间传动设计、整体结构设计,并利用软件对机器人大臂进行了结构分析,对大臂设计及制造工艺问题具有指导意义。
通过软件建模及优化方案,极大地丰富了工业机器人的设计方式、降低了设计研发成本。
关键字:
柔性生产线,FMS,SolidWorks,六自由度串联机械手
OverallschemeresearchofflexibleautomaticproductionlineandthestructureoflargesixDOFManipulatorandelectroniccontroldesign
Abstract
Asthedevelopmentofmanufacturingindustry,publicproductfunctionandqualityoftheincreasinglyhighdemand,productupdatesreplacementcyclebecomingshorterandshorter,thetraditionalmassproductionmodehasbeenunabletomeetthedemand.Inordertoimprovetheflexibilityandproductionefficiencyofmanufacturingindustry,FMS(ManufactureSystemFlexible)isthehistoricmoment.
ThistopicintheanalysisofthelaboratoryworkinFMSandsixdegreeoffreedomrobotresearchbased,thesixdegreeoffreedomseriesmanipulatorstructureanalysisdesign,transmissiondesignandprogramcontroltocarryonthesecondarydevelopmentofprogramming.UsingtheSolidWorks3Dmodelingsoftware,thesixdegreeoffreedomrobotismodeledandtheoverallanalysis.Byanalyzingthestressandthencompleteeachjointofdecelerationdeviceandthemotorselection,andcompletetherobotjointdrivedesign,theoverallstructureofthedesignofthemodel,therobotarmisananalysisofthestructurewiththesoftware,ithasguidingsignificancefordesignandmanufacturingprocessoftheproblemsofthebigarm.Throughsoftwaremodelingandoptimization,itgreatlyenrichesthedesignmethodofindustrialrobotandreducesthecostofdesigndevelopment.
Keywords:
FlexibleproductionlineFMSSolidWorksSixDOFserialmanipulator
1引言
1.1课题背景
随着科学技术的发展,人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高,产品更新换代的周期越来越短,产品的复杂程度也随之增高,传统的大批量生产方式受到了挑战。
这种挑战不仅对中小企业形成了威胁,而且也困扰着国有大中型企业。
因为,在大批量生产方式中,柔性和生产率是相互矛盾的。
众所周知,只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高,才能构成规模经济效益;反之,多品种、小批量生产,设备的专用性低,在加工形式相似的情况下,频繁的调整工夹具,工艺稳定难度增大,生产效率势必受到影响。
为了同时提高制造工业的柔性和生产效率,使之在保证产品质量的前提下,缩短产品生产周期,降低产品成本[1],最终使中小批量生产能与大批量生产抗衡,柔性自动化系统FMS(FlexibleManufactureSystem)便应运而生。
柔性自动化生产线技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的研究成果,是机电一体化技术的典型代表以及科技发展最活跃的领域。
其中近几年关键技术的发展研究——搬运机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。
我的课题为柔性自动生产线总体方案研究及大六自由度机械手结构、电控设计。
针对中工柔性生产线实验室进行研究,通过对其整体方案合理性的分析,确定生产线的主要参数,分析单元时间及动作合理性,四人合作设计柔性线。
并对其中六自由度串联机械手进行结构分析设计、传动机构设计及其程序控制进行二次开发编程。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
自70年代柔性自动化系统进入工业生产中以来,其发展程度已由一台数控机床的应用,逐渐发展到柔性制造单元、加工中心、计算机集成制造系统和柔性生产线。
其中工业生产中必要的搬运环节,已经开始使用机器人代替,以减少劳动力。
直至80年代末到90年代,国家863计划把柔性生产与机器人设计,列为自动化领域的重要研究课题,系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用[2]。
在工业机器人选型方面,确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主。
为中国的工业以及制造业进行了大量的技术研发工作,对提高中国制造业的生产效率提供了技术基础。
这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。
目前,工业机器人正呈现出爆发式增长态势,世界各地纷纷掀起使用工业机器人热潮中国也不例外,工业机器人的市场需求量日益增加[3]。
2014中国机器人产业发展高峰会议在张家港举行。
工业和信息化部副司长王卫明透露,预计中国到2016年或成为全球最大的机器人市场。
据IFR统计:
中国工业机器人市场空间巨大,年增长率超过30%。
中国将会在近几年成为全球工业机器人需求量最大的市场,为我国工业机器人的发展提供了良好的机遇和巨大的发展空间[4]。
但是,无论从工业机器人的数量上还是技术上,我们都是比较落后的。
由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距,虽然计划开发的机器人基本上采用的是在国外基本成熟的技术,但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术[5]。
随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,把握我国工业机器人研究的相关进展十分重要,对工业机器人的研究更是重中之重。
1.2.2国外研究现状
自柔性制造概念出现,各个制造业大国便积极研究,在西欧、美国、日本柔性生产线更是受到普遍重视,柔性生产中的工业机器人技术更是炙手可热。
当前世界主流的工业机器人以四、五、六自由度串联型和并联型机器人为主。
在工业机器人的研发中,许多关键问题都使得六自由度机器人不易实现。
六自由度串联工业机器人各关节主体零件大多采用复杂形状大铸件构成,其余零件小而多,一体式的主体零件增强了部件乃至整机的刚度,并且以铸造成形的制造工艺优化了工件的质量与重心。
但不规则形状增加了精加工时定位装夹的麻烦。
另外,相连两轴的电机往往安装于同一轴部的主体零件上,使得各零部件的装配、维修变得不方便,且整个机器人可重构性降低[6]。
在工业发达国家,自动化成套设备已是自动化装备的主流及未来的发展方向。
现阶段以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向,具有广阔的市场发展前景和强劲生命力,机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业[7]。
国外汽车行业、电子行业与工程机械等重复性高的行业,工业机器人构成的自动化生产线的普及率很高,既提高了效率与质量,同时保证了生产力的安全。
全球制造业大国的柔性生产线使用实践体现出,工业机器人的普及是实现自动化,提高企业效率和加快发展的必要方法。
1.3课题研究内容与意义
柔性自动生产线总体方案研究,对现有模块化柔性生产线(MFTL——是用标准化、系列化和通用化的模块,组成功能各异的加工中心、数控专机等,根据用户零件加工需求,合理配置的一种可重组、模块化制造系统)进行控制分析,了解生产线如何运行,各个模块的功能及相互间的作用。
通过了解分析,得出此套模块化柔性生产线的控制流程图,从零件出库经由传送带,到达每个检测模块进行形状、材质的检测,后经传送带再输送至加工模块,按照加工程序进行自动化的数控加工,完成后送至检测模块,进行加工后零件的合格检测,最后经由码垛机进行分类入库。
对其中的搬运机器人,即六自由度串联机器人进行重点分析与研究,以进行下一步的课题,机器人的具体设计。
对于六自由度串联机器人的设计,应包括结构设计、传动分析设计和控制分析设计。
机器人构型设计时,一般应避免设计的机器人具有结构奇异性,以防止无效的关节驱动增加到结构设计中[8]。
机器人六自由度的分配方式最为重要,即从底座一直到顶端机械手,给予每部分一个方向的自由度,以完成所需动作。
对于六自由度关节机器人的运动学分析较为复杂,因此对运动学的研究是很有必要的[9]。
传动分析是串联机器人设计的重点,体积也比较小在保证质量的情况下,设计结构尽量简洁,并利用RV减速器原理[10],为每段机械臂添加动力装置,并驱动串联机械手的动作,合理且高效的安排动力及传动的设计位置。
控制设计是利用计算机技术,通过编写程序语言,导入运动控制装置,然后通过触发命令,使机械手依照程序来做出相应的动作反应。
通过以上几大方面的分析设计,六自由度串联机器人的设计便告一段落,通过三维软件进行实体建模动作模拟,建立各个零部件的装配及关键部件的装配爆炸图,从而确定设计的合理性与可行性。
本文以中原工学院柔性制造实验室和三维建模软件相结合,对模块化柔性生产线进行研究,进行机械手臂的三维建模,利用软件对其进行构型分析与传动设计。
旨在对六自由度机械手的研究基础上,以此作为平台,有可能实现产品化,提高产品的设计效率,缩短产品的设计周期,最大程度上降低成本,提高效益,为企业在竞争中赢得时间。
2总体方案研究
2.1柔性制造系统
柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统,英文缩写为FMS。
通常的加工制造业,根据需求进行生产纲领的定制,小批量或大批量的生产,然后进行专用机床、专用夹具等设备的计划,进行批量生产。
随社会消费类型的日益多样化,需求商品的类型也日益多样化,多品种的生产已经成为现今企业的生存之本。
柔性制造系统的出现,便是对现今多样化需求的最佳解决方案。
在网络技术飞速发展的时代,制造业也应当紧跟时代步伐,利用网络技术进行生产的控制、加工,不仅可以改善工人的工作环境,又降低了企业的制造成本。
2.1.1优点
系统中设备利用率高,一组机床编入柔性制造系统后,产量比这组机床分散单机作业时的产量提高数倍;
在制品数量下降,采用柔性自动化系统可使在制品减少80%左右;生产能力相对稳定,相比人工装配,柔性线的定位性更强;运行灵活;
产品应变能力强,可加工一系列的相似产品,例如加工回转类零件,可加工尺寸范围调整,可以实现不同型号的同类零件。
相似的还有盘类、板类等。
2.1.2柔性制造系统的组成
1条完整的柔性生产线,需要以下几方面的必要组成部分,以完成制造系统所需的柔性。
加工系统:
柔性制造中的设备类型不定,由待加工零件所需工序而确定,一般的比如加工中心、数控车与数控铣,各类加工机床等。
物料系统:
存放零件及加工完成构件,立体仓库等。
计算机控制系统:
用以控制各个模块的启动,收到传感器信号进行指定的动作。
系统软件:
整合一整套柔性生产线的全套信号,使柔性线成为整体。
2.2方案研究
方案设计需要针对用户待加工零件的要求,确定加工装备技术参数和功能要求,结合使用现场的实际情况,才能最后确定能满足用户需求的整个生产线设计方案。
模块化柔性生产线加工设备的模块化结构,可使设计和制造任务得到合理划分,由于采用标准化的模块接口,减少了任务之间的耦合,因而便于并行工程的组织和实施。
以中原工学院柔性生产实验室为研究对象,对各个模块进行研究学习。
对生产线每个环节的作用及动作原理进行讨论研究,从每个环节的触发动作,到此环节的结束动作。
2.2.1系统组成
模块化柔性生产线(MFTL)是用标准化、系列化和通用化的模块,组成功能各异的加工中心、数控专机等,根据用户零件加工需求,合理配置的一种可重组、模块化制造系统。
经过研究分析,得出生产线流程图。
图1包括自动搬运系统、数控加工系统、信息采集系统和计算机控制系统等部分。
各个设备可以独立运行和调试,开放软件源程序,并配套了图像化人机交互界面。
图1柔性生产线流程图
如图1所示,此套柔性制造系统的柔性加工单元分别为:
数控车床、自动化立体仓库、六自由度串联机械手、并联加工中心、CCD视觉检测、材质与孔深检测、装配机器人、喷涂单元、皮带输送机九个单元组成。
当生产设备接受主机生产命令时,通过总机向子模块发送动作指令。
由自动化立体原料库的零件位置,反馈到计算机中,为三自由度搬运机械手提供运动参数,使机械手运动到指定位置,搬运零件至传送装置,完成一套搬运动作。
经由出库平移台,移送到出库皮带传送机,在皮带床送机的中间位置,触发光电感应开关,使材质检测装置启动,以完成对零件材质的检测。
材质检测完成,档杆回缩,使零件继续沿传送带行进。
经过下一个光电感应开关时,触发的是CCD形状检测传感器,用以判断零件的形状与颜色,对后续工序提供数据资料。
检测完毕进入90度转角机,使零件继续沿生产线行进,到达搬运机器人的工作点,触发感应开关,搬运机器人开始工作。
截止此时,之前的检测数据开始应用。
当此零件为非回转体零件时,搬运机器人将会依照既定程序,使零件搬运至数控车床,进行机械加工,变为回转体零件;而当此零件已经为符合形状检测的零件
2
时,搬运机器人会按照另一套既定程序,搬运至六自由度并联机器人的工作位置,进行钻孔加工操作。
1.
5
4
3
1
自动化立体仓库2.控制模块3.加工中心4.传送带5.六自由度搬运机器人
图2柔性生产线布局图
当加工操作完成时,搬运机器人将会执行另一套程序使加工好的零件从新搬运到生产线上,继续沿着生产线走。
在经过另一个90度转角机后,触发感应器,对加工后的零件进行孔深检测操作,检测在上一工序中的钻孔深度是否符合要求,并进行记录,为后续的工序提供数据。
检测完成后,气动档杆回位,零件继续行前移动,到达喷涂单元,利用色彩识别单元的数据,对此零件进行喷涂操作。
沿生产线到达分拣装配机器人处,在孔深检测中不合格的零件将会被小六串机器人移至废料处,合格的零件,机械手将会从自动化旋转仓库中取出配合零件,对生产线上的零件进行装配动作,完成装配后,该装配体进入入库平移台,三自由度搬运机械手收到搬运指令,搬运该装配体至自动化立体成品库中,至此,一套完整的柔性生产线的工作原理简述完毕。
2.2.2控制原理
柔性生产线基于CAN总线,进行对各个分模块进行控制。
总线控制是一种现今应用于各个行业的串行通信网络,早在70年代末为解决汽车中众多的控制器与测量仪间的数据分析而产生的通信协议。
图3工作原理图
此套生产新的各个模块工作原理如图3所示,传送带进行运输动作,两条相邻传送带连接后组成生产线。
每条传送带都安装有控制模块,当工件经由运输带触发驶入传感器,该模块便对工件进行制定操作。
其本工位的控制器只接受驶入和工位传感器信号,驶出传感器的信号则输入相邻运输带的控制单元,为下一传送带的动作发出信号。
图4CAN总线控制
如图4所示,每条输送链间的信号传递由控制器控制,而每个模块的控制器又经过CAN总线到中央控制单元。
中央控制单元控制与监视生产线的每个动作与加工指令。
利用CAN总线的集成性完成模块化生产线的控制,各个模块既可以独立作业又可以联合作业,使得柔性生产线的组合多样化,为柔性生产提供便利。
3六自由度机器人本体结构设计
工业机器人的应用是机电一体化的典型代表,利用末端结构进行动作。
工业机器人系统由软件、控制处理器、传感器、驱动装置以及机器人本体组成。
系统图如图5所示。
其工作空间由机器人技术参数范围决定。
图5工业机器人系统
关节型串联机器人其原理可简述为各个连杆首尾相接、末端开放的链式结构。
在作业过程中实现其要求任务的坐标运动,大多数时间这个链式结构的末端是无法支撑的,因而对工业机器人的技术要求更为重要。
3.1工业机器人的基本技术要求
3.1.1工业机器人的自由度与工作空间
在工业应用中,机器人被用来作一系列重复性高,同时要求精度的作业。
在工业机器人运动过程中,手臂端部执行装置能否到达指定位置,是衡量一台工业机器人好坏的标准。
而到达指定位置的路径,便是对工业机器人自由度提出要求的决定性因素。
比如在汽车制造业,对车体内结构进行焊接工作,由于焊接角度与车身内部结构的复杂性,很难通过一条直线到达指定焊接位置,此时,多自由度的串联机器人便可以通过灵活的手臂进行焊接操作。
工业机器人末端所能到达的点的集合,称为机器人的工作空间,工作空间的大小根据所设计机器人每个关节大小决定。
常见的工业机器人的结构形式有以下五种:
直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型机器人和并联型机器人。
图6简单描述了常见机器人的工作空间。
工作空间表示了机械手能够达到的位置,但同时应避免机械手自身关节的干涉或奇异性,更重要的是避免工作时机械臂与环境障碍物的不必要的接触。
所以,机器人工作前必须研究其工作环境。
图6常见机器人结构形式与工作空间
3.1.2机器人技术参数
现今工业机器人的各种性能指标,应用以下四点来衡量:
第一,运动范围是选择机器人的第一参考要素,根据需要工作的长度、广度以及最大距离,来确定机器人的类型。
第二,负载能力是在选定机器人种类后,进行系列选型,能达到的最大载荷。
第三,精度的要求不一而论,比如医疗机器人与卸货机器人,所需精度必然不同,根据具体任务确定。
最后,重复精度,当机器人完成一系列动作指令后,再次达到同一点的精确能力的大小。
本次设计六自由度串联机器人采用串联关节式结构,拥有六个活动自由度,按工业标准要求设计,速度快、柔性好;每个关节按照模块化结构设计,简单、紧凑,需完全满足运动任务要求;机器人本体采用超硬铝材料,手爪夹持工件最大直径在75CM内。
在工作过程中,运动需平稳可靠,无燥声,运行精度高。
根据需要进行机器人技术参数拟定。
表1机器人技术参数
机构形态
串联关节型
自由度
6
负载能力
10Kg
重复定位精度
±0.08mm
动作范围
关节Ⅰ转动
-150°~+150°
关节Ⅱ转动
-150°~-30°
关节Ⅲ转动
+50°~-70°
关节Ⅳ转动
-150°~+150°
关节Ⅴ转动
-90°~+90°
关节Ⅵ转动
-180°~+180°
最大速度
关节Ⅰ转动
60o/S
关节Ⅱ转动
60o/S
关节Ⅲ转动
60o/S
关节Ⅳ转动
60o/S
关节Ⅴ转动
60o/S
关节Ⅵ转动
60o/S
本体重量
≤95Kg
安装环境
温度
0~+45oC
湿度
20~80%不结露
其它
▪避免易燃、腐蚀性气体、液体
▪勿溅水、油、粉尘等
▪勿接近电器噪声源
初拟定六自由度搬运机器人的技术参数,以实际情况而定。
每个关节的最大转速以60°/s为准。
考虑抓取工件的最大力矩,以及实验室中工件模型重量,设计中所抓取工件以不超过10kg为宜。
3.2六自由度机器人结构设计
根据初拟定六自由度搬运机器人的技术参数,六个自由度从下往上依次命名,一关节为在XOY基准面上的转动,字母表示为JT1。
二关节为绕X轴的转动,表示为JT2。
三关节依然为绕Y轴的转动,表示为JT3。
四关节为绕Y轴的转动,表示为JT4。
五关节为绕X轴的转动,表示为JT5。
六关节为绕X轴的转动,表示为JT6自由度坐标系拟定如图7所示。
根据初拟定的自由度分布,得出此工业机器人的自由度计算:
自由度计算公式:
F=3n-2pl-2ph
公式中各个字母的意义:
活动构件的数目n,低副的数目pl,高副的数目ph
活动构件共计6个n=6,转动副共计6个pl=6,复合铰链,局部自由度和虚约束在本次设计中没有出现,ph=0,所以可得:
F=3×6-2×6=6此机构的自由度符合设计要求。
图7六自由度分布
六自由度搬运机器人由于关节大小限制,实现空间内的六自由度移动,所以每个关节所占空间大小必须尽量缩小,同时也应考虑驱动机器人动作所需动力源及配套传动装置的体积大小,一般工业用六自由度机器人都是由伺服电机与减速器进行直连,完成驱动与输出。
3.2.1一关节设计
为了能够保证在占用最小体积的前提下,产生较大的传递扭矩和传递精度,一关节的结构形式采用交流伺服电机与摆线针式减速器直连如图8,也可以选用近几年主流的机器人用RV减速器进行减速输出。
并且,在减速器与电机之间添加一个齿轮轴,实现机器人的回转,与摆线针式减速器的功能相近的RV减速器同样能够承受较大的轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩,将RV减速机的针齿壳机架固定于底座上,输出盘与机器人二关节通过回转支架连接,减少了中间的传动关节,在一定程度上保证了传动精度。
电机的固定是通过连接螺钉与回转支架相连,此种结构设计与以往的传动方案设计不同,使得减速器的输入端与输出端在同一侧,一般设计中往往把电机的固定端与不动构件相连接,这样做的好处是减少传动惯量,同时,这种方法让机器人的轴向尺寸增加了一个电机的尺寸,与工业机器人的关节设计要求相悖。
且传动可靠性低,零部件繁多,精度上不容易控制。
图8一关节设计图
此外,为了使得安装方便同时减少结构的复杂性,电机不再单独设计外壳。
机器人的每个关节都有转动范围,传感器的设置必不可少。
若超出机器人的转角极限值,机器人电源线、控制线将被拉断,甚至威胁人的生命,因此在每个关节的极限位置需设置定位块。
3.2.2二关节设计
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- 毕业论文 柔性 自动生产线 总体方案 研究 自由度 机械手 结构 设计