【论文】7自由度工业机器人腕部R、B、T关节结构设计及静力学分析.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流【论文】7自由度工业机器人腕部R、B、T关节结构设计及静力学分析.精品文档.摘 要随着人们对机器人研究的逐渐深入以及多自由度机器人本身所固有的优势,其在高速自动化的现代化工业领域得到了越来越广泛的应用。随着自由度的增加,系统的灵活性也是相应的增加,功能也是会相应增加。本文详细分析了7自由度机器人的发展状况,并分析了一种7自由度机器人的腕部关节,确立机器人为R腕部扭转、B腕部俯仰、T腕部回转的关节结构,通过计算各关节所需电机的功率、转矩、减速器的减速比和同步带的要求并进行选型计算,同时利用UG NX6.0绘制机器人的R、B、T关节三维模型,并生
2、成二维工程图,最后基于ANSYS对该机构进行了静力学分析,仿真结果表明可以满足应力要求。该机器人能进行较为复杂的工作,并可以极大拓展机器手在各个领域上的应用,具有广泛的实际意义和应用前景,所设计的7自由度工业机器人为后续的机器人研究提供了参考依据,并可以做进一步的研发。关键词:7自由度,工业机器人,静力学分析 AbstractWith the gradual research and the inherent advantages, robots have been widely used more and more in high-speed automation modern indust
3、ry. With the increased freedom, the flexibility and the function of the system are also increased correspond.This article describes the seven degrees of freedom robot development and the analysis of a 7 DOF robots wrist joint, establishes the robot to reverse R, B wrist pitch, T wrist rotation of th
4、e joint structures. This article calculates the joint motor power, torque, reduces ratio reducer and timing belt. This article draws robot R, B, T joint three-dimensional model by UG NX6.0, generates two dimensional drawings, and finally the body was based on ANSYS static analysis. Simulation result
5、s show that to meet the stress requirements. The robot can carry out more complex work, and can greatly expand the robot in various fields of application, with a wide range of practical significance and application prospects, the design of the 7 degrees of freedom industrial robot provides a referen
6、ce basis to follow-up study of a robot, and can do further research and development.Keywords: 7 degrees of freedom, Industrial robots, mechanical analysis目 录摘要IVABSTRACTV目录VI第一章 绪论11.1 七自由度机器人综述11.1.1 工业机器人的发展11.1.2 工业机器人腕关节的发展21.1.3 国内外工业机器人的应用现状41.1.4 工业机器人的发展趋势51.2 课题来源及选题意义71.3 本文的主要研究内容8第二章 七自由
7、度机器人腕部R、B、T关节总体方案设计92.1 MOTOMAN-VA1400机器人的特点92.2 机器人腕部的设计特点102.3 机器人腕关节技术要求102.4 腕部设计结构方案分析102.5 腕部关节驱动方式设计112.6 腕部关节传动结构设计112.7 本章小结12第三章 腕部R、B、T关节电机,减速器和同步带的选择133.1 R、B、T关节选型计算133.1.1 R关节选型计算133.1.2 B关节选型计算153.1.3T关节选型计算193.2 电机的选型243.3 减速器的选型243.4 传送带的选型253.5 本章小结26第四章 腕部R、B、T关节结构设计274.1 UG简介274.
8、2 UG NX6.0的草图模块284.2.1 草图的绘制与编辑284.2.2 草图的约束284.3 UG NX6.0的实体建模模块284.4 UG NX6.0的装配模块294.5 腕部关节造型图30第五章 七自由度机器人腕部R、B、T关节的静力学分析315.1 ANSYS简介315.2 前处理模块325.3 后处理模块335.4 载荷335.5分析结果345.6本章小结39第六章 结论与展望406.1 结论406.2经济技术分析406.3 对进一步研究的展望41参考文献42致 谢43第一章 绪论1.1 七自由度机器人综述1.1.1 工业机器人的发展工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功
9、能的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。20世纪80年代以来,工业机器人技术逐渐成熟,并很快得到推广,目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中,下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用:(1)驱动方式的改变, 20世纪70年代后期,日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人,而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比,采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高,因此,也逐步代替了采用液压驱动的机器人,成为工业机器人驱动方式的主
10、流。在此过程中,谐波减速器、RV减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来,交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式,直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。(2)信息处理速度的提高, 机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作,机器人控制器需要进行大量计算,并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展,CPU的计算能力有了很大提高,机器人控制器的性能也有了很大提高,高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高,并扩大
11、了工业机器人的应用范围。近年来,随着信息技术和网络技术的发展,已经出现了多台机器人通过网络共享信息,并在此基础上进行协调控制的技术趋势。(3)传感器技术的发展,机器人技术发展初期,工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来,随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展,触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度,也进一步拓宽了工业机器人的应用范围1。1.1.2 工业机器人腕关节的发展机器人关节是各杆件间的结合部分,是实现机器人各种运动的运动副,由于机器人的种类多,其功能要求不同,关节的配置和传动系统的形式都不同。工
12、业机器人常见的关节形式有移动关节和转动关节。应用最多的工业机器人是多关节机器人,它由多个回转关节和连杆组成,模拟人的肩关节、肘关节和腕关节等的作用。其关节与仿人机器人的肩、肘、腰关节等不同的是自由度个数。通常前者的肩、肘、腰关节的自由度为1。手腕位于手臂末端,用来支承末端执行器并调整其姿态。按自由度分手腕可以分为单自由度、双自由度和三自由度3种2。对于两自由度手腕,常见的关节结构有:汇交式手腕和偏置式手腕。偏置式手腕末杆回转范围大,结构紧凑。图1-1a所示为汇交式手腕,链轮1与齿轮3相联,通过齿轮副带动末杆Ln自转();链轮2与壳体4相联,转动后使末杆摆动(),从而形成两个自由度。图1-1b所
13、示为谐波式汇交手腕,1、2为谐波减速器,3为齿形带,4为锥齿轮。图1-1 两自由度手腕结构图三自由度手腕是在两自由度手腕基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的,有偏置式和汇交式。常用结构如图1-2所示。图1-3所示为三自由手腕,包括外套120,万向节140,128,146,132,扇形齿轮136、138、142、148,锥齿轮168、170、174、178;转动驱动轴(roll)162,俯仰驱动轴(pitch)164,偏转驱动轴(yaw)166等组成。图1-2 三自由度手腕结构图球形电机驱动的手腕,通常手腕关节是用单自由度电机驱动实现的,使用三自由度的球形电机来驱动,可以将关节和电
14、机和为一体,直接驱动。实现三个方向的转动3。图1-3 球型电机驱动的三自由度手腕1.1.3 国内外工业机器人的应用现状自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后,机器人就显示出它极大的生命力,在短短40多年的时间中,机器人技术得到了迅速的发展,工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前,工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中,弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用4。 随着工业机器人技术的成熟和制造业对自动生产的需
15、要,工业机器人得到了越来越广泛的应用。(1)按应用领域和类型分:虽然ABB、KUKA等欧洲企业在焊接和喷涂等领域具有一定优势,Brooks-PRI在半导体晶圆、液晶面板搬送机器人方面占有一定市场份额,但总体来看,日本企业在工业机器人的市场份额方面占有绝对优势。(2)按地域和应用领域分: 在欧美市场,弧焊、点焊、喷涂等与汽车工业密切相关的工业机器人的使用台数仍然占有很大份额。但另一方面,在全世界范围内,装配用直角坐标机器人、SCARA型机器人、单轴机器人等面向装配和检测的工业机器人的应用有了很大增长,所占比例已经达到1/3左右。此外,随着信息技术的发展,在美国和亚洲,用于半导体晶圆和液晶面板搬送
16、的工业机器人所占比例也越来越高。进入90年代,在国内市场经济发展的推动下,确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针,实现了高技术发展与国民经济主战场的密切衔接,研制出有自主知识产权的工业机器人系列产品,并小批试产,完成了一批机器人应用工程,建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。我国的高等院所,如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所等在步行机器人、精密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩,正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距5。中国首钢莫托曼机器人有限公司由中国首钢总公
17、司、日本株式会社安川电机和日本岩谷产业株式会社共同投资组建,三方出资比例分别为45%、43%和12%,引进日本株式会社安川电机最新UP系列机器人生产技术生产SGMOTOMAN机器人,并设计制造应用于汽车、摩托车、工程机械、化工等行业的焊接、喷漆、装配、研磨、切割和搬运等领域的机器人、机器人工作站等。该公司目前是国内最大、最先进的机器人生产基地,年生产能力为800台。但是,中国的首钢莫托曼机器人工业主要是进口日本工业机器人,只是在国内进行组装而已。沈阳新松机器人自动化股份有限公司是由中国科学院沈阳自动化所为主发起人投资组建的高技术公司,是机器人国家工程研究中心、国家八六三计划智能机器人主题产业化
18、基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地。该公司是在国内率先通过ISO9001国际质量保证体系认证的机器人企业,并在福布斯2005年最新发布的“中国潜力100榜”上名列第48位。其产品包括:rh6弧焊机器人、rd120点焊机器人及水切割、激光加工、排险、浇注等特种机器人。在国外,工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而,相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司,它们包括:瑞典的ABB Robotics,日本的FANUC、Yaskawa,德国的KUKA Roboter,美国的Adept Technology、America
19、n Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics,意大利COMAU,英国的AutoTech Robotics,加拿大的Jcd International Robotics,以色列的Robogroup Tek公司,这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。日本素有“机器人王国”之称,其工业机器人的发展令人瞩目,无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一。日本安川电机(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一台全电动工业机器人以来,已有29年的机器人研发生产的历史,旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及Synetic
20、s Solutions美国公司等子公司,至今共生产13000多台机器人产品,而最近2年生产的机器人30000多台,超过了其他机器人制造公司。2005年4月,该公司宣布将投资4亿日元,建造一个新的机器人制造厂,已于2005年11月运行,2006年1月达到满负荷生产。目前,该公司每月工业机器人生产能力达到2000台。安川电机核心工业机器人产品包括:点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。该公司是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早厂商之一。2004年该公司机器人销售收入为1051亿日元,占该公司营业总收入3096亿日元的34%。德国KUKA Robot
21、er Gmbh公司位于德国奥格斯堡,是世界几家顶级工业机器人制造商之一,1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。该公司工业机器人年产量接近10000台,至今已在全球安装了60000台工业机器人。这些机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等领域6。1.1.4 工业机器人的发展趋势工业机器人在许多生产领域的使用实践证明,它在提高生产自动化水平,提高劳动生产率和产品质量以及经济效益,改善工人劳动条件等方面,有着令世人瞩目的作用,引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪,机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。(1)工业机器人的技术发展趋势 从近几年
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