毕业设计(论文)-装配机械手设计及运动仿真-含PLC控制.docx
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1、XX大学毕业设计(论文)装配机械手设计及运动仿真所在学院专业班级姓名学号指导老师近代装配机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成,是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的MeChatroniCS设备。装配机械手对于提高和确保产品质量,提升生产的效率,改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。装配机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃,应用非常广泛的领域。机械手具有很多人类所不具有的能力,包括快速分析环境能力;抗干扰能力强,能长时间工作和工作
2、精度高。可以说机械手是工业进步的产物,它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今,机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。随着机械手技术的快速发展,装配机械手的应用范围正在不断扩大,提出了新要求,为提高机械手教学教育的水平,我们研制出一套以实验教学为目的的机械手演示系统。本文阐述了机械手的发展历史,国内外的应用状况,及其巨大的优越性,提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算;关键词:机械手;工业;传动;强度AbstractFromtheindustrialrobotmanipulator(Mechanical),controller,servodrivesy
3、stemandsensingdevice,ahumanoidoperation,automaticcontrol,canrepeatprogramming,three-dimensionalspacecanbecompletedinthevariousoperationsoftheelectromechanicalintegrationautomaticproductionagency.Ittostabilize,improvetheproductquality,improveproductionefficiency,playsaveryimportantroleinimprovingther
4、apidworkingconditionsandproduct.Industrialrobottechnologyisahigh-techintegratedcomputer,controltheory,mechanism,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsmultidisciplinaryandform,isthecontemporaryresearchisveryactive,moreandmorewidelyappliedinthefield.Therobotisontheenvironmentofr
5、apidresponseandtheanalysisjudgmentability,andthemachinecanworkcontinuouslyforlongtime,highprecision,resistancetoharshenvironmentcapacity,inthesensethatitistheproductoftheevolutionofthemachine,itisanimportantproductionandindustrialandnon-industrialsector,serviceequipment,automationequipmentisindispen
6、sablethefieldofadvancedmanufacturingtechnology.Today,theroboticsindustryhasbecometheworldtheconcernoftheindustry.Withtherapiddevelopmentofrobottechnology,theapplicationfieldofindustrialrobotisconstantlyexpanding,putsforwardnewrequirements,inordertoimprovetherobotteachinglevel,wedevelopedasetofexperi
7、mentalteachingforthepurposeofdemonstrationoftherobotsystem.Thisassaydescribesthedevelopmentprocessoftherobot,theapplicationstatusathomeandabroad,robotbasedonthespecificdesignrequirements,theoveralldesignofthedegreeoffreedom,theconcretestructuredesignandcalculation;KeyWords:robot;industrial;transmiss
8、ion;strength摘要AbstractI11目录IV第一章绪论11.1 机械手概念11.2 课题研究的背景和意义11.3 机器人的发展及技术21.3 .1机器人的发展21.4 .2机器人技术31.4 机器人研究概况31.4.1 国外研究现状31.4.2 国内研究现状41.5 装配机械手的应用51.6 本课题研究内容6第二章总体方案设计62.1 机器人工程概述62.2 工业机器人总体设计方案论述72.3 机器人机械传动原理82.4 机器人总体方案设计92.5 本章小结10第3章装配机械手的机械结构设计123.1 装配机械手的总体设计121.1. 1装配机械手的参数121.2. 2装配机械手
9、外形尺寸与工作空间121.3. 3装配机械手的总体传动方案123.2 机器人腰座结构的设计133.3 机器人手臂的结构设计143.4 机器人腕部的结构设计153.5 机器人末端执行器(手爪)的设计163.6 大小臂(关节2和关节3)电机的计算与型号选择163.7 主要零件材料的选择与强度校核173.8 臂部电机的计算与选型203.9 机械手重要零部件设计计算203.9.1电机的设计计算203.9.2同步型齿型带的设计参数223.9.3滚珠丝杠副的设计参数233.10 大臂和小臂机械结构设计243.11 腕部机械结构设计253.12 腰部机构设计(含齿轮计算校核)253.13 小结29第四章控制
10、系统的分析设计304.1 控制系统的组成结构304.2 控制系统的性能要求314.3 传感器的选择314.3.1 位置检测装置314. 3.2滑觉传感器324.4 控制系统PLC的选型及控制原理324. 4.1PLC控制系统设计的基本原则325. 4.2PLC种类及型号选择376. 4.3I/O点数分配377. 4.4PLC外部接线图388. 4.5机械手控制原理394.5 PLC程序设计41参考文献45致谢46第一章绪论1.1 机械手概念机械手是一种典型的机电一体化产品,仿人型机械手是机械手研究领域的热点。研究仿人型机械手需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识,
11、同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机械手是仿人型机械手的一种。1959年,世界上诞生了第一台工业机械手,开创了机械手发展的新纪元。随着科学技术的发展,仿人型机械手的研究与应用迅猛发展。世界著名机械手专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过:“机械手应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话:“上帝创造人类,两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性,对的环境要求很低,既能在平地上,也能在非结构性的复杂地面上,对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机械手的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机械手的原因和目
12、的,主要有以下几个方面:希望研制出机构,使它们能在许多结构和非结构环境中,以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域;希望更多得了解和掌握人类得特性,并利用这些特性为人类服务,例如:人造假肢。系统具有丰富的动力学特性,在这方面的研究可以拓宽力学及机械手的机械手(RObOt)是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中,装配机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高,对改善劳动条件,确保产品质
13、量和提升工作效率,起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。1.2 课题研究的背景和意义由于现代科技的发展,无论是在工业生产中还是人类日常生活,机械手技术都得到广泛的应用。研究智能类人机械手是近年科学家一致致力于的方向。类人机械手是以人类模型的,它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来机械手管家将不是梦。按机械手结构的不同,机械手又可以分很多种。轮式移动机械手、履带机械手、机器手、步行机械手等等。值得一提的是步行机械手,他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带机械手,他对环境
14、的适应性更强。能在很小的空间作业,在不平的道路上如履平地,上下楼梯等等。将来不久,这项技术会得到非常广泛应用。在机械手研究、制作中,运用电脑对设计出来的机械手进行仿真是一项非常重要的过程。机械手仿真包含零件建模,零件装配,最后进行运动仿真。通过仿真,设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况,知道有没有出现干涉;可以清楚知道各个部件的受力情况,得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。1.3 机器人的发展及技术1.3.1机器人的发展20世纪40年代,伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现,关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的COnSoIiClateClCOntrOl公司研制出第
15、一台机器人样机,并成立了Unimation公司,定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来,工业机器人产业蓬勃兴起,机器人技术逐渐发展为专门学哈尔滨工程大学硕十学位论文。1970年,第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展,数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前,尽管关于机器人的定义还未统一,但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人,主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人,其只能依靠人们给定的程序,重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人,其能获取作业环境
16、、操作对象的简单信息,通过计算机处理、分析,机器人按照己编好的程序做出一定推理,对动作进行反馈控制,表现出低级的智能。当前,对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力,并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑思维,判断决策,在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人,并己成为机器人学科的研究重点,但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心,并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到,机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1. 3.2机器人技术机器人学是一
17、门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科,该学科涉及领域广泛,集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果,代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长,它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要,是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前,机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域,与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前,虽然机器人的能力还是非常有限的,但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展
18、,机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势,如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和机器人技术等。1.4 机器人研究概况1.4.1 国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge,他发明了电影用的独特摄像机,即一组电动式触发照相机,并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被DenIeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代,苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究,并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代.迄今,不仅形成了
19、机器人一整套较为完善的理论体系,而且在一些国家,如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分,我们主要介绍队60年代到1985年这一时期,在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代,对机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法,即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的TomOViC在1961年提出来的,模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的,而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的
20、。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制,而算法控制则是一种居中的情况1O在步态研究方面,苏联的BeSSonoV和UnInoV定义了最优步态,Kugushev和Jaro-SheVSkij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中,自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平,那么机器人在时,下一步脚应放在什么地方,就不能根据固定的步序来考虑,而是应该象登山运动员那样走一步看一步,通过某一优化准则来确定,这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面,美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振
21、子(倒摆),从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外,从减小控制的复杂性考虑,Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析,但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系,并没有过多地涉及能耗最优这个问题.但在他的研究中,VUkObrat。ViC得出了一个有用的结论,即姿态越平滑,类人型系统所消耗的功率就越少。1.4.2 国内研究现状国内机器人的研制工作起步较晚,我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究和应用的。1986年,我国开展了“七五”机器人攻关计划,1987年,我国的“863”高技术计划将
22、机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术,随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机器人,先研制成功静态双足机器人HlT-1,高IlOcm,重70kg,有10个自由度,实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动,步幅45cm,步速为IO秒/步,后来又相继研制成功了HITTI和HIT-III,重42kg,高103cm,有12个自由度,实现了步长24cm,步速2.3步每秒的。目前正在研制的Hl下Iv机器人,全身可有52个自由度,其在运动速度和平衡性方面都优于前三型
23、机器人37o国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-I,它能前进、后退和上下楼梯,最大步幅为40cm,步速为4步每秒,1989年又研制出空间型KDW-II,有10个自由度,高69Cnb重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-口的平台上增加两个垂直关节,发展成KDWTH,有12个自由度,具备了转弯功能,实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态,步速0.8步每秒,步长为20Cln22Cnb最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-HI的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”,动态,可在小偏差、不确定的环境,周期达每
24、秒两步,高1.4m,重20kg,有头、眼、脖、身躯、双臂、双足,且具备一定的语言功能813O此外,清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-1,高L7m,重130kg,32个自由度,在清华大学985计划的支持下,项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机器人,实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机器人。目前,机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多,虽有一些六足、四足机器人涌现,但是机器人还是凤毛麟角。我们这个课题,探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机器人。其分功能有:交替迈腿、摇
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