用于车辆制造的装配机器人

1用于车辆制造的装配机器人学院：机械学院班级：机创131学号：1304100113姓名：王宏宇2第1章绪论1.1机器人的概念机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。细分析以上定义，可以看出，针对同一对象所做的定义，其内涵有很大的区别。虽然现在还没有一个严格而准确的普遍被接受的机器人定义，但我们还是希望能对机器人做某些本质性的把握：首先，机器人是机器而不是人，它是人类制造的替代人类从事某种作业的工具，它只能是人的某些功能的延伸，在某些方面，机器人可具有超越人类的能力，但从本质上说机器人永远不可能全面超越人类。其次，机器结构上具有一定的仿生性。很多工业机器人模仿人的手臂或躯体结构，以求动作的灵活。海洋机器人则在一定程度上模仿的鱼类结构，以期得到最小的水流阻力。第三，现代机器人是一种机电一体化的自动装置，其典型特征之一是机器人受微机控制，具有（重复）编程控制的功能。我国机器人技术现状是工业机器人目前尚在仿制,机器人应用处在起步阶段,机器人机械学的研究工作取得不少研究成果,其中一些理论研究成果甚至已达到或超过国际先进水平,但总的说来还不能做到系统、全面地指导机器人整机设计，一些先进的研究成果一时尚难于直接用于国产样机。为此近期发展的原则应是加强机器人机械学的实用性理论和基础技术研究,使我国在近期内切实掌握第一代工业机器人的研究、设计、生产、维修及其应用技术，提高关键元器件的国产配套率，提高国产机器人可靠性加强机器人应用工程的研究特别应重视与鼓励国产机器人应用工程的开发，使机器人技术尽早为我国社会主义经济建设服务。加强机器人机械学基础理论研究,强化机器人机械学与信息学、计算技术等学科的结合,跟踪国外机器人高技术和其它有关学科高技术集中反映的实用目标。在新世纪，中国人和中国的机器人事业面临着新的机遇和挑战，因此，科研工作者应坚持“有所为，有所不为”的原则，以市场需求为导向，以技术进步为驱动，沿着知识创新、技术创新、制度创新、产品创新的创新型道路，为增强综合国力、实现中华民族伟大复兴。1.2机器人的结构机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。驱动系统，要使机器人运作起来，各需各个关节即每个运动自由度安置传动装置。这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。机械结构传动，工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。若基座不具备行走机构，则构成行走机器人；若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端3操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。机器人一环境交换系统是现代工业机器人雨外部环境中的设备互换联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。人工交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。1.3选题背景1.3.1装配机器人的发展1.世界装配机器人的发展状况从装配机器人的推广应用角度来看，机器人的发展大致经历了技术发展和探索的“起步”阶段，在技术有所突破之后的“推广”应用阶段和被产业界接受之后的“普及”阶段，只不过因为各个国家情况不同，机器人发展过程中这三个阶段的时间先后和各阶段时间的长短并不一样，下面两个图说明了一些国家的机器人的发展情况。可以看出，中国的机器人技术和机器人应用水平总体上还处于很落后的状态。2.装配机器人在中国的发展情况我国在上世纪七十年代就开是装配机器人的研究工作，由于种种原因，机器人技术研究及应用推广十分缓慢。直到九十年代，情况才有所好转。早期的“863”计划已经把机器人技术作为重要的攻关内容。到目前为止，我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了一些重要成果，在某些技术领域已经接近国际前沿水平。但从总体上看，我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步，机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱。另外在机器人的应用方面，我国就显得更为落后。值得一提的是，最近几年，我国在汽车、电子行业相继引进了不少生产线，其中就有不少配套的机器人装置。另外，国内的一些大专院校和科研单位也购买了一些国外的机器人，这些“洋机器人”的引入，也为我国在相关领域的研究工作提供了许多借鉴。1.3.2装配机器人的发展方向机器人技术涉及很多科学领域，是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。首先，从技术角度而言，智能化无疑是一个重要的发展方向。智能机器人的高境界应该是使之具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，面对非结构性的复杂环境和任务，能够自主寻求解决方案并加以执行。其次，从应用的角度来说，产业领域更多地体现出多机协调作业的特征，这是现代生产规模不断扩大所决定的。在大型生产线上，往往是很多机器人共同完成一个生产过程，因而每一个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题，还需要多机协调。再者，标准化工作是一项十分重要而艰巨的任务。不同厂家生产的机器人相互之间很难4进行部件互换，这给机器人的使用、维护和更新换代带来了很大的麻烦。然而由于标准化工作会牵涉到各家公司的利益得失，因而近期很难形成技术上或零件上的世界标准。最后，机器人的微型化也是一个重要的研究领域，微电子技术的发展，使得成千上万的电子元件在很小的空间内集成已经成为现实。受其启发，人们开始设想将微型传感器、微处理器、微执行机构等在极小的空间内进行集成，组成微型机电系统或微型机器人。1.4装配机器人研究的意义机器人的应用已经涉及到工业、农业、林业、医疗、海洋探测、太空、娱乐等很多领域。一方面，机器人作为一种特殊的自动机器在工业领域几乎已经无所不在，很多大公司甚至把机器人作为一个新产业在抢占制高点；另一方面，科学家们正在让机器人更加人性化，给机器人赋予更多的智慧和情感。机器人在生产中的应用，对提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件，提高企业的竞争能力和应变能力，促进新产业的建立和发展，改变劳动结构，以及促进相关学科的技术进步，均发挥了重大的社会效益和经济效益。目前，在汽车装配行业中，人工已逐渐被自动化的生产线所取代，在挡风玻璃的装配中，由于汽车挡风玻璃宽大，人工不易安装和操作的特点，为适应时代的发展，减少工人的劳动强度和劳动量，节约劳动成本，改善工作环境，保证安全操作，促进文明生产。随着机器人技术的不断发展和完善，以及机器人成本的进一步降低，可以预料，今后将开拓更多的机器人应用领域，尤其是在制造业以外的领域中，机器人将会有很好的应用前景。第2章装配机器人的总体设计方案本章对汽车挡风玻璃自动安装机器人的工作模式、总体结构进行了分析与设计。结合具体的使用过程，对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。2.1设计目标和研究内容本次设计的最终目的是在确保汽车挡风玻璃安全搬运的情况下，实现挡风玻璃准确安装的机器人自动化安装，实现汽车装配行业生产的完全自动化。在本次设计中，需要完成机器人各部分的结构设计和部分之间的准确连接；选择合适的传动方式和驱动电机，实现准确的传动精度和运行的平稳性；设计合理的末端执行器用以完成对玻璃的安全操作；选择合适的减速器在保证合适传动比的情况下，实现结构的紧凑。其所要解决的主要问题是：三自由度腕部的结构设计，腕部的传动方法的结构设计；各部分的结构设计；在保证结构紧凑的情况下，各部分相互连接的结构设计；底座驱动的结构设计和各件的安装等。2.2设计方案2.2.1运动方案的确定根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标性、关节型和SCARA型，同一种运动形式为适应不同生产5工艺的需要，可采用不同的结构。所选用的运动形式，在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单。在以上这些运动形式中，关节机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴线旋转，另一个肩关节实现仰俯。这两个肩关节正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构形式动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘。并考虑到汽车装配的工作环境和工作要求，本次设计选定机器人的运动形式为关节式机器人。其结构简图如下：（图2-1）图2-1关节型机器人的结构简图2.2.2传动方式的选择传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有：齿轮传动、螺旋传动、皮带及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。1.齿轮传动机器人中常用的齿轮传动机构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人通常却要求低转速、大力矩，因此，常用行星齿轮机构和谐波传动机构减速器来完成速度和力矩的变换和调节。此外，由于谐波传动的结构简单、体积小，重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性。因此，在本次的设计中选用谐波传动。2.皮带传动与链传动皮带和链传动用于传递平行轴间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。由于齿形带具有在传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带属于低惯性传动，适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。并且惯性小，且有一定的刚度等优点，所以适合于机器人的机械传动。因此，在本次的设计中采用齿形带传动。2.2.3驱动电机的选择直流电机便于调速，且具有较好的机械特性，所以很早就用于机床主传动系统，以实现无级调速。但一般的直流电动机转动惯量过大，而且输出转矩相对过小，动态特性较差，尤其在低速运转条件下更为突出，因此不是很理想的伺服电机。70年代研制成的大惯量调速伺服电动机，它在结构上采取了一些措施，尽量提高转矩，改善了