并聯噴涂機器人虛擬樣機設計【含CAD圖紙、說明書】并聯噴涂機器人虛擬樣機設計【含CAD圖紙、說明書】

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絲杠.exb
絲杠套筒 - 左.exb
絲杠套筒.exb
絲杠裝配示意.exb
噴槍板.exb
導軌.exb
導軌三角道.exb
導軌矩形道.exb
小電機轉軸.exb
工作平臺基底右.exb
工作平臺基底左.exb
工作平臺基座底盤.exb
工作部絲杠螺母.exb
平臺工作部.exb
平臺框架殼.exb
底座絲杠.exb
底座絲杠聯軸器.exb
底座絲杠螺母.exb
底座絲杠裝配.exb
底座末端支架.exb
底座末端端蓋.exb
底座電機外殼.exb
底座聯軸器.exb
總裝配圖.exb
支撐件.exb
支撐件上下半.exb
球副裝配.exb
鏈輪聯軸器.exb
絲杠.DWG
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目錄I目錄摘 要 IAbstractIV第 1章 緒論 11.1工業機器人簡介 .11.1.1工業機器人概念 11.1.2工業機器人的應用領域 11.1.3工業機器人的發展現狀和前景 11.2.1噴涂機器人定義 31.2.2噴涂機器人特點 31.2.3噴涂機器人國內外應用現狀 31.2.4理論意義及應用價值 41.3工業機器人結構 .51.3.1機器人的基礎構造 71.3.2噴涂機器人的控制 81.4本章小結 .8第 2章 并聯噴涂機器人執行機構設計 102.1并聯噴涂機器人的噴涂對象研究 .102.1.1并聯噴涂機器人作用于汽車行業優勢 102.1.2噴涂對象調查研究 12.2噴涂機器人的原理和功能研究 .132.3噴涂機器人的運動軌跡設計計算及整體尺寸設計 .152.3.1設計原則 152.3.2運動軌跡設計計算 152.4并聯噴涂機器人的機構設計 .162.4.1底座與工作平臺設計 162.4.2噴涂執行件設計 222.5本章小結 .23目錄I第 3章 并聯噴涂機器人的驅動和傳動機構設計 243.1驅動傳動機構要求 .243.1.1驅動裝置 243.1.2傳動裝置 263.2各傳動構件相對運動的實現 .273.2.1底部移動傳動形式的確定 273.2.2電機選擇 293.4滾珠絲杠的往復直線運動 .323.5本章小結 .34第 4章 并聯噴涂機器人的 Adam s仿真分析 .354.1虛擬樣機與 Adam s仿真分析簡介 354.2建模過程 .364.2.1Solidworks三維建模 364.2.2零件質量屬性確定 374.2.3導入 Adam s添加定義 .384.3添加點驅動進行軌跡仿真 .434.3.1添加一般點驅動 434.3.2點驅動的軌跡規劃概述 444.3.2點驅動的軌跡規劃實例分析 444.4測量各部件運動規律 .584.5本章小結 .60第 5章 并聯噴涂機器人的有限元分析 615.1有限元分析的作用與意義 .615.2基于 Solidworks的有限元分析 .615.3基于 Solidworks的有限元分析輸出結果 .635.4本章小結 .65參考文獻 66科技文獻翻譯 68熱噴涂領域中機器人離線編程控制的應用 68目錄I研究報告 針對自由曲面噴涂的基 于 CAD的自動化機器人軌跡規劃75附外文原文 84摘 要I摘 要在制造產業中,噴涂過程是各個制造企業生產產品的不可或缺的重要環節 ,是保證制造的零件質量的重要步驟之一 。 目標零件經過噴涂之后耐腐蝕性大大加強 , 各種性能大幅提高 , 可利用性增強 , 但由于不同的零件結構形狀復雜 , 一般而言噴涂工作條件惡劣 , 人工噴涂不能保證精度 , 最重要的是噴涂漆料一般對人體有害。 噴涂機器人憑借著其自身優勢得以廣泛應用。其可以減少噴涂空間 , 保證噴涂質量 , 減少材料浪費 , 增大工作范圍 , 使工人免受涂料傷害 。 因此 , 設計研究噴涂機器人是很有必要的。 首先 , 了解工業機器人的概念 、 國內外 現狀 以及 發展 、 應用 前景 , 明確噴涂機器人的設計意義 , 同時 掌握工業機器人的基本 結構類型 , 為設計 并聯 噴涂機器人 虛擬樣機 做相應 的 準備。接 下來 , 對噴涂對象 汽車外殼 進行了 調查了解 , 確定噴涂方案 以及工作參數 ,設計 并 計算噴涂軌跡,完成 并聯 噴涂機器人的尺寸設計和執行機構設計 。然后 研究各驅動元件 的特性 , 各 傳動方式的優缺點 , 完成電機 選型 和傳動機構的設計。最后,將 solidworks中建立的三維模型 模型導入至 ADMS軟件內,添加約束和驅動,完成噴涂機器人的運動學仿真,檢驗噴涂軌跡是否與設計的一致 ,對機構進行優化設計 。 根據仿真結果 , 在 solidworks里進行有限元分析 , 校核局部強度,進行安全性分析。最終完成 2維工程圖的繪制,為生產制造做指導。關鍵詞 噴涂機器人 并聯機構 噴涂軌跡 結構設計 運動學仿真 有限元分析AbstractIVAbstractSprayingisaveryimportantprocedureintheFabricationIndustrybyvirtueofitsadvantages.Itcanprovidepartshighquality,thepartswhichhavebeensprayedgettheircorrosionresistanceimprovedandbecomewildlyused.Differentpartsusuallyhavevariousshapes,andgenerallyspeaking,theworkingconditionsinsprayingareterrible,peoplecannotgettheirworkaccurate,buttheyareeasytogethurtbypaintings.Sprayingrobotscanreducesprayingspace,ensuresprayingquality,avoidpaintwaste,expandthescopeofworkandpreventworkersawayfrompaintings.Therefore,it snecessaryforustodomoreresearchonsprayingrobots.First,I lllearnabouttheconcept,thecurrentsituationanddevelopmentprospectoftheindustrialrobotsbothdomesticandoverseas,makethedesignsignificanceclear.I llstudytheknowledgeofthebasicstructureofindustrialrobots,doothercorrespondingpreparationforthedesign.Then,I llresearchontheobjectofspraying,makesureofthesparingprogram,calculatethespraytrajectory,finishdesigningthesparingrobots sizeandexecutivebody.Furthermore,I llresearchondifferentkingsofdrivecomponentsandtransmissionsandfindouttheadvantagesaswellasdisadvantagesofthem.Iwillfinishdesigningtheselectionofthemotorsandtransmissions.Atlast,I llimportthe3DmodelfromSolidworksintoAdams/Viewandaddjointandmotionstoit.Finishthekinematicssimulationandchecktheresulttofindoutwhetheritisconsistentwiththespraytrajectory.Dooptimaldesignforthismechanism.ThenI llusethedatafromAdams/ViewAbstractVtodoFEAFiniteElementAnalysis,checkthestrengthandhaveasafetyanalysis.Completethe2Dengineeringdrawing,prepareformanufacturing.Keyword sprayingrobots,ParallelMechanismPM,thespraytrajectory,structuredesign,thekinematicssimulationandtheFEAFiniteElementAnalysis第一章 緒論1第 1章 緒 論1.工業 機器 人簡 介11工業機器人概念1950年代末,美國 率先 在機械手和操作機的基礎上,用伺服機構和自動控制等技術,研制出工業機器人 ,即 有通用性 的且 獨立的工業用自動操作裝置 。 工業機器人 技術 經 歷 了不斷的發展和進步 , 現在一般把 面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人 稱為 工業機器人 , 它 是自動執行工作的機器裝置 , 是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的機器 。 它可以接受人類指揮 , 也可以按照預先編排的程序運行 , 現代的工業機器人還可根據人工智能技術制定的原則綱領行動。 12工業機器人的應用領域工業機器人在工業生產中能 替代工 人做 一 些單調、頻繁和重復的長時間作業 , 或 者在 是危險 、 惡劣 的 環境下作業 , 例如在沖壓 、 熱處理 、 壓力鑄造 、 焊接 、機械加工 、 涂裝 、 塑料制品成形和簡單裝配等工序上 。 現在更是 在原子能工業等部門中, 由工業機器人來 完成對人體有害物料的搬運 工作 或工藝操作。1969年 , 美國通用汽車公司用 21臺工業機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線 。 由于工業機器人有 相當 的通用性和適應性 , 能 滿足 多品種中 、 小批量的生產 , 70年代起, 它 常與數字控制機床結合在一起,成為柔性制造單元或柔性制造系統的組成部分。 在現代制造業中它的身影幾乎無處不在。13工業機器人的發展現狀和前景我國的機器人研究開發工作始于 1970年代初 , 到現在已經歷了 40余 年的 時間 。 這 40多年的前 10年處于研究單位自行開展研究工作 的 狀態 , 發展比較緩慢 。1985年后國家 把工業機器人研究納入國家 計劃 , 發展比較快 。 特別是在 “ 七五 ” 、第一章 緒論2“ 八五 ” 、 “ 九五 ” 機器人技術國家攻關 、 “ 863” 高技術發展計劃的重點支持下 , 我國的機器人技術取得了重大發展 。 在機器人基礎技術方面 如機器人機構運動學 、 動力學分析 , 機器人內外部傳感器的研究與開發 , 機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究,具有多傳感器 的 控制系統研究,離線編程技術 、 遙控機器人控制技術等均取得長足進展 , 并在實際 生產 中得到 廣泛 應用 。 在機器人單元技術和基礎元部件的研究開發方面 如交直流伺服電機及其驅動系統 、 測速發電機 、 滾珠絲杠 、 光電編碼器 、 直線滾動導軌 、 液壓 ( 氣動 ) 元部件 、 諧波減速器、 RV減速器、薄壁軸承、十字交叉滾子軸承等均開發出一些樣機或產品。但這些元部件距批量化生產還有一段距離 。 在機器人控制裝置的研制方面 已開發出具有雙 CPU、 多 CPU和分級分層控制的機器人控制裝置 , 主控計算機的檔次也 在 逐漸 提升 。 在機器人操作機研制方面 已開發出一些先進的操作機和特種機器人 , 如 AGV( 自動導引車 ) , 壁面爬行機器人 , 移動機器人 , 移動遙控機器人,重復定位精度為 ± O.024mm 的裝配機器人,可潛入海底 6000m的水下機器人 , 主從操作機器人等 , 有些已達實用化水平并用于實際工程 。 在機器人的應用工程方面 目前國內已建立了多條弧焊機器人生產線 , 噴涂生產線和裝配機器人生產線 。 國內機器人技術 的 研發力量 強大 , 已經具備了大型機器人工程設計和實施的能力 , 整體性能已達到國際同類產品的先進水平 , 而整體價格僅為國外同類產品的三分之二甚至 二分之一 , 具有很好的性能價格比和市場競爭力 。 但與此同時 , 國外機器人在制造業的應用 也 越來越廣 泛 , 其標準化 、 模塊化 、 網絡化和智能化的程度也越來越高,功能越來越強,并向著成套技術和裝備的方向發展 。 國外的 機器人應用從傳統制造業向非制造業轉變 , 向以人為中心的個人化和微小型方向發展 , 并將服務于人類活動的各個領域 。 總趨勢是從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術( RT)概念轉移;從工業機器人產業向解決工程應用方案業務的機器人技術產業發展。機器人技術( RT)的內涵已變為 “ 靈活應用機器人技術的、具有實在動作功能的智能化系統 。 ” 目前,工業機器人技術正向智能機器和智能系統的方向發展 , 其發展趨勢主要為 結構模塊化和可重構化 ; 控制技術的開放化 、 PC化和網絡化 ; 伺服驅動技術的數字化和分散化 ; 多傳感器融合技術的實用化 ; 工作環境設計的優化和作業的柔性化以及系統的網絡化和智能化等方面。 在這些方面,我國工業機器人技術還有待提高,我們還有很長的路要走 。第一章 緒論31.2噴涂 機器 人與 設計 意義1.2.1噴涂機器人 定義噴涂機器人又叫噴漆機器人 ( spraypaintingrobot) , 是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業機器人 , 1969年由挪威 Tralfa公司 ( 后并入 AB集團 ) 發明 。噴漆機器人主要由機器人本體 、 計算機和相應的控制系統組成 , 液壓驅動的噴漆機器人還包括液壓油源 , 如油泵 、 油箱和電機等 。 多采用 5或 6自由度關節式結構,手臂有較大的運動空間,并可做復雜的軌跡運動,其腕部一般有 2~ 3個自由度 , 可靈活運動 。 較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕 , 既可向各個方向彎曲,又可轉動,其動作類似人的手腕,能方便地通過較小的孔伸入工件內部 , 噴涂其內表面 。 噴漆機器人一般采用液壓驅動 , 具有動作速度快 、 防爆性能好等特點 , 可通過手把手示教或點位示數來實現示教 。 噴漆機器人廣泛用于汽車 、 儀表 、電器、搪瓷等工藝生產部門。 1.2.噴涂機器人 特點噴涂機器人的主要優點 ( 1) 柔性大 工作范圍大 ( 2) 提高噴涂質量和材料使用率 ( 3) 易于操作和維護 , 可離線編程 , 大大的縮短現場調試時間 ( 4) 設備利用率高,噴涂機器人的利用率可達 90-951.2.3噴涂機器人 國內外應用現狀目前 , 國內外已經大量使用噴涂機器人來代替人工 。 主要是因為噴涂能使產品防銹 、 防腐并保持美觀 ,并使零部件表面具有某種特殊性能如耐高溫 、 耐磨等 。手工噴涂對人體有害 ,勞動強度大 ,而且較難保證噴涂均勻。應用噴涂機器人有助于實現全自動化 ,不僅使工人遠離有毒 、 有害物質 ,而且涂層均勻 ,質量有保證 ,效率高 ,涂料不浪費 ,還能夠通過重復規定的簡單動作 ,大大提高噴涂效率 。 利用機械手實現雙面噴涂過程 ,可以節約烘干所需時間。目前,機器人(機械手)已經廣泛地應用于噴涂領域 。 這些機器人一般有兩種編程控制方式 , 即 在線編程和離線編程 。 第一種在線編程控制易于實現 , 但是缺點是難以保證噴涂表面的涂料質量 ,第一章 緒論4特別是對于一些復雜的工件尤其如此 。 而離線編程控制這種方式是一個很好的解決途徑 , 它能夠通過工件或者工作對象的 CAD文件來克服在線編程控制的誤差等。 在當今國內外的汽車制造業當中, 自動軌跡生成的噴漆 方法 是 應用 非常 廣泛 。 為 滿足自由曲面油漆厚度的要求 而 生成噴漆槍軌跡仍然是 極大的挑戰 , 尤其是面對復雜幾何形狀的自由表面更是如此。 國內外對于噴涂機器人的研究已經進入了自動軌跡規劃以及離線編程這些新興領域 , 提出了基于點云切片技術生成噴槍軌跡的方法 , 以實現離線編程系統直接利用工件點云模型 來 規劃噴涂機器人的軌跡。 這些研究取得了很多進展 , 為將來的生產自動化奠定了良好的基礎。 1.2.4理論意義及應用價值為了避免在噴涂時 , 涂料霧化導致工作人員肺部受損 , 產生肺部疾病 , 研究數控式工業噴涂機器人 。 噴涂機器人是能模仿人的動作功能 , 用以按一定的程序移動旋轉并實現噴涂的自動操作裝置 。 它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化 , 重要的是能在涂料對人體有害環境下操作以保護人身安全 , 避免人體在噴涂現場吸入有害的霧化的涂料 , 因而能夠應用于建筑 、 裝飾 、 工廠以及其他一些需要噴涂的場合。 由于人工噴涂時容易出現噴涂不均勻 , 且噴涂對人體有害的涂料時 , 要做很多防護措施都仍然不能保證人體的健康和安全 , 噴涂易然涂料時存在一定的安全隱患 , 大面積涂料時 , 電氣設備必須按防爆等級規定進行 , 個人容易出現不適的癥狀,專門的噴涂人員由于長期從事該項工作患一些疾病的可能性增大。同時 ,由于對于噴涂質量的要求 , 以及現代生產的要求高效率自動化則成為不可避免的趨勢 。 因此 , 噴涂機械手能夠得到廣泛的應用 , 所以研究噴涂機械手具有較大的意義和實用價值。噴涂機械手能夠滿足的高質量、高產量、高效率的噴涂要求 ,特別是樹脂及鎂 、 鈦合金及有害材料的應用在此行業的大量使用 。 噴涂機械手的噴涂方式具有降低生產成本、提高作業效率、改善作業環境、節省安裝空間 、 機械化、自動化管理作業等優勢。是目前行業中的一種新興的及先進的噴涂方式 。噴涂適用的范圍很廣 , 包括建筑及各種制造業 。 本設計主要是針對制造業而設計第一章 緒論5的一種噴涂機械手。 目前出現了高質量的全自動的噴涂機械手 , 噴涂質量大大提高 , 噴涂范圍也在不斷擴大 。 從原來的二維噴涂到現在的三維立體噴涂作業 , 噴涂機械手越發先進靈活 , 適應質量高要求的工作要求 。 有的先進的機械手 , 應用伺服軟仿形噴涂系統等 , 采用人機交互界面 , 操作靈活方便 。 它代替人工不僅可以減少工人與有害涂料直接接觸,而且可以提工作動效率和質量。 在環保意識日益增強的今天,人們稱環保效果好的涂裝廠為 “ 綠色工廠 ” ,技術陳舊的涂裝廠為 “ 褐色工廠 ” 。無論是新建綠色工廠還是改造褐色工廠,建立機器人全自動噴涂生產線都是十分必要的 。 在新建工廠時 , 合理使用資金是最重要的原則 , 因此降低噴涂生產線的投入是非常關鍵的一個環節 。 而對于那些需要改造的工廠來說 , 如何將機器人合理引入到現有的涂裝生產線 , 以及由此而產生的費用則是關鍵性的問題。 1.3工業 機器 人結 構工業機器人千姿百態 , 一方面可以滿足設計者的靈活 多變 的設計概念 , 增加了設計的自由度和執行功能的多樣性 , 另一方面也增加了設計的難度 。 盡管如此 ,工業機器人的設計 基本上還是 是有章可循的。 大體結構分為串聯型和并聯型 。( 1) 串聯型簡單點說 , 串聯機器人就像人的一個手拿東西 , 而并聯機器人就相當于兩個手一起端東西 。 串聯機器人研究得較為成熟 , 具有結構簡單 , 成本低 , 控制簡單 ,運動空間大等優點,已成功應用于很多領域,如各種機床,裝配車間等。第一章 緒論6圖 1-串 聯工 業機 器人( 2) 并聯型并聯機器人的研究與串聯機器人相比起步較晚,還有很多理論問題沒有解決 。 但由于并聯機器人具有剛度大 , 承載能力強 , 精度高 , 末端件慣性小等優點 ,在高速,大承載能力的場合, 與串聯機器人相比具有明顯優勢。已有很多成功應用的案例。比如運動模擬器 ,delta機器人等。圖 1-2并 聯工 業機 器人串聯與并聯結構各有優勢與缺陷 , 功能互補 , 正逐漸成熟并廣泛應用在當今的工業產業之中。第一章 緒論71.3.1機器人的基礎構造工業機器人大體分為四個部分 , 即 執行機構 , 驅動 傳動機構 , 控制系統,檢測反饋系統。 ( 1) 執行機構執行機構也稱操作機 , 使機器人賴以完成工作任務的實體 , 通常由桿件和關節組成 。 從功能角度 , 執行機構可分為 手部 、 腕部 、 臂部 、 腰部 ( 立柱 ) 和基座等 。 其中 , 手部又稱末端執行器 , 是工業機器人直接進行工作的部分 , 其作用是直接抓取和放置物件,可以是各種手持器件。腕部是連接手部和臂部的部件 。其作用是調整或改變手部的姿態 , 是操作機中結構最復雜的部分 。 臂部用以連接腰部和腕部 , 通常由兩個臂桿組成 , 用以帶動腕部運動 。 腰部是支撐手臂的部件 。其作用是帶動臂部運動 , 與臂部運動結合 , 把腕部傳遞到須到的工作位置 。 基座是機器人的支持部分 , 可固定可移動 , 該部件必須具有足夠的剛度 、 強度和穩定性。 ( 2) 驅動 傳動機構該部分主要包括驅動部分與傳動部分 。 驅動部分作用是為工業機器人的傳動機構執行機構提供動力 , 驅動方式有液壓驅動 , 氣動驅動和電機驅動 。 這次畢業設計的 并聯 噴涂機器人主要采用電機驅動,可供選擇的電機有直流伺服電機 , 步進電機和交流伺服電機 。?直流伺服電機直流伺服電機 , 它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器 、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器 ,所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成 。 伺服電機每旋轉一個角度 , 都會發出對應數量的脈沖 ,這樣 , 和伺服電機接受的脈沖形成了呼應 , 或者叫閉環 , 如此一來 , 系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機 , 同時又收了多少脈沖回來 , 這樣 , 就能夠很精確的控制電機的轉動,從而實現精確的定位。 ?交流伺服電機伺服電機內部的轉子是永磁鐵,驅動器控制的 U/V/W三相電形成電磁場 ,轉子在此磁場的作用下轉動 , 同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器 , 驅動器根據反饋值與目標值進行比較 , 調整轉子轉動的角度 。 伺服電機的精度決定于編第一章 緒論8碼器的精度(線數 ) 。交流電動機,特別是鼠籠式感應電動機沒有上述缺點,且轉子慣量較直流電機小 , 使得動態響應更好 。 在同樣體積下 , 交流電動機輸出功率可比直流電動機提高 10﹪~ 70﹪,此外,交流電動機的容量可比直流電動機造得大,達到更高的電壓和轉速。?步進電機步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構 。 通俗一點講 當步進驅動器接收到一個脈沖信號 , 它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角 ) 。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的 ; 同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度 , 從而達到調速的目的。 ( 3) 控制系統這個系統是通過對驅動系統的控制,使執行系統按照規定的要求進行工作 。一般由控制計算機和伺服控制器組成 。 控制計算機發出指令 , 協調各關節驅動之間的運動 , 同時還要完成編程 、 示教 /再現 , 以及和其他環境狀態 ( 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調工作 。 伺服控制各個關節驅動器,使各桿按一定的速度、加速度、和位置要求進行運動。( 4) 檢測系統檢測系統的作用就是通過各種檢測器、傳感器、檢測執行機構的運動境況 ,根據需要反饋給控制系統 , 與設定值進行比較后對執行機構進行調整以保證其動作符合設計要求。1.3.2噴涂機器人的控制這次設計的 并聯 噴涂機器人的控制方式是連續軌跡控制 , 這種軌跡控制不僅要求機器人以一定的精度達到目標點,而且對運動的軌跡也有一定的精度要求 。運動軌跡是空間的連續曲線 , 機器人在空間的整個運動過程都要控制 , 比較復雜 。這種控制除了用于噴涂機器人,也常用于焊接與檢測機器人設計。 1.4本章 小結本章首先闡述了工業機器人的概念 , 優勢及應用范圍 , 對工業機器人有了較第一章 緒論9為全面的 了解 。 接著通過查閱資料和分析畢 業 設 計 任務 , 整理出噴涂機器人的優勢和特色之處 , 明確了設計和應用噴涂機器人的必要性 。 最后 , 自學了與機器人有關的課程,對噴涂機器人和其他工業機器人的結構功能有了更進一步的研究 ,學到的相關知識為后續的 并聯 噴涂機器人的設計 、 虛擬樣機制造做了理論上的準備 。 目前主流的工業機器人或者說機器手仍然是串聯型機器人為主 , 因為對它的研究起步早 , 應用較為成熟 , 但近來并聯機器人的研究也逐步跟上 , 個別廠商已經推出了適應市場需求的并聯型工業機器人。因為串聯型機器人已經廣泛應用 ,并聯型機器人使用少 , 故其優勢更顯珍貴 , 將來推廣應用并聯機器人是大勢所趨 。它有串聯機器人不具備的獨有優勢 , 在某些特定場合無可替代 。 這也是我畢業設計課題選擇并聯噴涂機器人虛擬樣機設計的原因。第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計10第 2章 并 聯 噴 涂 機 器 人 執 行 機 構 設 計2.1并聯 噴涂 機器 人的 噴涂 對象 研究2.1.并聯 噴涂機器人作用于汽車行業優勢為了追求噴涂過程更大的靈活性 、更大人員安全性和 更高的效率,從 1990年代起汽車工業開始引入機器人進行內表面的自動噴涂 。 現代汽車工業迅速發展導致 汽車型號 快速更新換代 和車體設計的不斷調整 , 只有機器人才能適應這種頻繁變化的 重復性 生產要求 。 機器人 通過 控制噴槍 運動 , 使之在噴涂過程中與噴涂表面保持正確的角度和恒定的距離 ( 一般為 200mm ) 。 工程師采用專門的軟件對噴涂對象的三維模型進行處理,確定噴槍的移動路徑 運動轉角 和相應的噴涂參數。然后將這些數據傳輸給機器人控制器,控制機器人 精準地完成設計 動作 。 噴涂機器人的大量運用極大地解放了 生產 力,提高了汽車制造企業的生產效率 , 并帶來穩定 優質 的噴涂質量 , 降低成品返修率 , 同時 也 提高了 噴 漆利用率 , 減少廢漆、廢溶劑的排放,有助于構建環保的綠色工廠。 目前國際市場上供應的噴涂機器人大致可分為以下幾類 按是否具有沿著車身輸送鏈運行方向水平移動的功能 , 分為帶軌道式和固定安裝式機器人 ; 按安裝位置的不同 , 分為落地式和懸臂式機器人 。 落地式機器人具有易于維護清潔的優點 , 帶軌道式機器人則具有工作范圍相對較大的優點 。 另外 , 串聯機器人雖然大量應用 , 但是價格高昂 , 我嘗試創新 , 選擇用并聯機構設計噴涂機器人 , 以期節省成本。綜上所述 , 本次畢業設計采用的是落地帶軌道式的 并聯 噴涂機器人 。 該種結構噴涂機器人結構對稱 , 靈活性好 , 精度和剛度高 , 易于制造 , 成本低 , 容易實現模塊化。第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計12.1.2噴涂對象調查研究噴涂機器人的噴涂對象是 普通汽車外殼 。 噴涂機器人可以作為噴涂車間流水線上的一環,完成對已加工好的 車殼 的噴涂工序,也可以應用于汽車維修站 , 完成破損或刮擦的 車殼 表面 補漆 、 重新噴漆 。 為確定 并聯 噴涂機器人的整體尺寸和工作行程 , 設計之前需對噴涂對象的尺寸做調查研究 。 鑒于 各種類型車殼尺寸大小不一 , 實地調研難度較大等問題 , 本次噴涂對象的尺寸確定具體方法為 結合網絡資料和實地調研 , 調查不同類型的 家用 轎車的車身尺寸 , 車身尺寸包括高度 ,寬度, 長度等。圖 2-1車 身 外 形 示 意圖圖 2-車 身外 殼尺 寸示 意 圖第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計12圖 2-3調 研結 果圖綜合分析上述調研結果,結合車型示意圖,確定被噴涂車身的大約尺寸 。 為求設計過程簡化,起一個示意作用,本設計用車殼側面輪廓當作工作目標, 用autoCAD軟件繪制 近似 的車殼側面 輪廓曲線 ,按照噴槍口距離車殼表面 200mm計 , 通過等距曲線 , 把它當作 噴涂機器人在噴涂過程中執行件的運動軌跡 , 建立樣條曲線,為后續 ADMS運動仿真做好準備 。 (外圍曲線為工作軌跡)圖 2-4車 殼 側面 的 近似 尺寸第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計132.噴涂 機器 人的 原理 和功 能研 究第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計14圖 2-5并 聯 噴 涂機 器人在整個車 殼側面 的噴涂過程中, 把 整個車 殼側面劃分為若干個小塊區間 , 每一個小塊區間即是噴槍噴出的噴霧從頂部到底部所覆蓋的區域,如圖 2-6所示 。圖 2-6分 塊工 作范 圍示 意( 中間 粗線 部分 )假定流水線不動 , 車殼靜止 , 并聯 噴涂機器人 自頂而下一個工作行程應該噴涂完如上圖所示紅色區域的面積。當底座絲杠進給速度與生產流水線保持同速 時,并聯噴涂機器人與目標車體相對靜止。設定自上而下往復一次即兩個工作行程為一個工步 , 往復噴涂 一次 后 , 應該第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計15進入下一個工步 。 此時 , 噴涂的執行件保持原位置 , 底座絲杠 帶動 機器人 沿 流水線運動 方向 反向加速 進給 一個工位再保持與流水線同速 , 繼續保持相對靜止 , 直至 完成下一個單元的噴涂任務 。 依次循環 , 最終 完成整個 車殼側面 的噴涂 , 機器人快速回程歸位 , 準備進行下一個目標車體的噴涂 , 右邊為第一工步 , 左邊為第二工步設計流水線運動方向向右如箭頭所示如圖 2-7所示圖 2-7分 塊工 作流 程范 圍示 意2.3噴涂 機器 人的 運動 軌跡 設計 計算 及整 體尺 寸設 計2.3.1設計原則1)根據 車體 的平均高度確定每一個噴涂行程中噴嘴的極限位置;2)根據車 體 的平均寬度確定整個噴涂過程中, 并聯 噴涂機器人 在 導軌上面的運行距離 及往復運動的規律 ;3) 根據 車 殼 外側的近似輪廓曲線 的等距樣條曲線 確定 并聯 噴涂機器人在噴涂過程中執行件的相關運動軌跡。 4) 由于噴槍噴涂過程要求噴槍口始終垂直于被噴涂表面,所以根據 車 殼 外側的近似輪廓曲線 的等距樣條曲線 確定 并聯 噴涂機器人在噴涂過程中 噴槍的轉動規律 。2.3.2運動軌跡設計計算主要采用 Adam s軟件進行運動仿真,通過設定的運動軌跡,利用點驅動反第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計16求驅動關節的運動規律。理論上,通過添加點驅動可以實現各種形式的運動 , 由于時間關系 , 為求簡便我只仿真了平面軌跡 , 空間三維軌跡僅作理論闡述 。 詳見后文 ADMS運動學仿真。2.4并聯 噴涂 機器 人的 機構 設計2.4.1底座與 工作平臺 設計底座導軌設計如下圖 2-8圖 2-8底 座 導 軌 設 計底座 導軌 有兩個作用 , 首先 , 它 以地腳螺栓和圓螺母與鋼筋混凝土制的車間地面相連接 , 緊固后 它 將為整個 并聯 噴涂機器人提供穩定的支 撐 。 其 次 , 底座 導軌還 起 到了 導向作用 , 設計之前 , 我大致 研究了 一些 機床導軌相關知識作為參考 。按照運動的形式 , 機床導軌有直線和圓周兩類 , 前者如龍門刨床 、 車床床身導軌第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計17等 , 后者如滾齒機的工作臺 、 立式車床導軌等 。 如果 按照運動面間的摩擦性質 來劃分 , 機床導軌 有 滑動和滾動兩類 。 滑動型中 屬 于 純流體摩擦 的 稱為液體靜壓或氣體靜壓導軌 。 導軌的截面形狀主要有三角形 、 矩形 、 圓形和燕尾形等 , 它們各有特點 三角形導軌的導向性好 ; 矩形導軌剛度高 ; 圓形導軌制造方便 , 但磨損后不易調整 ; 燕尾形導軌結構緊湊 。 若 導軌防護條件較好 , 不易堆積切屑 , 下導軌面常設計成凹形 , 以便于儲油 , 改善潤滑條件 ; 反之則宜設計成凸形 。 綜合分析 對比之后 , 我 采用凸形滑動導軌 , 其結構簡單 , 接觸剛度高 , 抗振性好 , 截面形狀采用 “ 三角形 矩形 ” 狀導軌,結合了矩形導軌剛度高,承載能力強 , 三角 形導軌定位能力好的優點 。 為了方便更換 、 節約成本 , 我采用兩個長導軌條安裝于底座導軌的定位槽中。導軌條采用 ZQSn10-1錫青銅材料,金屬型鑄造 , 特點是 硬度高 , 耐磨性極好 , 不易產生咬死現象 , 有較好的鑄造性能和切削加工性能用于在高負荷 ( 20MPa以下 ) 和高滑動速度 ( 8m/s) 下工作的耐磨零件 。 底座導軌采用 灰鑄鐵 HT300, 其具有良好的鑄造性能 、 良好的減振性 、 良好的耐磨性能 、 良好的切削加工性能 、 低的缺口敏感性 , 并且 剛度高 。 這些要素使其成為良好的底座材料。導軌條設計如圖 2-9第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計18圖 2-9導 軌條 設 計尺寸要求 因機器人與流水線通向同速運動 , 且機器人時時反向進給 , 故具體長度需根據流水線移動速度和每一個工步具體時間而定 , 為設計方便 , 取 底座導軌 的長度為 1900mm 。 (實際情況需要實際計算)底座導軌裝配如下圖 2-10圖 2-10底 座導 軌裝 配第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計19圖 2-1工 作平 臺基 座底 盤 設 計工作平臺基底如上圖 2-1所示, 下端面的凹形導軌與底座導軌配合,提供了滑道 , 完成噴涂的進給運動 。 同時 , 為 其上工作平臺即機器人主體軀干提供 有效 的 支撐 和 明確 的定位 位置關系 。采用普通 45鋼。圖 2-1工 作平 臺基 座( 左、 右)工作平臺基底如上圖 2-12所示,采用代號為 ZL104的鋁硅合金 合金牌 號ZALSi9Mg密度為 2.65kg/m 3,因為其適合形狀復雜、薄壁、耐腐蝕和承受較高靜載荷或受沖擊作用的大型零件 , 常用于扇風機葉片 、 水冷式發動機的曲軸箱 、滑塊和汽缸蓋 、 氣缸頭 、 汽缸體及其他重要零件 , 工作溫度通常要求 ≤ 200° C。(機械設計手冊 單行本 常用工程材料 成大先著 化學工業出版社 ) 我考慮到鑄鋼雖然 強度高,剛度高,但 同時 密度 也 大 ,較為笨重, 所以比強度不如鋁合金 ,且會增加底座絲杠的負載,不利于傳動,故選用質量輕,強度剛度高的 ZL104,通過壓力鑄造獲得 。 機器人殼體包括工作平臺基底以及下文將會提到的平臺工作部,皆為此種材料。 工作平臺基底組裝后為整個并聯噴涂機器人的主題軀干下半身,內部空心 ,第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計20可以放置線纜 , 探測器等部件 。 裝配體與底座絲杠直接關聯 , 底座絲杠旋轉帶動機器人沿導軌移動。圖 2-13工 作平 臺 裝 配圖 2-14工 作平 臺基 底 裝 配由上圖 2-13、 2-14可見 , 機器人與導軌條緊密接觸 , 與底座導軌留有間隙 ,符合常規設計思路,易于加工高精度表面,無關表面無需高精度加工。如下圖 2-15所示為 平臺工作部,包括主體及外殼第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計21圖 2-15平 臺工 作部 設計平臺工作部同樣采用 ZL104,可組裝,為機器人 “ 上半身 ” ,用于安裝固定機器人的工作執行部件,平臺工作部裝配如下圖 2-16所示圖 2-16平 臺工 作部 裝配第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計222.4.2噴涂執行件設計圖 2-17絲 杠套 筒及 其裝 配絲杠套筒及其裝配如上圖 2-17所示。絲杠套筒裝配相當于機器人的四個關節,上下為同樣結構,左右結構對稱 ,與上下略有差異 , 安裝在它上面的小的伺服電機帶動工作絲杠往復直線運動就實現了機器人的工作過程 。 這里有一點值得注意 , 電機通過帶輪帶動聯軸器 , 聯軸器與絲杠螺母關聯,通過螺母旋轉使絲杠往復運動,材料選用 ZG270。第二章 并聯噴涂機器人執行機構設計23圖 2-18球 副及 其裝 配并聯噴涂機器人的最終工作部分如上圖所示 , 四根絲杠通過球鉸副與噴槍板連接 。 絲杠按設定規律聯動 , 帶動噴槍上下 、 前后平移和上下 、 左右翻轉 , 實現復雜曲面運動。噴槍板引出管道連接涂料箱,提供涂料。2.5本 章小 結本章 第一節 對 并聯 噴涂機器人 做 了初步設計 , 明確了 并聯 噴涂機器人在汽車行業的應用方式和優勢 , 分析了自動化噴涂的必要性和可行性 ; 接著對噴涂對象的尺寸做了一個 大致 的調查研究 , 制定了噴涂對象的近似尺寸 , 該尺寸的制定既有利于發揮 并聯 噴涂 機器人 的高效率又能保證一定范圍的通用性;第二節中 , 根據 車間生產 的相關知識和車 體 尺寸 , 設計了 車殼 的噴涂方法 , 選定了機器人跟隨流水線移動 的噴涂方式 , 并結合 此 方式設計了 并聯 噴涂機器人的基本原理和功能構造 。 第三節中 , 對噴涂軌跡進行仿真計算 , 并確定了構件的大體尺寸和相對位置關系,所解出的 樣條 函數用于電機的編程和整個機構的 ADMS仿真。第四節設計了 并聯 噴涂機器人的 部分重要 執行機構。第三章 并聯噴涂機器人驅動傳動機構設計24第 3章 并 聯 噴 涂 機 器 人 的 驅 動 和 傳 動 機 構 設 計3.1驅動 傳動 機構 要求3.1.驅動裝置并聯 噴涂機器人沿著導軌做進給運動 , 工作部上的四個絲杠套筒裝配體帶動工作絲杠往復直線運動 , 這 五 個運動都需要驅動裝置 。 機器人常見的驅動方式有電機驅動 、 液壓驅動 和 氣壓驅動等 , 相比于 后 兩種驅動方式 , 電機驅動有其顯著的優點 1伺服電動機易于標準化,結構性能好,噪聲低。2控制精度高 , 功率較大 , 能精確定位 , 反應靈敏 , 可實現高速 、 高精度的連續軌跡控制,伺服特性好。 3適用于中小負載 、 要求較高的位置控制精度和軌跡控制精度 的 速度較 快 的機器人。圖 3-1三 種類 型的 電機
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并聯 噴涂 機器人 虛擬 樣機 設計 cad 圖紙 說明書 仿單
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