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錐面鏡裝夾機械手的設計與實驗研宄

添加時間:2021/07/26 來源:未知 作者:樂楓
對于超精密機床加工錐面鏡,傳統人工上下料過程包括裝夾、卸取兩個動作,通過分析過程特點,優化卡盤結構,設計一種專用機械手爪,實現定心抓取以及軸向推進旋緊旋松功能。
以下為本篇論文正文:

摘要

  借助機器人實現工業制造的自動化升級是未來工業不斷發展的趨勢,同樣對于精密制造業在發展中也面臨著自動化升級問題。錐面鏡作為一種廣泛使用的精密光學元器件,大批量高精度是其特點,本文針對錐面鏡這種精密光學元器件的特點,結合其制造過程,設計了一種自動裝夾卸取系統,實現錐面鏡加工上下料自動化,在其生產效率以及良品率上得到較大提升。在自動裝夾卸取系統中,密切結合現有生產特點,設計一種裝夾卸取專用機械手爪;利用2D視覺定位錐面鏡坐標,UR5機器人腳本程序實現整體控制。

  對于超精密機床加工錐面鏡,傳統人工上下料過程包括裝夾、卸取兩個動作,通過分析過程特點,優化卡盤結構,設計一種專用機械手爪,實現定心抓取以及軸向推進旋緊旋松功能。采用演化曲柄滑塊機構作為三指抓取錐面鏡的傳動執行機構,為手爪小型化、大行程、可定心提供可能;外推式旋緊旋松機構利用機器人軸向推進和自身機構旋轉實現對卡盤的鎖緊與放松。

  利用arduino等硬件設計手爪控制單元,結合I/O通信使得手爪動作與機器人運動融合,實現錐面鏡自動裝夾卸取。建立2D視覺識別定位系統,采用eye-to-hand安裝方式,為機器人抓取碼放盤上的無序錐面鏡提供2D視覺點。通過設計實驗方案,結合手爪、機器人、視覺系統進行實驗精度測試,多組實驗后得出整體抓取精度X方向為0.304mm,在Y方向為0.877mm.本文所設計的自動裝夾機械手為錐面鏡自動上下料提供了一種可行性的解決方案,整個加工過程減少了人工干預,提高了生產效率,所設計的錐面鏡裝夾手爪結合機器人控制及視覺定位系統也為其它零件的自動上下料抓取手爪的設計和控制的實現提供了一定的參考價值。

  關鍵詞:錐面鏡;機械手爪;UR5機器人;視覺識別;手眼標定

abstract

  The automation upgrading of industrial manufacturing with the help of robots is the trend of continuous industrial development in the future. Similarly, the precision manufacturing industry is also facing the problem of automation upgrading in the development. As a widely used precision optical component, conical mirror is characterized by large batch and high precision. According to the characteristics of conical mirror as a precision optical component and combined with its manufacturing process, an automatic clamping and unloading system is designed to realize the automatic loading and unloading of conical mirror processing, which has greatly improved its production efficiency and yield. In the automatic clamping and unloading system, a special mechanical gripper for clamping and unloading is designed in close combination with the existing production characteristics; Using 2D vision to locate the conical mirror coordinates, the UR5 robot script program realizes the overall control.

  For the machining of conical mirror with ultra precision machine tool, the traditional manual loading and unloading process includes two actions: clamping and unloading. By analyzing the process characteristics, optimizing the chuck structure, a special mechanical gripper is designed to realize the functions of centering, grasping and axial pushing, tightening and loosening. The evolutionary crank slider mechanism is used as the transmission actuator of the three finger grasping conical mirror, which provides the possibility for the miniaturization, large stroke and centering of the claw; The push out tightening and loosening mechanism uses the axial propulsion of the robot and the rotation of its own mechanism to lock and loosen the chuck.

  The gripper control unit is designed by Arduino and other hardware. Combined with I / O communication, the gripper motion is integrated with the robot motion to realize the automatic clamping and unloading of conical mirror. The 2D visual recognition and positioning system is established, and the eye to hand installation method is adopted to provide 2D visual points for the robot to grasp the disordered conical mirror on the code playback disk. Through the design of the experimental scheme, the experimental accuracy is tested in combination with the gripper, robot and vision system. After multiple groups of experiments, the overall grasping accuracy is 0.304mm in the X direction and 0.877mm in the Y direction. The automatic clamping manipulator designed in this paper provides a feasible solution for the automatic loading and unloading of conical mirror. The whole processing process reduces manual intervention and improves the production efficiency, The designed conical mirror clamping gripper combined with robot control and visual positioning system also provides a certain reference value for the design and control of automatic loading and unloading gripper of other parts.

  Key words: conical mirror; Mechanical gripper; UR5 robot; Visual recognition; hand-eye calibration

目錄

  1緒論

  伴隨全球工業自動化不斷智能升級的步伐,工業機器人正在世界工業領域不斷革新傳統生產方式。本章通過分析全球工業機器人發展現狀以及應用領城,不斷探素未來工業機器人發展方向。同樣件隨機器人末端執行器的不斷發展。工業機器人的應用方式也在不斷增加。本文通過設計新的生產模式為傳燒精密制造業寫上智能化標簽,也為探索工業機器人邁向精密制造領域提供參考。

  1.1 金球工業機器人應用發展現狀

  1.1.1全球工業機器人整體發展態勢

  隨著:全球工業市場的不斷發展以及對高新技術的漏求,打造智能化生產線的聲音正在不斷席巷全球工廠。早在上個世紀工業機器人就已經承擔起打造智能化工廠的重任。隨著技術的不斷進步,工業機器人已經遍布全球各大制造業領城,從汽車到3C.

  再到冶金化工行業?偰芸吹剿鼈兊纳碛。件隨德國提出的"工業4.0" 以及中國的"智能制造2025".工業機器人在未來工廠里的地位將不斷攀升。

  1959年,恩格爾怕格續造了世界上第-臺工業機器人。從此將世界制造業推向了一個斷的高峰。工業機器人在將近60年的發展中。已經演化出適用于各種領域的機器人,例如曉涂機器人、點焊機器人等。在工業機器人技術的不斷整合與產業化的過程中形成了一條完備的產業鏈。該產業鏈包含上層主要機器人零部件生產、中層機器人本體制造以及下層機器人應用三個層次,在各自領域涌現了一大批優秀的企業,這其中就包括油霸工業機器人市場的四大主流品牌ABB. FANUC. KUKA. YASKAWA.

  ABB自身具有強大的本體制造與軟算法能力。收購貝加棠與GE工業系統。在工業自動化。電力自助化等領城具有極強的實力: FANUC擁有全球領先的數控系統技術,工業機器人本體種類多達240種。負重范圍從0.skg至23.通過系統集成整合自身業務板塊,實現高質量解決方案輸出: KUKA核心零部件白產率低,工業機器人本體核心優勢體現在控制端,吸收瑞仕格物流自動化優勢,重點推動工藝集成解決方案業務。其于2017年被美的收購:安川電機核C零部件優勢強大,控刺器硬件、電機等優勢明顯。機器人性價比相對較高。

  據統計,2016 年這四大主鎮工業機器人企業在全球收入占比高達4.19%.按收入體量看。 ABB為領頭企業。其機器人業務收入是排名第二位FANUC的將近4.7倍,其余排:名分別是KUKA第三和安川第四,2017年四大品牌在中國市場占有率達57%,其中FANUC (18%) >KUKA (14%6) >ABB (13%) > YASKAWA (12%)。從圖1-1的全球近年工業機器人銷量與銷售額可以看出。其呈現逐年遞增的志勢。宋來工業機器人市場將繼續蓬勃發展。

  相較于全球工業機器人市場,在國內也涌現出- -大批優秀的工業機器人企業,涵蓋了零部件。本體制造以及系統集成應用等多個模塊。其中比較優秀的企業包括新松、1緒論埃斯頓、廣州數控等。但國內機器人廠商起步較晚,和國外優秀機器人企業比較還有較大差距,想要和國外優秀機器人企業同場競技還需要時間慢慢積累。

  1.1.2全球工業機器人應用領域現狀

  隨著全球經濟的不斷發展,人們的受教育程度不斷提高,從事重復性體力勞動的人數不斷下降,工廠的用人成本也在不斷加大,通過機器人來代替傳統人工越來越受到企業的青睞。伴隨著機器人技術的不斷增強,工業機器人的應用領域也在不斷擴大。

  圖1-2 說明了2016 年國內與全球工業機器人的主要應用領域,從數據可以得出汽車和3C行業是目前工業機器人應用最多的領域。

  汽車產業包括汽車整車制造和汽車零部件制造,通常整車廠與機器人供應商合作關系穩定,如大眾用KUKA和FANUC,寶馬奔馳等德系用KUKA,通用主要是FANUC,菲亞特用柯馬,白車身和沖壓線主要是ABB,涂裝主要是德國杜爾,豐田本田等日系用安川、川崎等日資品牌,現代起亞只用現代等。而對于3C市場機器人則同樣具有更大的發展空間,目前世界上的3C電子產品不斷出新,市場需求巨大,3C行業是勞動密集型產業,人工成本不斷上升推進了"機器換人"的趨勢,3C機器人市場正在爆發。中國集中了全球70%的3C產品產能,但是2016年國內3C行業目前機器人密度僅為11臺/萬人,而日韓兩園3C行業的機器人密度早已超過1200 臺/萬人,相比之下,我國3C領域自動化水平仍存在較大差距。金屬機械產業包括很多重型工業,生產環境相對惡劣,高強度的作業方式和惡劣環境的疊加使得其不斷尋找可靠的人工替代方式,工業機器人就是最好的選擇,例如專門適用于極重載荷的庫卡鑄造機器人為機械鑄造行業提供了最優的解決方案。橡膠塑料在我們身邊幾乎無所不在,每天生產的橡膠塑料制品不計其數,橡膠塑料成品往往由注塑機成型,傳統的方式為由人工進行上下料,采用自動化解決方案,生產工藝更高效、經濟可靠。隨著工業機器人技術的不斷發展,出現的更高精度,更高柔性機器人正向不同工業領域邁進,不斷為智能化工廠建設貢獻力量。

  1.1.3工業機器人未來發展前景

  在全球互聯網的浪潮下,萬物互聯的理念越來越接近我們的生活。智能工廠通過信息技術將工業機器人與網絡融合,組成綜合性生產系統,多臺機器人協同技術使一套生產解決方案成為可能。未來工業機器人將朝著更加智能化、協同化、擴大化的方向繼續前進。

  智能化代表工業機器人與人工智能相結合,有助于機器人變得更加自主,并與人類攜手合作。機器視覺是實現工廠智慧化的關鍵技術之-, 通過視覺的加入,為機器人和機械設備賦予"眼睛",將工業機器人與視覺結合,通過圖像處理算法,將視覺識別的特征信息告訴機器人,機器人通過信息轉換執行相應的動作,這- -整 套系統為機器人賦予智能。在圖像處理方面,有各種圖像特征提取方法,在環境變化不大的情況下可以實現目標物的精確識別,再結合目前比較熱門的深度學習技術可以實現復雜環境下的特征提取,智能化的工業機器人才能打造未來化的智慧工廠。

  人機協作將是未來工業機器人的另一個發展方向,從ABB的YuMi雙臂機器人,到KUKA的iw七軸機器人,最后再到引領協作機器人市場的UR機器人,無不在以自己更加柔性化的性能打造未來工廠。人們需要以零星或是間敬的工作方式與機器人進行緊密合作,所以安全共存變得越來越重要,協作機器人有著高度的靈活性和適應性,它們不僅可以適應環境的變化,還可以為重復性任務增加了不知疲倦的耐力。

  在工業機器人朝著更加靈巧和安全的方向前進時,它也在不斷吸引更多行業的新用戶。隨著更多尖端技術被添加到工業機器人之中,工業機器人將會變得更小,更輕,適應性更強,功能的強大使得工業機器人不斷滲透到更多領域,由原來的汽車、3C等主流行業漸漸延伸到食品、精密儀器等行業。

  1.2自動抓取系統的國內外發展

  1.2.1自動抓取技術的國外發展

  1.2.2自動抓取技術的國內發展

  1.3課題研究背景及意義

  1.4本章小結
  2錐面鏡裝夾機械手的機構設計與赫計算分析

  2.1錐面鏡裝夾機械手的結構設計

  2.1.1結構設計分析

  2.1.2結構設計選型

  2.1.3結構設計

  2.1.4專用機械手爪的加工制作

  2.2錐面鏡裝夾機械手的計算分析

  2.2.1電機校核計算

  2.2.1.1機械手指的夾持力計算

  2.2.1.2三指手爪電機校核

  2.2.1.3旋緊機構電機校核

  2.2.2三指手爪運動分析

  2.3本章小結

  3錐面雜夾機械手的控制系

  3.1機械手的控制系統硬件

  3.1.1步進電機與驅動器

  3.1.2主控板與控制模塊元器件

  3.2機械手爪的控制系統軟件

  3.2.1機械手爪內部控制系統組成

  3.2.2手爪內部控制系統

  3.2.3機械手爪控制箱溫控系統組成

  3.3整體控制系統搭建

  3.4本章小結

  4機械系統分析

  4.1UR5機器人的機構以及系統參數

  4.2六自由度串聯機器人連桿參數

  4.2.1六自由度串聯機器人連桿描述

  4.2.1.1中間連桿

  4.2.1.2首、末連桿

  4.2,1.3連桿參數和關節變量

  4.2.2六自由度串聯機器人連桿坐標系

  4.2.2.1中間連桿坐標系

  4.2.2.2首末連桿坐標系

  4.2.3六自由度串聯機器人連桿變換和運動學方程

  4.3優傲機器人的正運動學分析

  4.4優傲機器人的逆運動學分析

  4.5優傲機器人的奇異點分析

  4.6本章總結

  5錐面鏡胃棚別與手眼標定研宄

  5.1相機標定

  5.1.1相機標定數學模型

  5.1.2基于halcon的相機標定

  5.1.2.1相機與光源的選型

  5.1.2.2halcon相機標定

  5.2錐面鏡目標識別

  5.2.1halcon圖像采集

  5.2.2錐面鏡目標位置識別

  5.3手眼標定

  5.3.1手眼標定數學模型

  5.3.2halcon算子手眼標定

  5.4本章小結

  6錐面鏡自動上下料整體系統實驗研究

  6.1機器人通信

  6.2整體系統

  6.3抓取精度誤差分析

  6.4本章小結

7總結與展望

  7.1全文總結

  本文以錐面鏡自動上下料為整體實現目標,結合現有資源進行實驗整合,得出比較完善的整體方案。在錐面鏡上下料中比較棘手的為卡盤夾緊方式,由于錐面鏡為精密元器件,體積較小,需要使用彈簧夾頭對其進行定心裝夾,在不改變原有裝夾方式的前提下,以專用手爪設計為切入點,通過將抓取和旋緊旋松機構結合,利用雙電機驅動,設計出一種結構緊湊的錐面鏡專用手爪,利用3D打印技術為機械手爪的結構優化提供了可能。手爪分為內外兩部分結構,內部為抓取三指定心手爪,傳動機構是優化后的曲柄滑塊機構,建立電機旋轉角度與手爪張合角度的對應關系為控制抓取不同直徑錐面鏡提供了數據參考。

  在手爪的控制部分,采用arduino板作為主控制板,其具有編程簡單,接口豐富等特點,結合薄膜式壓力傳感器、限位開關、繼電器等控制硬件編寫控制程序,I/O口為手爪與外部進行通訊的接口。為了使托盤內的錐面鏡可以在無序狀態下實現抓取,需要建立2D視覺識別系統。建立相機標定數學模型,利用halcon軟件對相機進行標定,得出相機內參數據。其平均誤差為0.357752像素。利用九點標定法對eye-to-hand的相機進行手眼標定,得到像素坐標與機器人坐標之間的對應矩陣。對于采集的錐面鏡圖像,利用blob分析得到其中心的像素坐標,再經手眼標定得到的轉換矩陣進行轉換即可得到機器人抓取的視覺點。在halcon與機器人進行通信使用的socket,利用物理網口和網絡調試助手,將轉換后的坐標數據發送給機器人,實現整體的抓取動作。

  7.2本文主要創新點

  在錐面鏡自動上下料整體系統的設計中主要難點與創新點主要包括兩大部分,一是專用手爪的設計與制作,目前該種結構的手爪為完全創新的手爪,市面上包括在售與未售的己知手爪,其機構主要以人型手指和三指、二指為主,在三指手爪方面,所設計的傳動結構也是目前沒有的。在設計手爪時,為了整體機構的緊湊,就需要把內部的抓取手爪做小,但又需要抓取手爪抓取范圍最大在12mm左右,目前成熟的機構是楔式結構,這種結構制造比較麻煩,且結構較大,無法做的小型化。利用演化后的曲柄滑塊機構不僅可以最大化的減小結構件,而且可以把手爪的張角最大化,采用該種演化后的曲柄滑塊機構作為手爪傳動機構的創新設計。

  旋緊旋松機構采用外推式結構,當錐面鏡放入卡盤后,機器人沿軸向移動,壓縮彈簧,推動旋轉旋緊機構向前移動,使其卡入卡盤環,通過電機帶動旋緊旋松機構旋轉即可實現卡盤旋松旋緊。目前'利用該種方法實現螺紋件的旋緊旋松也是一種創新。第二部分為以arduino作為手爪控制系統的主控板建立手爪控制系統,手爪控制一般廠家會用集成化的電路板作為手爪的控制主體,這樣雖然可以使其控制單元集成在手爪內部,但對于二次開發手爪功能其具有一定的局限性,而本文使用通用arduino板作為主控,其編程簡單,可控性強,為手爪二次開發以及后續實現功能變換提供了更多的便利性,手爪的控制單元是外置的,也不會因手爪為了和控制板結合而導致體積過大。

  7.3本文不足與展望

  本文主要不足是目前仍是以實驗為主要目標,在實際生產中需要結合節拍的要求,所以可以通過轉換機構將機器人末端安裝兩個專用手爪,一個用于卸取,一個用于裝夾,這樣會使得整體節拍降低,使得機床可以得到最大限度的的利用。在設計手爪的過程中,為了達到可制造的目的,將許多可購買標準件作為設計的主要參考因素,對于部分非標件也采用了標準件代替,在設計中對部分非標件做了妥協,使得手爪的整體尺寸并沒有達到實際可以縮小的尺寸。

致謝

  時間飛逝,伴隨著實驗室忙碌的身影,研究生時光將要結束了,幸福的時光總是那么短暫,仿佛開學報到的日子就在昨天;仡^看看,這幾年的日子有苦有淚,有笑有甜,一切總是那么的自然,一切卻也是那么的難忘。

  我的老師,永遠是我前方道路的指明燈,從研-開始對研究領域的初識,到研二對研究課題的深入,再到現在對研究成果的耕耘,這一切都離不開老師的諄諄教誨。

  在老師身上,我看到了對學術的嚴謹、對學生的包容、對學習的認真等等,這也是一直鞭策我繼續前進的動力,優秀的品格總能感染我,讓我在無數次面臨失敗時挺直腰桿,繼續前行。在此,我想對老師表達我最誠摯的感謝與敬意。

  我的課題組老師,感謝您們孜孜不倦的為我提供寶貴的意見,在您們的建議下,我的論文才能不斷朝著正確的方向改進,您們為我答疑解惑,為我指明方向,學生無以為報,只能在此對您們表達最崇高的敬意。

  我的同學,-群可愛的人,一群總能傳遞快樂的人,和你們在-起,我的研究生生活才能多姿多彩,我們一起學習,- -起討論。在學術中,總能給我傳遞靈感,讓我靈感大爆發;在生活中,相互幫助,相互照顧,一-起為研 究生生涯增添了難忘的回憶。

  在此,我想對我的同學表達我的感激之情,我會永遠記得我們的同窗友情。

  最后,感謝參與我論文答辯和評審的各位老師,是您們給予了我一個審視自已研究成果的機會,給予我肯定,讓我在未來的道路上有了自己的追求方向。在此,讓學生對您們表達最美好的祝福。

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