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齒坯上下料串并混聯機械手分析與設計

添加時間:2021/11/03 來源:未知 作者:樂楓
本課題圍繞對該齒坯上下料機械手的分析和設計展開,根據應用工況和設計要求,分析機械手的設計指標,提出一種新型混聯機械手并對機械手手臂和手部構型進行設計。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  齒坯上下料機械手是用于汽車后橋主減盆角齒的懸掛式等溫正火熱處理線,在該生產線上、下料點各配套一臺機械手,用于鍛后工件由鏈板輸送線至懸掛鏈輸送線的自動上料,以及熱處理后工件由懸掛鏈輸送線至鏈板輸送線的的自動下料。

  本課題圍繞對該齒坯上下料機械手的分析和設計展開,根據應用工況和設計要求,分析機械手的設計指標,提出一種新型混聯機械手并對機械手手臂和手部構型進行設計。

  在確定好機械手構型和初選尺寸的基礎上,對機械手手臂的運動學和動力學進行分析并基于手臂機構的雅克比矩陣分析了手臂機構的奇異性。根據手臂機構的運動學反解繪制其工作空間并基于構型參數對工作空間的影響對尺寸參數進行了優選。

  建立手部機構的力傳遞模型,選取了合適的構件幾何參數并計算手部負載所需的驅動力。

  對機械手整機結構進行設計,包括機械手底座、腰部、手臂和手部的結構設計及機械手的驅動和傳動零部件的計算與選型。對機械手的上料過程進行軌跡規劃,規劃合理的軌跡路徑點并采用拋物線過渡的曲線插值法對手臂的關節空間進行軌跡規劃。

  設計手臂控制系統,選擇獨立控制策略,使用嵌套控制回路的控制結構建立了手臂控制系統并使用 Simulink 對其進行建模和仿真,驗證手臂控制系統模型的可行性。

  關鍵詞:混聯機械手;構型設計;運動學;機構參數;結構設計;軌跡規劃與控制

Abstract

  Gear billet loading and unloading manipulator is used in automobile rear axle main basin Angle gear reduction is hanging isothermal heat treatment line, on the production line, cutting point each supporting a manipulator, after used for forging workpiece by chain plate conveyor line to hang chain conveyor line, automatic feeding, and after heat treatment of workpiece by suspension chain conveyor line to chain plate conveyor line automatic blanking.

  This topic focuses on the analysis and design of the gear blank loading and unloading manipulator. According to the application conditions and design requirements, the design index of the manipulator is analyzed. A new type of hybrid manipulator is proposed and the configuration of the manipulator arm and hand is designed.

  On the basis of determining the configuration and the primary size of the manipulator, the kinematics and dynamics of the manipulator were analyzed, and the singularity of the manipulator was analyzed based on the Jacobian matrix.

  Based on the inverse kinematics of the manipulator, the workspace was drawn and the size parameters were optimized based on the influence of configuration parameters on the workspace. The force transfer model of the hand mechanism was established, and the appropriate geometric parameters were selected and the driving force required by the hand load was calculated.

  The whole structure of the manipulator is designed, including the structural design of the manipulator base, waist, arm and hand, as well as the calculation and selection of the drive and transmission parts of the manipulator. The trajectory planning of the manipulator is carried out during the loading process. The reasonable trajectory path points are planned and the trajectory planning of the joint space of the manipulator is carried out by using the curve interpolation method of parabolic transition. The arm control system was designed, and the independent control strategy was selected. The arm control system was established by using the control structure of the nested control loop, and the model and simulation were carried out by using Simulink to verify the feasibility of the arm control system model.

  Key words: hybrid manipulator; kinematics; dimension parameter; structural design; track planning and control motor control system

齒坯上下料串并混聯機械手

目 錄

  1 章 緒 論

  1.1 引言

  隨著現代工業化的發展,先進發達的工業化國家相繼提出了制造業強國的目標,美國提出了美國新進制造計劃,德國提出了德國工業 4.0,日本提出日本制造業白皮書,為了趕上發達國家工業自動化進程,中國也提出了中國制造 2025.中國制造 2025意味著我們制造業將面臨著全面轉型升級的任務,意味著現在的工業現場的許多高危重體力及許多重復性單調的工作在未來都將被工業機器人代替。而工業機器人的應用,一方面可以減輕工人們的勞動強度,把人們從單調危險的工作環境中解放出來,在另一方面,也改善了產品的品質,提高了勞動生產效率。所以,發展工業機器人技術,實現工廠生產由人工向半自動化乃及全自動化生產的過渡是一個很重要的戰略節點,生產自動化水平已經成為衡量一個國家生產制造水平的重要指標之一[1-5].

  1959 年,美國生產的第一臺工業機器人[6].現在,各式各樣的工業機器人的被廣泛應用于各個領域的工業環境中。工業機器人是指具有多自由度的機械裝置或設備,狹義的工業機器人主要指具有多個自由度的機械臂。它們依靠自身的特殊機構和驅動系統,控制系統等共同來實現工業上的自動化。它們可以通過示教或者預選編號的軌跡程序來實現需要的功能操作,現代的機器人加上人工智能技術以后可以實現更靈活的工業自動化操作。工業機器人在航空航天、汽車制造、交通運輸、冶金化工等重要的工業部門扮演重要角色,被廣泛應用在焊接,刷漆,上下料,碼垛,裝配等工業場合[7].

  上下料機械手是工業機器人重要的組成成分。作為各種加工生產線中最基本的工序之一,上下料工序成為自動化生產線效率高低的一個關鍵因素。根據各種生產線上下料工序的要求,工廠環境等設計合適的上下料機器人,直接影響到企業生產效率,生產成本以及產品質量。在工業上,上下料機械手的應用減輕了勞動強度,保證了產品質量,實現安全生產。尤其是在在高溫,高壓,低溫,低壓,粉塵,易爆和放射性等惡劣的環境中工作,機械手的替代意義巨大。因此,在機械加工生產線,鑄造,鍛造,沖壓,熱處理,電鍍,噴漆,裝配等需要上下料機械手的工業環境中,上下料機械手將進一步大展身手[8-10].

  1.2 課題背景及意義

  本課題的應用背景是國內某企業要建造一條用于汽車后橋主減盆角齒的懸掛式等溫正火熱處理線,需為該生產線上、下料點各配套一臺機械手,用于鍛后工件由鍛機至熱處理線工裝的自動化轉移,以及熱處理后工件的自動下料裝筐。

  作為熱處理生產線中最基本的工序之一,上下料工序成為熱處理生產線效率高低的一個關鍵因素。傳統熱處理生產線的上下料工序需要人工操作,但是生產線車間高溫,污染,噪音等造成了車間環境惡劣,使得人工上下料存在很多安全隱患,現在傳統熱處理生產線已經無法滿足行業需求了,因此現在的生產線上下料都在朝著自動化方向發展[11].

  在現代自動化熱處理生產線中,上下料工序通常由機械手完成。熱處理生產線中的上下料機械手的應用彌補了人工送料的各種不足,同時降低了生產成本,提升了產品質量,也更加便于管理。因此,上下料機械手決定了熱處理生產線的效率,是熱處理生產線自動化的基礎[12,13].但是,由于我國研究人員對于上下料機器人的研究依然與國外發達工業大國的先進水平差距明顯,國內能夠自主設計機器人并大批量應用的廠家很少,導致我們很多企業使用的上下料機械手都是依賴進口的,價格昂貴。而且由于國外的上下料機械手的設計并不是針對中國企業的特定需求,并未結合企業實際情況進行設計,因此,對于企業來講并非最合適。

  因此,根據我國自動化生產線的實際情況,結合具體上下料要求來研究和設計所需的上下料機械手對于我國工業自動化發展具有重要意義。它將豐富我國上下料機械手的構型,可以為設計自動化生產線中的上下料機械手提供參考價值。

  1.3 上下料機械手的國內外研究現狀

  工業機器人產業作為高端制造裝備的重要組成部分,技術附加值高,市場需求空間大,對未來制造業的生產自動化,柔性化,智能化影響巨大,有望成為繼汽車,飛機,計算機之后出現的另一戰略新興產業[14].因此,在過去的年間,世界各國都紛紛將發展機器人技術和產業作為本國科技發展的重要戰略地位。上下料機器手作為是工業機器人的重要組成成分,開展對上下料機器手的研究意義重大。

  1.3.1 上下料機械手國外研究現狀

  國外工業機器人技術由于起步較早,其技術也比較成熟。世界上第一臺工業機器人 Unimate 在美國研制成功,第一臺全電驅 6 軸工業機器人 FAMULUS 由德國 KUKA公司于 1973 年率先研制成功。如今在發達國家中,工業機器人的應用領域越來越廣泛,主要應用在各種自動化生產線中,包括焊接,搬運,上下料,檢測,裝配等等[15].

  在國際上有影響力的,知名度較高的工業機器人公司大都是來自國外,這些公司已經形成了一些標準設備且得到工業界的廣泛應用。目前,國際上的知名工業機器人公司主要分為日系和歐系,它們占據著國內的大部分市場。日系的主要公司有安川,FANUC,松下等。歐系中,有瑞典的 ABB,德國的 KUKA,意大利的 COMAU 和奧地利的 IGM 公司,其中 ABB 公司是世界上最大的機器人制造公司,在工業機器人領域中被廣泛應用。

  機器人公司的上下料機械手產品類型主要有:少自由度機械手,傳統六自由度機械手和多自由度機械手。

 。1)少自由度機械手20 世紀 80 年代,少自由度的機械手開始在工業生產中使用。如圖 1-1 所以的Doppin 2D 型擺臂機械手,這是 ABB 公司生產的一款兩自由度機械手,可以用于裝載金屬板坯料。該機械手由于自由度少,所以結構簡單,速度快,可靠性高,生產成本也低,但是由于其水平行程較小,一般是使用兩個機械手并配合穿梭小車協調工作完成上下料任務的。圖 1-2 所示是安川公司的 4 自由度上下料機械手,其水平伸出度可達 3159mm,可以搬運 160kg 的工件,重復定位精度為正負 0.5mm.該機械手高速穩定精度高,設備構成簡易且維護成本低,是一款通用型機械手,適用于各種上下料場合。

 。2)傳統六自由度機械手現在工業環境中應用最普遍的就是 6 自由度機械手,這種機械手由于適用于各種復雜工業環境,可以設計成具有不同負載能力和工作范圍的各種規格的工業機器人,所以占據著工業機器人市場的半壁江山。

  圖 1-3 為 ABB 公司最新推出的第七代工業機器人 IRB6700 IRB,有多款型號,負載在 150kg 至 300kg 之間,工作范圍為 2.6 至 3.2 米,在精度、負載和速度方面大幅提升,同時功耗降低了 15%且總體可維護性得到提升,使最大故障間隔時間達到400000 小時,可適用于各種上下料任務。圖 1-4 為發那科 6 軸工業機器人 Robot-1000IA,該機器人擁有 6 個自由度,因為其將機器人的橫向寬度減小到了極限,整體機構緊湊,所以可以貼近臨接的機器人,夾具或者工件進行安裝。其最大伸長半徑科大 2.06m,負載 80kg,重復定位精度為±0.07mm.這塊機器人具有的緊湊的機器人結構和優越的運動性能,能夠布局在密集的上下料,搬運,碼垛,取件,包裝等各種作業。

  為了讓上下料機械手在速度,穩定性和柔性方面有所提升,很多機器人公司在傳統六自由度機械手的基礎上研發了整體性能更強的上下料機械手。它們通過在傳統六軸機器人末端串聯上一個直線移動軸或者轉動軸,使得機器人的適應性更強,速度更快。如圖 1-5 所示,ABB 公司在六自由度機械手的基礎上設計出了旋轉七軸機械手,該機械手是在六自由度機械手的末端添加了一個獨立的旋轉軸,其整體工作范圍可以達到 3100mm 到 4550mm,負載 50kg.

  在某些工業場合但機器人技術無法滿足生產需要,為此多機器人技術應運而生。

  圖 1-6 是安川公司的雙臂機器人 SDA5F,該機器人具有十五個自由度,水平身長范圍達 1604mm,每一個腕部可以負載 50kg,由于采用獨特的雙臂控制協調作業,使其工作可以更靈活,可以應用于上下料,搬運,組裝等多種場合。

  1.3.2 上下料機械手國內研究現狀

  相對于與國外先進的工業大國,我們國家的工業機器人起步較晚,國產知名機器人公司數量甚少。我國從二十世紀八十年代開始進行機器人的研究,哈工大研發了第一臺弧焊機器人"華宇Ⅰ型".自 1986 年開始,我國先后啟動了"七五"機器人攻關計劃,"863"國家高技術發展計劃,使我國在機器人技術領域取得了一系列成果。

  機器人產業化是未來發展的趨勢,我國為了擺脫僅僅是機器人消費大國,成為機器人制造和銷售大國,支持和開展各種工業環境下機器人的應用非常重要。近些年來,由于國家制造業轉型的需要,國家在政策上給予了很多支持。經過一系列技術攻關,我國的工業機器人產業也實現了從無到有,從小到大,取得了一系列成果,出現了一些具有競爭力的機器人企業,而且呈現出來快速發展的趨勢[16-18].例如,新松機器人自動化股份有限公司,海爾哈工大機器人技術有限公司,埃斯頓自動化公司等。

  以新松機器人自動化股份公司為例,該企業是一家擁有機器人核心技術、致力于高端裝備制造的高新技術企業,是中國機器人行業的領軍企業。

  針對不同的上下料環境,新松公司研發相適應的上下料機器人。如圖 1-7,這是新松公司自主開發的 DT 系列搬運機械手,采用龍門架結構以及雙側齒輪齒條傳動的方式,運動平穩且承載能力強。這系列的機械手具有廣泛的應用范圍,能夠承受一定的沖擊,搬運較重的工件,運動位置精度高,具有較大的結構剛性。結合靈活柔性化的模塊化設計廣泛應用于多種行業。如圖 1-8 所示,這是新松自主研發的串聯六關節機器人 SR80B,是新松自動化公司應用最廣泛和最靈活的工業機器人之一。該機器人機身結構緊湊,手臂修長,節約空間,在密集型布局產業中的前景應用廣泛,同時具有具有運動范圍廣,運動性能好,可靠性高的優點,被廣泛應用于上下料作業。

  除了串聯上下料機器人,新松也開發了并聯上下料機器人。如圖 1-9 為新松自主研發的 SRBL3A 六軸并聯機器人,該機器人具有 6 個自由度,具有靈活性強,精度高,鋼性強等特點,具備示教功能,并支持視覺識別,可以滿足大多數精密作業場合,可以實現柔性上下料。在六自由度并聯上下料機械手外,新松公司也研發了 Delta、SCARA 并聯機器人等。

  我國已經是世界最大的機器人市場,且還有很大的拓展空間。但是,目前我國大部分已裝備的機器人是被國外機器人品牌占據的,主要原因是我國機器人產業起步相對較晚,市場被搶先占據,同時我國目前與歐美日等發達國家的機器人在伺服電機,減速器,控制系統等方面均存在一定差距。

  1.4 論文主要內容

  論文根據國內某汽車熱處理生產線上下料機器人的設計要求及工況,設計出一種能夠滿足實際需求的上下料機械手。論文對機械手的整體構型方案,運動學,動力學,軌跡規劃,樣機結構設計及控制系統設計等進行了研究。主要研究內容如下:

 。1) 以熱處理生產線的工況和實際需要,確定上下料機械手的技術指標,根據設計指標提出了一種新型串并混聯上下料機械手,并進行尺寸初選和整體方案分析。

 。2) 確定機械手構型后,對構型方案中的手臂機構的運動學和動力學進行分析。

  內容包括建立合適坐標系,求得機構位置正反解,求解機械手的雅可比矩陣并對機構奇異性進行分析,求解機構動力學模型。

 。3) 基于位置反解求得機械手的工作空間,并根據機構參數對工作空間的影響優選機構尺寸參數。分析了機械手手部的力傳遞模型,并對機械手手部機構構件選擇合適的幾何尺寸參數。

 。4) 設計機械手的整機結構,包括機械手的底座,腰部,手臂,腕部和手部的結構設計,以及對機械手的驅動和傳動零部件進行計算和選型。

 。5) 對機械手上下料進行軌跡規劃,包括路徑點選取和軌跡擬合。對機械手手臂的電控系統進行探索,采取獨立控制策略,基于電機驅動器模型,設計了控制系統的速度環和位置環,并進行建模仿真分析。

  第 2 章 機械手方案分析

  2.1 引言

  2.2 機械手設計指標分析

  2.2.1 作業背景及過程

  2.2.2 設計指標分析

  2.3 機械手構型方案設計

  2.3.1 手臂構型設計

  2.3.2 手部構型設計

  2.4 機械手手臂機構尺寸初選

  2.5 機械手驅動和傳動系統分析

  2.6 機械手控制系統分析

  2.7 本章小結

  第 3 章 機械手運動學及動力學的分析

  3.1 引言

  3.2 機械手手臂機構坐標系及自由度

  3.3 機械手手臂運動學分析

  3.3.1 位置反解

  3.3.2 反解算例驗證

  3.3.3 位置正解

  3.3.5 雅可比矩陣及奇異型分析

  3.4 機械手手臂動力學分析

  3.4.1 Lagrange 動力學方程

  3.4.2 手臂機構動能和勢能分析

  3.4.3 手臂動力學模型

  3.5 本章小結

  第 4 章 機械手工作空間及機構參數

  4.1 引言

  4.2 機械手手臂工作空間

  4.2.1 手臂運動約束條件

  4.2.3 手臂工作空間繪制

  4.3 機械手手臂機構參數優選

  4.4 機械手手部機構參數

  4.4.1 手部力傳遞計算

  4.4.2 手部的結構參數

  4.5 本章小結

  第 5 章 機械手結構設計

  5.1 引言

  5.2 機械手整機結構布局

  5.3 機械手底座及腰部設計

  5.3.1 底座設計

  5.3.2 腰部設計

  5.4 機械手手臂和腕部設計

  5.4.1 球副功能設計

  5.4.2 手臂支鏈

  5.4.3 腕部設計

  5.5 機械手手部設計

  5.6 機械手液壓驅動設計

  5.6.1 手部液壓驅動

  5.6.2 腕部和腰部液壓驅動

  5.7 直線模組設計

  5.7.1 滾珠絲杠的選擇

  5.7.2 伺服電機的參數計算和選擇

  5.8 機械手整機結構

  5.9 本章小結

  第 6 章 機械手軌跡規劃與控制

  6.1 引言

  6.2 機械手軌跡規劃

  6.2.1 操作空間路徑點規劃

  6.2.2 軌跡規劃

  6.2.3 軌跡規劃算例

  6.3 機械手軌跡控制

  6.3.1 驅動器

  6.3.2 獨立控制系統

  6.3.3 手臂軌跡控制仿真

  6.4 本章小結

結 論

  本課題以國內某企業齒坯熱處理線上下料為背景,設計了一種新型串并混聯上下料機械手,實現鍛后工件的自動上料及熱處理后的自動下料。對機械手的機構構型、機構運動學、動力學、工作空間,機械手整機結構設計、手臂關節空間軌跡規劃和電控系統設計等方面展開了研究。

 。1) 根據機械手作業要求分析設計指標,基于設計指標提出了一種新型混聯機械手構型方案 R-3(P-2(S-S)-R,手臂采用 3(P-2(S-S)并聯機構,腰部和腕部分別串聯一轉動副,構成五自由度串并混聯機械手構型,該機械手能滿足上下料要求且兼具串并聯機構的優點;邶X坯工件形狀和尺寸設計了機械手手部構型,該構型簡單有效,動作靈活,能夠抓取不同規格尺寸的齒坯工件。

 。2) 利用幾何向量關系求解了手臂機構正反解,為工作空間求解、軌跡規劃、控制系統設計等提供了運動學基礎;谑直蹤C構的雅克比矩陣對其奇異性進行了分析,分析表明尺寸設計時要避免手臂并聯機構動靜平臺半徑尺寸相差不大且軌跡規劃時并聯機構的 P 副和動平臺不能處于同一水平面上。使用拉格朗日法建立了手臂機構動力學方程,為建立基于模型的柔性控制系統提供了動力學基礎。

 。3)基于手臂機構初選尺寸和機構反解繪制了手臂機構的工作空間,結果表明初選機構尺寸參數超出了手臂機構的工作空間要求。通過分析兩個對工作空間影響較大的參數l 和a ,對手臂機構的尺寸參數進行了優選,優先后的尺寸參數更小且能夠滿足工作空間要求。通過力學分析,建立了手部機構的力傳遞模型,并根據各個機構參數對力傳遞性能的影響設計了一組較合適的手部機構參數,該手部機構可以滿足所需的不同規格齒坯工件的抓取。

 。4) 對機械手的整體結構進行設計,包括機械手底座、腰身、手臂及手部的結構設計并對機械手的驅動和傳動零部件進行計算和選型,選用 YMD 型單葉片擺動液壓缸驅動機械手腰部和腕部的轉動關節,選用 BMH1002P 型同步伺服電機和絲杠滑臺模組驅動手臂三分支的移動關節,選用雙輸入液壓缸驅動手部動作。

 。5) 根據上下料機械手作業特點,合理規劃了機械手操作空間的運動路徑點,并基于運動學反解和拋物線過渡的線性插值法對機械手手臂關節空間進行了軌跡規劃軌跡規劃曲線光滑平穩,連續性好。采用獨立控制策略對機械手手臂控制系統進行設計,并使用 Simulink 對其進行建模仿真,結果表明該控制系統具有較好的軌跡跟蹤性能,驗證了控制系統的可靠性。

 。6) 由于篇幅有限,本文未利用動力學建立基于模型的柔性控制系統,未對整機電液一體化控制系統進行分析設計。

  本文為該上下料機械手的研發和使用奠定了理論基礎,為開發具有自主知識產權的新型上下料機械手提供了參考。在后續的工作中,該論文的分析可以作為物理樣機制造的參考,然后針對實際工況對上下料機械手做更進一步的分析和改進。

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致 謝

  時光飛逝,短暫的研究生學習生涯即將結束。值此論文完成之際,謹向所有給予我幫助的老師、同學和家人表示衷心的感謝!

  本論文是在金振林教授的悉心指導下完成的,從論文的選題、框架及內容,金老師都給予了無私的幫助。金老師嚴謹務實的工作作風,敏銳的學術洞察力以及開拓性的創新思維深刻影響著我,其言傳身教讓我受益匪淺。在此,向金老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。

  感覺師兄王躍靈、趙裕明、馮海兵、謝忠,賈志眾等在學習和生活中給予的支持與幫助;感謝同窗王凱,宋鵬,衛健行,室友高翔、杜金金、戈劍章在學習和生活中提供的支持與幫助。衷心感謝家人在物質上的無私給予和精神上的細致關懷!

  最后,向參與論文評審和答辯的各位老師表示由衷的感謝。

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