毕业论文：基于catia六自由度焊接机械手三维设计

毕业论文：基于catia六自由度焊接机械手三维设计内容摘要：

有无关节臂和有关节臂之分。 手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到 8 所需要的位置上。 为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。 总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电 液脉冲马达、伺服油马达、交流伺服马达、直流伺服马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。 驱动机构 驱动机构主要有四种 :液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。 其中以液压、气动用的最多，占 90％ 以上；电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。 它利用油缸、油马达加齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。 液压驱动的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置 停止。 缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 一般采用 4~6 个大气压，个别的达到 8~10 个大气压。 它的优点是气源方便，维护简单，成本低。 缺点是出力小，体积大。 由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。 电气驱动采用的不多。 现在都用三相感应电机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电机带动丝杠螺母机构。 有的采用直线电动机。 通 用机械手则考虑采用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。 驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大，缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于动作固定的场合。 一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 它的优点是动作确实可靠，工作速度高。 成本低，缺点是不易于调整。 控制系统 机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。 机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，目前以点位控制为主，占 90%以上。 控制系统可根据动作的要求，设计 采用数字顺序控制。 它首先要编制程序加以存贮，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 程序的存贮方式分为分离存贮和集中存贮两种。 分离存贮是将各种控制因素的信息分别存贮于两种以上的存贮装置中，如顺序信息存贮于插销 .饭、凸轮转鼓、穿孔带内，位置信息存贮于时间继电器、定速回转鼓等。 集中存贮是将各种控制因素的信息全部存贮于一种存贮装置内，如磁带、磁鼓等。 这种方式适用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。 对动作复杂的机械手 (机器人 )，采用示教再现型控制系统。 更复杂的机械手则采用数 字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。 控制系统以插销板用得最多，其次是凸轮转鼓。 它装有许多凸轮，每一凸轮分配给一个运动轴，转鼓转动一周便完成一个工作循环。 插销板适用于需要迅速改变程序的场合。 换一种程序只需抽换一种插销板就可，而同 9 一插件又可以反复使用。 穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换。 穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存、可重复使用。 磁芯和磁鼓仅适用子存贮容量较大的场合。 范于选择那一种控制元件，则根据动作的复杂程度和精确程度来确定。 分类 按用途分类 （ 1）专用机械手 专用机械手是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。 它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。 它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。 （ 2）通用机械手 通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。 它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。 它是一种能独立工作的自动化装置。 它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统，如插销板、插件板、穿孔带、穿孔卡、凸轮转鼓、磁芯和磁鼓等。 通用机械手又分 简易型、示教再现型和智能机械手、操纵式机械手等几种。 1 简易型通用机械手是目前国内外应用最多的一种，固定程序采用凸轮转鼓可变程序则采用插销板或插件板进行控制。 2 示教再现型通用机械手，先由人操纵机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。 故又称之为重复型机械手。 3 智能机械手具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛”，以声敏元件模拟人的“耳朵”，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的“大脑”。 具有以上“视觉”、“听觉”、“触觉”以及能 思考的智能机械手 (机械人 )，目前正处在研究试制阶段，个别已达到实用的阶段。 4 操纵式机械手在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变。 操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。 其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探索，以及危险的工作地区。 其缺点是结构复杂，成本高。 按控制型式分类 （ 1）点位控制型机械手 点位控制型机械手的运动轨迹是空间二个点之间的联接。 控制点数愈多，性能愈好。 它基本能满足于各种要求，结构简单。 绝大部分机械手是点位控制型。 （ 2）连续轨迹控 制型机械手 这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线。 它能在三维空间中作极其复杂的动作。 工作性能完善，但控制部分比较复杂。 10 基本型式 机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式 — 直兔坐标式、圆柱坐标式，球坐标式和关节式。 现简述如下 : 直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。 它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式 X， Y， Z 只个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。 如在 X、 Y、 Z 三个直线运动方向上各具有 A、 B、 C 三个回转运动，即构成六个自由度。 : (1)产量大，节拍短，能满足高速的要求， (2)容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合， (3)适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更 , (4)定位精度高，可达到士 毫米以下，载重发生变化时不会影响精度， (5)易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。 缺点是这种机械手作业范围较小。 圆柱坐标式机械手 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。 具有直观性好，结 构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。 圆柱坐标式机械手由 X、 Z、 Ф 三个运动组成。 它的工作范围可分为 :一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，二个直线运动加一个旋转运动。 圆柱坐标式机械手有五个基本动作 : (1)手臂水平回转。 (2)手臂伸缩。 (3)少手臂上下。 (4)手臂回转动作。 (5)手爪夹紧动作。 圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动（ Z）和在水平面内 做圆弧状的左右摆动 (Ф )。 关节式机械手 关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。 它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。 关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。 11 关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。 关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。 为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。 表 1— 2 为关节式机械手与人体上肢动作角度比较： 表 1— 2 关节式机 械手与人体上肢动作角度比较 肩旋转 上臂曲摆 下臂曲摆 下臂旋转 手腕曲摆 手腕摇摆 手旋转 人体上肢 080 090 0 ～0130 – 045 ～+ 065 – 060 ～+ 090 – 060 ～+ 090 — 关节式机械手 0180 080 090 0180 090 — 0180 关节式机械手的传动机构采用齿轮、齿条式和摆动式。 传动机构采用哪一种型式，主要根据工件的轻重来决定。 若按摆动 式扭矩来设计，则油缸将加大，而装载油缸的机架也将随之加大。 特别是靠近关节式前端关节部分的重量对肩部影响很大。 传动机构在承受负荷的同时必须承受自重。 因此，传动效率很低。 如需要大的转动角，则宜采用摆动油缸。 以上三种基本型式的机械手各有特点，但在基本尺寸相同的情况下，如当手臂长度和机体高度相等时，应比较哪一种机械手能达到的动作范围为最大，以便于在工作中加以有效的利用。 计算机辅助设计和 CATIA 软件的发展 计算机辅助设计的发展 近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算机为主要工具的 仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。 在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。 在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，然后进行产品设计。 在设计完成后，为了验证设。