范文一:D-H坐标系下机械手正向运动学分析
D-H坐标系下机械手正向运动学分析
机器人技术1
D—H坐标系下机械手正向运动学分析
牛元会,程光明枥志刚
吉林大学机械学院,长春I30025
F0rwardKjnemaficAnalysisofManipulatorinD—HCoordinates
HILlYuan—hui.CHENGGuang—ruing.YANGZhi-gang
(Jl[inUniversity.Collegef’rMhanieaf’ienee蛐
dEn~neemng.Ch~gchunf30025,China)
Abstract:Based(1nD—Hmethod.acom113oHmtlsinmhotkir~ematicsextr
aeling,establishesthekinematicsmodeland
conduc~fon~’ardkinematicsanalysisaimatfusiblemachinemadebymysel
~Thismethodcl~’tsimplifivthecomputer’5
worklomJ.avtime.ediieusefujiointvariat’Iesanditsradixesapracticabilitya
saI ndrepresentative.hhas”|Ijve『
applicabililYiningenuityandt~~llJlI)tlle.
Kwords:manipulator:l?-Itrert~r|~tt~frame;ciH1兀1inatetransform
1引言
目前,X射线荧光分折技术广泛应于啸金,地质,
化工,建树,石油,环境保护等领域+成为生产控制,科学
研究必不可少的分析方法.分析过程中需要用到标准样
,坫,它是和待}91ll未知样品组成相似但成分已知的一组样
品一在未知样品被x射线照射后.分析仪器将检测到的物
理量和标准样品中的标准值比较.换算歧相应化学成分
质量分数即司”=
标准样品中元素存在的化学状悉和矿物结构,固体样
品的表面光洁度,粉末样品的颡粒度同未知样品尽量一
致,通常只有通过对标准样品和未知样品采用同样的制样
手段进行制样才能实现目前i式样的制取自直接压片法,
熔融法等:直接压片法星将样品在一定压力下制戎表而光
滑的圆片进行测量.制备样品由于粒度,矿物,偏析等不均
匀效应的影啊会降低某些元素的精密度和准确度,熔融法
屉将洋品和熔剂按照一定比例混台后.在一定温度下熔
融,制成均匀的玻璃体.制成的试样能消除试榉的粒度,矿
物,偏析等不均匀效应.同时也可降低样品J素问的吸收
和增强效应.会明显提高分析的精度和准确度.因此熔融
方法成为X射线荧光分析技术的主要发展方同
近年来.随着我国经济的发展,对外贸易的增)Ill,肘
产品质量控制的重视程度也不断提高,购置仪器政熔样
设备的数目电明显增多因此,研制具有自主知识产权的
X射线荧光分析熔洋机对节约外,提高周内技术装备
的制造能力,实现进口仪器零配件的国产化有重大意义=
目前国内市场觋的大部分属于单位熔片机,即熔融,
冷却,取样在,个位置完成,这样的结构工作教率较低:
如果可以别样品实现央持,转移,实现同时进行熔融和冷
27l机械工程师2oo8年第7期
却,就可以大大地提高工作效率机械手是在自动化生产
过程中经常使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动
化装置.本文对高频熔片机中关键夹持部件机械手进行
了详细的正向运动学分析.
2D—H坐标系
D—H坐标系由迪纳维特一哈坦伯格(Denavit—
Hartenbergj提出,现在已经成为描述机械手的惯用坐标
系.D—H坐标系规定:在机械手的各个主要构件上周定有
坐标系.坐标系的Z轴可取得与运动副的轴线重台,而
轴则沿着相邻两个Z轴的公垂线,至于Y轴可由右手坐
标系法则来确定=
同机架联结的坐标系OX.rz口是考察机构运动的
参考坐标系,X轴可以任意选取,若指定另,个坐标系
0蜀为参考坐标系.则轴的方向必须取得与,
两轴的公共垂线为正
RobotTechnologyI机器人技术
本工业机械手其运动简图如图2所示.由机架0经
构件I,2,3到手部夹持器依次经过移动副,转动副,转动
副,手臂含有升降,水平面内的旋转和绕z3轴旋转3个
运动形式.各个结构参数如图所示.分别固结各运动副的
D—H坐标.并列出各相临坐标的4个参数,如下表所示.
相邻坐标的参数表
值得注意的是,在表I中的参数,其中,s,s,为定
量,在机械手运行中,这几个值是不变的;s.,0,04为变量.
把夹持机械手手部夹持器固结在0XYz4坐标系,
形心P的阵列为(0,0,P),而且b//x,o与z4重合,故P
点的位置与姿态的矩阵为
=-]-2]z3]]
由坐标变换的原理可知:
]=
cos0j—sin0jcosa~j
sinOjCOSOjCOS{)tij
0sinaq
00
01
00
l0
00
sin0jsinaijhjcos0j
—
cosO#inotijh#ing
COSO~/jSi
01
故有:
[Mo-]=
-2]=
=
=
[Mo-]-2]=
一
sin02cos04
COSO2COS04
sin04
0
00
00
1Sl
01
00
00
1S3
01
sin02sin04
一
cosO2sin良
COS04
0
S3COS02
S3sin02
+Sl+S2
1
(2)
在坐标系O,X,Y,z3中表达机械手形心P的坐标为
(0,0,P),而描述机械手姿态的两个正交向量分别为
0=(0,0,1),6=(1,0,0).
在参考坐标系O0.l,.z0中,机械手形心P的坐标为
(,,),0=(Z,m,n)T6=(u,,)To则P点在OoX0Y0Zo
中的位置与姿态的矩阵:
Xlu
m
zPrtw
100
--
sinO2cos04
COS02cos
sin04
0
sin02sin04
-
COS02sin
COS04
0’
pcos02+S3cosO2
psinO2+S3sin02
So+Sl+S2
1
S3COS02
S3sin02
S0-sSl-sS2
1
一
sinO~cos
cosO2cos04
sin
0
『00111
000ll00j
即手部的姿态为:
a=(cos02,sinO2,0)
6=(一sinO2cosO4,cosO2cos04,sin04)T
机械手手部形心的位移方程为:
X=pcos02+S3COS02
Y=psinO2+S3sin02
Z=So+Sl+S2
(3)
(4)
(5)
机械工程师200B年第7期l28
00?
0010
0100
1000
.
?5200唱00.嘏00?00O喵伽
00?O吼吼惜n00010O.一
?0
ZmH0
.
机器人技术
从手部形心的位移方程(5),可以通过求导而得到手部形
心的速度和加速度方程.
速度方程:
X=-psinOztO2一-S3sinO2to2
IY=pcosO:z2+53cosO22(6)
Z=vl
式中,:,构件2绕轴旋转角速度;
af
:一
dSi
,构件l沿移动速度.d
t
加速度方程:
=一
(p+53cosO2c;一(p+53)sinO2s2
y=(p一53)sinO2c+(p+53)cosO2~2
Z=al(7)
式中,:,构件2绕轴旋转角加速度;
0
.l=,构件l沿移动加速度.
0一
4结束语
高频熔片机采用机械手夹持坩埚,在国内还没有看
到相关的报道,虽然本品现在处于实验室阶段,但是采用
的技术先进,操作方便,整体性能指标与国外同类产品})f
当,性能价格比具有明显优势.笔者希望,在产品推向市
后,可以替代进LI产品,节约外汇,减小购买者的经济
担,提升我国分析仪器,设备的制造水平和市场竞争力.
随着现代化技术的进一步发展,机械手的运用越爿
越广泛,机械手在现代工业中起着举足轻重的作用,机杏
手技术发展越来越智能化,灵活化.文章通过对机械手自
运动学方程分析利对机械手数学模型优化,对机械手自
设计具有普遍意义,为机械手的精密设计和制造提供_j
理论依据.
[参考文献]
[1]徐君权,朱节清,等.放射性同位素X射线荧光分析[M].北京
原子能出版社,1981:14-一16.
[2]卓尚军,陶光仪,等.X射线荧光光谱在晶体材料组成分析中自
应用[J].无机材料,2003,l8(1):19-一26.
[3]李允文.工业机械手设计[M].北京:机械工业出版社,1996
108一l10,105—107.(编辑昊天
作者简介:牛元会(198l一),男,硕士研究生,研究方向为熔片机的
制与开发.
程光明(1952一),男,博士生导师.
杨志刚(195l一),男,博士生导师.
收稿日期:2006一-02—20
液压控匍系统及设计蔫平?薯定价:49.o0竞
本书是《液压系统设计丛书》之一,主要包括液压控制系统概论,液压控制基础知识,电液控制阀,液压控制系统基本功能回路,液压控制系统
应用实例,液压控制系统设计流程,液压控制系统设计示例,液压控制系统设计中应重视的若干问题,常用公式及标准资料等.
本书立足于工程设计及应用实际进行编写,按照”基础知识一基本功能回路一系统实例一系统设计一专题”的体系
结构进行叙述.在突出基本内容基础上,特别注意反映液压控制系统应用,分析及设计方法上的新发展和新成就.
本书可读性与可查性并重,书中论述性内容有助于读者了解,掌握,利用液压控制技术的基本理论,分析设计方法
及新动向和新成果.提高液压控制系统的设计使用水平与分析解决问题的能力:书中利用有限篇幅介绍了较多的液
压控制回路和控制系统实例,以展现不同行业液压控制系统的设计及应用特点,有助于各类行业读者群从中汲取经
验与方法,解决液压控制系统设计,使用工作中的各类问题;书中介绍
的国内外电液伺服阀,比例阀,数字阀及伺
服液压缸等产品与常用公式及标准资料,可供读者在设计工作中直接参考引用.
本书可供各行业液压系统的设计,制造和使用维护工程技术人员,现场工作人员参阅.也可作为高等院校的教
学参考书.
I置主?寡债:?舯嚣数控加工中心设计
及设计丛书》之一.较全面,系统地讲述了加工中心的基本类型,组成和工作原理各主要部
并对加工件的结构,功能和特点,重点介绍T]Jn.Z中心的主传动设计,进给传动系统设计,刀具交换系统以及零件交换系统.
中心控制系统,检测装置以及液压系统做了详细介绍.
本书以加工中心设计方法为主线,以主传动和伺服传动,结构设计为重点.注重分析问题,解决问题和设计能力的培养.
内容取材新颖,深入浅出,理论与实际相结合.反映了当今加工中心的技术发展前沿.
本书可供从事数控机床设计及应用的工程技术人员参考,也可作为大专院校相关专业课程的教材或参考书.
||址:北京市朝用区惠新量3号(100029)?购:010—64982530,64982511l麓行购科}
?鲁:010-64982557.64驰2532I装鲁与信息出版中心)
以上叠书由纯学工韭出簟社蓑鲁与蕾囊出簟中心出簟.妇要出簟新
着,请与?囊曩曩.妇要以上?书的内謇?介藉洋囊目
曩.i1tl!tllt’t-lltll~tlll,?II曩-ww囊p.姗.cn
29;机械工程师2006年第7期
范文二:D_H坐标系下机械手正向运动学分析
D -H 坐标系下机械手正向运动学分析
牛元会 , 程光明 , 杨志刚
(吉林大学 机械学院 , 长春 130025)
1引 言
目前 , X 射线荧光分析技术广泛应用于冶金、地质、 化工、 建材、 石油、 环境保护等领域 , 成为生产控制、 科学 研究必不可少的分析方法。分析过程中需要用到标准样 品 , 它是和待测未知样品组成相似但成分已知的一组样 品。 在未知样品被 X 射线照射后 , 分析仪器将检测到的物 理量和标准样品中的标准值比较 , 换算成相应化学成分 质量分数即可 [1]。
标准样品中元素存在的化学状态和矿物结构、 固体样 品的表面光洁度、粉末样品的颗粒度同未知样品尽量一 致 , 通常只有通过对标准样品和未知样品采用同样的制样 手段进行制样才能实现。目前试样的制取有直接压片法、 熔融法等。 直接压片法是将样品在一定压力下制成表面光 滑的圆片进行测量 , 制备样品由于粒度、 矿物、 偏析等不均 匀效应的影响会降低某些元素的精密度和准确度。 熔融法 是将样品和熔剂按照一定比例混合后 , 在一定温度下熔 融 , 制成均匀的玻璃体 , 制成的试样能消除试样的粒度、 矿 物、 偏析等不均匀效应 , 同时也可降低样品元素间的吸收 和增强效应 , 会明显提高分析的精度和准确度 [2], 因此熔融 方法成为 X 射线荧光分析技术的主要发展方向。
近年来 , 随着我国经济的发展、 对外贸易的增 加 , 对 产品质量控制的重视程度也不断提高 , 购置仪器及熔样 设备的数目也明显增多。 因此 , 研制具有自主知识产权的 X 射线荧光分析熔样机对节约外汇、提高国内技术装备 的制造能力、 实现进口仪器零配件的国产化有重大意义。 目前国内市场出现的大部分属于单工位熔片机 , 即熔融、 冷却、 取样在一个位置完成 , 这样的结构工作效率较低。 如果可以对样品实现夹持、 转移 , 实现同时进行熔融和冷 却 , 就可以大大地提高工作效率。 机械手是在自动化生产 过程中经常使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动 化装置 , 本文对高频熔片机中关键夹持部件机械手进行 了详细的正向运动学分析。
2D-H 坐标系
D-H 坐 标 系 由 迪 纳 维 特 -哈 坦 伯 格 (Denavit -Hartenberg ) 提出 , 现在已经成为描 述 机械手 的 惯用坐 标 系。 D-H 坐标系规定 :在机械手的各个主要构件上固定有 坐标系。 坐标系的 Z 轴可取得与运动副的轴线重合 , 而 X 轴则沿着相邻两个 Z 轴的公垂线 , 至于 Y 轴可由右手坐 标系法则来确定。
同机 架联结 的 坐标系 O 0X 0Y 0Z 0是考 察 机构运 动的 参考坐标系 , X 0轴可以任意选取 , 若指定另一个坐标系 O ′ 0X ′ 0Y ′ 0Z ′ 0为参考坐标系 , 则 X ′ 0轴的方向必须取得与 Z ′ 0、 Z 0两轴的公共垂线一致。
在手部夹持器坐标系中 , Z n 一般取与夹 持机 械手的 对称轴一致 , 至于 X n 轴同样可以取 Z n-1、 Z n 两轴公垂线一 致的方向。若 Z n-1与 Z n 相重合时 , 还可以考虑 X n 与夹持 机械手开口平面的法线重合。
由图可知 , D-H 坐标系有 4个参数 (如图 1所示 ) : S i -沿 Z i 轴从坐标轴 X i 量至 X j 的距离 O i O ′ j , 规定与 Z i 轴正向一致为正。
θj -绕 Z i 轴从坐标轴 X i 量至 X j 的夹角 , 规定逆时针 方向为正。
h j -沿 X j 轴从坐标轴 Z i 量至 Z j 的距离 O ′ j O j , 规定与 X j 轴正向一致为正。
αij -绕 X j 轴从坐标轴 Z i 量至 Z j 的转角 , 规定逆时针 为正。
摘 要:应用机器人运动学求解的常用方法— D-H 法 , 以自行研制的熔片机中夹持机械手为分析对象 , 建立机械手的 运动学数学模型 , 进行了典型的正向运动学分析 , 这种方法简化了解析计算 , 加快了迭代速度 , 同时求得的解具有使用 性和代表性 , 对机械手的精密设计和计算具有普遍的适用意义。
关键词:机械手 ; D-H 坐标系 ; 坐标变换
中图分类号:TP242.2文献标识码:A 文章编号:1002-2333(2006) 07-0027-03
Forward Kinematic Analysis of Manipulator in D-H Coordinates
NIU Yuan-hui , CHENG Guang-ming , YANG Zhi-gang
(Jilin University, College of Mechanical Science and Engineering, Changchun 130025, China )
Abstract :Based on D-H method, a common means in robot kinematics extracting, establishes the kinematics model and conducts forward kinematics analysis aim at fusible machine made by myself. This method can simplifiy the computer ’ s workload, save time, educe useful joint variables and its radixes are practicability and representative. It has universal applicability in ingenuity and compute.
Key words :manipulator; D-H reference frame; coordinate transform
机器人技术 R o b o t Te c h n o lo g y
27机械工程师 2006年第 7期
3机械手运动方程的建立和求解
本工业机械手其运动简图如图 2所示。由机架 0经
构件 1、 2、 3到手部夹持器依次经过移动副、 转动副、 转动 副 , 手臂 含 有 升 降、 水平 面 内 的 旋 转 和 绕 Z 3轴旋 转 3个 运动形式。 各个结构参数如图所示。 分别固结各运动副的
D-H 坐标。并列出各相临坐标的 4个参数 , 如下表所示。
值得注意的是 , 在表 1中的参数 , 其中 S 0、 S 2、 S 3为定 量 , 在机械手运行中 , 这几个值是不变的 ; S 1、 θ2、 θ4为变量。
把夹持机械手手部夹持器固结在 O 4X 4Y 4Z 4坐标系 , 形心 P 的阵列为 (0, 0, p ) T , 而且 b ∥ X 4, a 与 Z 4重合 , 故 P 点的位置与姿态的矩阵为
X P 0
l u Y P 0
m v Z P 0
n w 1
00
%&&&&&&&&&&’ =[M 01][M 12][M 23][M 34]
0010
00p 101
00
(1)
由坐标变换的原理 [4]可知 :
[M ij ]=
cos θj -sin θj cos αij sin θj sin αij h j cos θj sin θj cos θj cos αij
-cos θj sin αij
h j sin θj
0sin αij cos αij
S i 000
1
(((((((((($%
&&&&&&&&&&’
故有 :
[M 01]=
1
0000
100001S 00
001
[M 12]=
cos θ2-sin θ200sin θ2cos θ200001S 1
000
1
[M 23]=
0010100
010S 2
0001
&&&&&&&&&&&&’
[M 34]=
cos θ4-sin θ400
sin θ4cos θ400001S 3
1
%&&&&&&&&&&&&’
[M 01][M 12][M 23][M 34]=
-sin θ2cos θ4sin θ2sin θ4cos θ2S 3cos θ2cos θ2cos θ4-cos θ2sin θ4sin θ2S 3sin θ2
sin θ4cos θ40S 0+S 1+S 20001
%
&
&
&&&&&&&
&&&’
(2
) 在坐标系 O 3X 3Y 3Z 3中表达 机械手 形心 P 的坐 标为 (0, 0, p ) T , 而 描 述 机 械 手 姿 态 的 两 个 正 交 向 量 分 别 为 a=(0, 0, 1) T 、 b=
(1, 0, 0) T 。 在参考坐标系 O 0X 0Y 0Z 0中 , 机械手形心 P 的坐标为
(X P 0
, Y P 0
, Z P 0
) T , a=(l , m , n ) T , b=(u , v , w
) T 。 则 P 点在 O 0X 0Y 0Z 0中的位置与姿态的矩阵 :
X P 0
l u Y P 0
m v Z P 0
n w 1
00
(((((((((((($%&&&&&&&&&&&&’
=
-sin θ2cos θ4sin θ2sin θ4cos θ2S 3cos θ2cos θ2cos θ4-cos θ2sin θ4sin θ2S 3sin θ2
sin θ4cos θ40S 0+S 1+S 20001
%&&&&&&&&&&&&’
001000p 10100
=
pcos θ2+S 3cos θ2cos θ2-sin θ2cos θ4psin θ2+S 3sin θ2sin θ2cos θ2cos θ4S 0+S 1+S 20sin θ4
100
(((((((((((($
%&&&&&&&&&&&&’
(3)
即手部的姿态为 :
a=(cos θ2, sin θ2, 0)
T
b=(-sin θ2cos θ4, cos θ2cos θ4, sin θ4
) T (4)
机械手手部形心的位移方程为 :
X=pcos θ2+S 3cos θ2Y=psin θ2+S 3sin θ2(5)
Z=S 0+S 1+S 2
Y j
X j
Y i
O i
X i
Z i O ′ j
X ′ i
S i
θj
h j
Z j Z ′ i
αij
图 1相邻坐标系 i , j 的相关图
S 3Y 4
Z 4
b
a
P Z 2
X 2
Z 1
X 1
Z 0
X 0
S 0
S 1S 2
图 2夹持机械手坐标系分布及参数
相邻坐标的参数表
S i h j θj αij
0-1
S 0000
1-2S 10θ20
2-3S 2090°90°
3-4S 30θ40
O j
X 3Z 3
28
机械工程师 2006年第 7期
R o b o t Te c h n o lo g y 机器人技术
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
从手部形心的位移方程 (5) , 可以通过求导而得到手部形 心的速度和加速度方程。
速度方程 :
X ! =-psin θ2ω2-S 3sin θ2ω2Y ! =pcos θ2ω2+S 3cos θ2ω2(6)
Z
! =v 1
式中 , ω2=
d θ2
, 构件 2绕 Z 2轴旋转角速度 ; v 1=, 构件 1沿 Z 1移动速度。
加速度方程 :
X #=-(p+S 3) cos θ2ω22-(p+S 3) sin θ2ε2Y #=(p-S 3) sin θ2ω22+(p+S 3) cos θ2ε2
Z
#=a 1
(7)
式中 , ε2=2
θ2
, 构件 2绕 Z 2轴旋转角加速度 ; a 1=d 2
S , 构件 1沿 Z 1移动加速度。 4结束语
高频熔片机采用机械手夹持坩埚 , 在国内还没有看
到相关的报道 , 虽然本品现在处于实验室阶段 , 但是采用
的技术先进 , 操作方便 , 整体性能指标与国外同类产品相 当 , 性能价格比具有明显优势。笔者希望 , 在产品推向市场 后 , 可以替代进口产品 , 节约外汇 , 减小购买者的经济负 担 , 提升我国分析仪器、 设备的制造水平和市场竞争力。
随着现代化技术的进一步发展 , 机械手的运用越来 越广泛 , 机械手在现代工业中起着举足轻重的作用 , 机械 手技术发展越来越智能化、 灵活化。文章通过对机械手的 运动学方程分析和对机械手数学模型优化 , 对机械手的 设计具有普遍意义 , 为机械手的精密设计和制造提供了 理论依据。
[参考文献 ]
[1]徐君权 , 朱节清 , 等 . 放射性同位素 X 射线荧 光分析 [M ]. 北京 :原子能出版社 , 1981:14-16.
[2]
卓尚军 , 陶光仪 , 等 .X 射线荧光光谱在晶体材料组成分析中的 应用 [J ]. 无机材料学报 , 2003, 18(1):19-26.
[3]
李 允 文 . 工 业 机 械 手 设 计 [M ]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 1996:
108-110, 105-107. (编辑 昊 天)
作者简介:牛元会 (1981-) , 男, 硕士研究生, 研究方向为熔片机的研
制与开发。
程光明 (1952-) , 男 , 博士生导师。 杨志刚 (1951-) , 男, 博士生导师。
收稿日期:
2006-02-20!!!!!!!!!! 机器人技术 R o b o t Te c h n o lo g y
29
机械工程师 2006年第 7期
范文三:注塑机机械手控制系统及坐标系介绍
机械手控制系统及坐标系介绍
控制系统是机械手(www.nataik.com杭州纳泰科技0571-28923698)的重要组成部分。机械手控制系统由手控器、主控制器、伺服控制板、伺服驱动器和伺服电机等组成。每个部分都各有其任务,都缺一不可。
手控器的主要任务是实现液晶显示、键盘等用户界面功能,在液晶显示的提示下操作按键,向主控制器发送指令,接收机械手状态信息并进行显示,完成示教模式、手动模式、系统参数设置、归零操作、工厂设置、执行关机前程序、密码管理、关闭机械手和故障记录等丰富的功能。
主控制器实现复杂的逻辑功能,其功能是根据手控器发出的指令以及注塑机与机械手的运行状态控制机械手的运动,同时把机械手当前的状态、产量、报警等信息发送给手控器,对注塑机的联机信号进行监控。
伺服控制板的主要任务是接收主控制器的指令,对单个电机的运动进行控制。
由于手控器需要实时显示机械手当前的坐标,因此,对机械手的坐标系进行简要的介绍。按行业内习惯,将机械手引拔轴定义为 X 轴,机械手上下轴定义为 Y 轴,机械手横行轴定义为 Z 轴。
坐标系能够准确反映机械手的位置,有利于控制系统对机械手作出快速反应,提高注塑机机械手的精确度,加快生产流程,进一步提高生产效率。
注塑机机械手咨询: 0571-28923698 企业QQ:909-251-451
本文出自杭州纳泰自动化科技有限公司,转载请注明出处~
范文四:基于PLC控制的圆柱坐标系机械手设计毕业论文
第 V 页
Based on PLC automatic production line of workpiece carrying manipulator
Abstract
Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production has seen the heavy work handling and long-term frequent, drab operation, if not manipulator so labor intensity is high, and production speed greatly retard, so using manipulator is very effective.
This manipulator is mainly used for metal workpieces handling work, can match with machine tools (such as forging bed, nc machine tools, combination machine tools) or assembly line of weight is not more than 30 kg cylindrical workpieces handling. This manipulator for hydraulic drive, using cylindrical coordinate system structure, has four degrees of freedom. The design of manipulator first each part of the detailed design calculation, select the hydraulic cylinder and end actuators, connected to the structure and strength check the detailed design. Based on the hydraulic system design of the manipulator, in the hydraulic system on the base of the electrical control system is the reasonable design and wiring, and finally with mitsubishi PLC programmable control of the electric system to control the executive components of hydraulic system electromagnetic valve movement. The porter carrying manipulator to a final requirements.
Keywords : Manipulator, Handling, Hydraulic, PLC
第一章 绪 论
1.1选题背景
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置, 它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来,随着电子技术特 别是电子计算机的广泛应用, 机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的 一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动 化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,提 高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用,在机械行业中它可用于零部件组装 , 加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前,机 械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。 把机床设 备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,它适应于中、小批量生产,可 以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。当工件变更时,柔性生产系 统很容易改变,有利于企业不断更新适销对路的品种,提高产品质量,更好地适应市场 竞争的需要。 而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距 离,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的 提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此,进行机械手的研究设计是非常有 意义的。
1.2设计目的
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合, 完 成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计,能够比较好地体现机械设 计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平,实践动手能力以及专业精神和态度,具 有较强的针对性和明确的实施目标,能够实现理论和实践的有机结合。
目前,在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成,劳动强度大、 生产效率低。 为了提高生产加工的工作效率 , 降低成本 , 并使生产线发展成为柔性制造系 统 , 适应现代自动化大生产 , 针对具体生产工艺 , 利用机器人技术,设计用一台装卸机械
手代替人工工作,以提高劳动生产率。
本机械手主要与数控车床(数控铣床,加工中心等)组合最终形成生产线,实现加 工过程(上料、加工、下料)的自动化、无人化。目前,我国的制造业正在迅速发展, 越来越多的资金流向制造业,越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工 厂车间,满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求,从而减轻 工人劳动强度,节约加工辅助时间,提高生产效率和生产力。
1.3国内外研究现状和趋势
目前,在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点,其研究的现状和大体 趋势如下:
A .机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检 测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。
B .工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络 化; 器件集成度提高, 控制柜日见小巧, 且采用模块化结构; 大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性。
C .机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器 外, 装配、 焊接机器人还应用了视觉、 力觉等传感器, 而遥控机器人则采用视觉、 声觉、 力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制;多传感器融合配置技术成为智能化 机器人的关键技术。
D .关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、 系列化设计;柔性仿形喷涂机器人开发,柔性仿形复合机构开发,仿形伺服轴轨迹规划 研究,控制系统开发;
E .焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、 系列化研究;以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说,大体是两个方向:其一是机器人的智能化,多传感器、多控制器,先进 的控制算法,复杂的机电控制系统;其二是与生产加工相联系,满足相对具体的任务的 工业机器人,主要采用性价比高的模块,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、 简洁、可靠,大量采用工业控制器,市场化、模块化的元件。
1.4设计原则
在设计之前,必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是:以任务书所要 求的具体设计要求为根本设计目标,充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要 求。在满足工艺要求的基础上,尽可能的使结构简练,尽可能采用标准化、模块化的通 用元配件,以降低成本,同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则, 同时也考虑本次设计是毕业设计的特点,将大学期间所学的知识,如机械设计、机械原 理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器(PLC ) 、电子技术、自动控 制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中,使得经过本次设计对大学阶段 的知识得到巩固和强化,同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际,充分发挥个人能 动性,脚踏实地,实事求是的做好本次设计。
第二章 设计方案拟定和详细设计计算
2.1 本机械手设计参数列表
1、抓重:300N
2、自由度:4个
3、臂部运动参数:
表 2-1
4、腕部运动参数:
表 2-2
5、手指夹持范围:棒料, Φ60mm~Φ120mm ,长度 450~1200mm
6、定位方式:缓冲,定位缸定位
7、驱动方式:液压(中、低压系统)
8、定位精度:±3mm
9、机械手工作布局图如图 2.1所示
图 2.1
2.2 机械手手部设计计算
2.2.1 手部设计基本要求
(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力,应考虑到在一定的夹紧力下,不同的传动机构 所需要的驱动力大小是不同的。
(2) 手指应具有一定的张开范围,以便于抓取工件。
(3) 在保证本身刚度,强度的前提下,尽可能使结构紧凑,重量轻,以利于减轻手 臂负载。
(4) 应保证手抓的夹持精度。
2.2.2 手部力学分析
通过综合考虑,本设计选择二指双支点回转型手抓,采用滑槽杠杆式,夹紧装置采 用常开式夹紧装置,他在弹簧的作用下手抓闭合
下面对其基本结构进行力学分析:
滑槽杠杆 图 2-2(a)为常见的滑槽杠杆式手部结构。
(a) (b)
图 2-2 滑槽杠杆式手部结构、受力分析
1——手指 2——销轴 3——杠杆
在杠杆 3的作用下,销轴 2向上的拉力为 F ,并通过销轴中心 O 点,两手指 1的滑 槽对销轴的反作用力为 F 1和 F 2, 其力的方向垂直于滑槽的中心线 1oo 和 2oo 并指向 o 点, 交 1F 和 2F 的延长线于 A 及 B 。
由 ∑X F =0 得 1F =2F
∑Y F =0 得
1F =α
2cos F 1F =' 1F
由 ∑Mol(F)=0 得 '
1F =N F ·h cos a h α
= F=2cos N b F a
α (2-1) 式中 a ——手指的回转支点到对称中心的距离 (mm)。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知,当驱动力 F 一定时, α角增大,则握力 N F 也随之增大,但 α角过大会 导致拉杆行程过大,以及手部结构增大,因此最好 α=030~0
40 2.2.3 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进 行分析计算。一般来说,需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯 性力产生的载荷,以便工件保持可靠的夹紧状态。
手指对工件的夹紧力可按公式计算:
123N F K K K G ≥ (2-2)
式中 1K ——安全系数,通常 1.2~2.0;
2K ——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 g
a 1K 2+=其中 a
是重力方向的最大上升加速度 max v a t =响
, g=9.8 m/s ; max v ——运载时工件最大上升速度; ;
t 响 ——系统达到最高速度的时间,一般选取 0.03~0.5s;
3K ——方位系数,根据手指与工件位置不同进行选择;
G ——被抓取工件所受重力(N ) 。
计算:设 a=40mm,b=120mm,α=35°;机械手达到最高响应时间为 0.5s ,求夹紧力 N F 和驱动力 F 和 驱动液压缸的尺寸。
(1) 设 1K =1.6 max V =102 mm/s s t =0.5s
g a 1K 2+= =19.8
+=1.02 3K =0.5
根据公式,将已知条件带入:
∴ N F =1.631.0230.53300=244.8N
根据驱动力公式得:
(2) 计算 F =a
bcos 22αN F =4035cos 01222???244.8=986N 取 85. 0=η
(3) η计算 实际 F F ==85
. 0986=1160N (4) 确定液压缸的直径 D
()224F D d p π=- 实际 (2-3) 选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=39.2?105Pa
则 D==-) (实际 25. 01F 4p π=????75
. 01039.2116045π0.0224m 根据液压缸内径系列表 (JB826-66) , 选取液压缸内径为:D=32mm, 根据装配关系,
外径为 50mm 。
则活塞杆直径为:
d=32?0.5=16mm,选取 d=16mm
2.2.4 机械手手抓夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确, 抓取精度高, 重复定位精度和运动稳定性好, 并有足够的抓取能。
机械手能否准确夹持工件, 把工件送到指定位置, 不仅取决于机械手的定位精度 (由 臂部和腕部等运动部件来决定) ,而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种 的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,一定要进行机械手的夹持 误差分析。
图 2-3 手抓夹持误差分析示意图
该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
为了保证手抓张开角为 0
60,活塞杆运动范围为 L=40tan40°≈ 34mm 。
机械手的夹持范围为 Φ60~Φ120mm 。
夹持误差不超过 ±3mm ,分析如下:
工件的平均半径: CP R =26030+=45mm 手指长 L=120mm,取 V 型夹角 02120θ=
偏转角:β =1cos -θLsin R cp
=1cos -?
?60sin 12045=64.34° 按最佳偏转角确定: β=64.34°
计算理论平均半径 ==βθc o s L s i n R 01203sin60°cos64.34°=45mm
因为 m i n 0m a x R R R >>
2
222max 2max 21a sin L a cos sin 2) sin (L ----+=?ββθθR L R
2222224044.36sin 20404.346cos 06sin 602) 06sin 60(
20-?--??
?-?+= =1.484 2222min 2min 22a sin L a cos sin 2) sin (L ----+=?ββθ
θR L R 222222404.346sin 204044.36cos 06sin 301202) 06sin 30(20-?--??
?-?+= =0.166
所以 ?=1.484<>
夹持误差满足设计要求。
2.3 机械手腕部设计计算
2.3.1 腕部设计基本要求
(1) 力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结 构、 重量和动力载荷, 直接影响着臂部的结构、 重量和运转性能。 因此, 在腕部设计时, 必须力求结构紧凑,重量轻。
(2) 结构考虑,合理布局
腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外, 要有足够的强度、 刚度外, 还应综合考虑, 合理布局, 解决好腕部与臂部和手部的连接。
(3) 必须考虑工作条件
对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料,因此不太受环境 影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
范文五:坐标系
一般来说,为了定量地描述物体的位置及位置的变化,需要在参考系上建立适当的坐标系(coordinate system)。 直角坐标系的创建,在代数和几何上架起了一座桥梁。它使几何概念得以用代数的方法来描述,几何图形可以通过代数形式来表达,这样便可将先进的代数方法应用于几何学的研究。 笛卡尔在创建直角坐标系的基础上,创造了用代数方法来研究几何图形的数学分支——解析几何。他的设想是:只要把几何图形看成是动点的运动轨迹,就可以把几何图形看成是由具有某种共同特性的点组成的。比如,我们把圆看成是一个动点对定点O作等距离运动的轨迹,也就可以把圆看作是由无数到定点O的距离相等的点组成的。我们把点看作是留成图形的基本元素,把数看成是组成方程的基本元素,只要把点和数挂上钩,也就可以把几何和代数挂上钩。
换。
圆柱坐标与二维极坐标类似,但增加了从所要确定的点到XY平面的距离值。即三维点的圆柱坐标可通过该点与UCS原点连线在XY平面上的投影长度,该投影与X轴夹角、以及该点垂直于XY平面的Z值来确定。例如,坐标“10<>
20。圆柱坐标也有相对的坐标形式,如相对圆柱坐标“@ 10<45>45>
(3)球面坐标
球面坐标也类似与二维极坐标。在确定某点时,应分别指定该点与当前坐标系原点的距离,二者连线在XY平面上的投影与X轴的角度,以及二者连线与XY平面的角度。例如,坐标“10<><>
XY平面的夹角为60度。 同样,圆柱坐标的相对形式表明了某点与上个输入点的距离,二者连线在XY平面上的投影与X轴的角度,以及二者连线与XY平面的角度。
间范围极广,在导航定位、飞行力学和地面测量中常用的坐标系主要是按原点位置来区分。坐标原点与太阳、地球或其他星体中心相重合的称为星体中心坐标系;原点在星体表面的称为星体表面坐标系;原点在天体之外的称为宇宙中心坐标系;原点在飞行器内部的称为飞行器牵连坐标系。各坐标系间都存在一定的几何关系,可以用球面三角,四元素法或方向余弦等数学方法相互转 数控坐标系
数控机床的加工是由程序控制完成的,所以坐标系的确定与使用非常重要。根据ISO841标准,数控机床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准确定。数控车床平行于主轴方向即纵向为Z轴,垂直于主轴方向即横向为X轴,刀具远离工件方向为正向。
数控车床有三个坐标系即机械坐标系、编程坐标系和工件坐标系。
1、机械坐标系的原点是生产厂家在制造机床时的固定坐标系原点,也称机械零点。它是在机床装配、调试时已经确定下来的,是机床加工的基准点。在使用中机械坐标系是由参考点来确定的,机床系统启动后,进行返回参考点操作,
机械坐标系就建立了。坐标系一经建立,只要不切断电源,坐标系就不会变化。
2、编程坐标系是编程序时使用的坐标系,一般把我们把Z轴与工件轴线重合,X轴放在工件端面上。工件坐标系是机床进行加工时使用的坐标系,它应该与编程坐标系一致。能否让编程坐标系与工坐标系一致,使操作的关键。
在使用中我们发现,FANUC系统与航天数控系统的机械坐标系确定基本相同,都是在系统启动后回参考点确定。 工件坐标系
3、工件坐标系( Workpiece Coordinate System )固定于工件上的笛卡尔坐标系,是编程人员在编制程序时用来确定刀具和程序起点的,该坐标系的原点可使用人员根据具体情况确定,但坐标轴的方向应与机床坐标系一致并且与之有确定的尺寸关系。
坐标轴方向确定
图5所示为数控车床的Y坐标。
根据图4所示的数控立式铣床结构图,试确定X、Y、Z直线坐标。
(1)Z坐标:平行于主轴,刀具离开工件的方向为正。
(2)X坐标:Z坐标垂直,且刀具旋转,所以面对刀具主轴向立柱方向看,向右为正。
(3)Y坐标:在Z、X坐标确定后,用右手直角坐标系来确定。
在选择了图12所示的被加工零件图样,并确定了编程原点位置后,可按以下方法进行加工坐标系设定:
(1)准备工作
机床回参考点,确认机床坐标系;
(2)装夹工件毛坯
通过夹具使零件定位,并使工件定位基准面与机床运动方向一致;
(3)对刀测量
用简易对刀法测量,方法如下:
用直径为φ10的标准测量棒、塞尺对刀,得到测量值为X = -437.726, Y = -298.160,如图2所示。Z = -31.833,如图13所示。
(4)计算设定值
将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。
X坐标设定值:X= -437.726+5+0.1+40= -392.626mm
注:如图13所示。
-437.726mm为X坐标显示值;
+5mm为测量棒半径值;
+0.1mm为塞尺厚度;
+40.0为编程原点到工件定位基准面在X坐标方向的距离。
Y坐标设定值:Y= -298.160+5+0.1+46.5= -246.46mm
注:如图2所示,-298.160mm为坐标显示值;+5mm为测量棒半径值;+0.1mm为塞尺厚度;+46.5为编程原点到工件定位基准面在Y坐标方向的距离。
Z坐标设定值:Z= -31.833-0.2=-32.033mm。
注:-31.833为坐标显示值;-0.2为塞尺厚度,如图3所示。
通过计算结果为:X -392.626;Y -246.460;Z -32.033
(5)设定加工坐标系
将开关放在 MDI 方式下,进入加工坐标系设定页面。输入数据为:
X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033
表示加工原点设置在机床坐标系的X= -392.626 Y= -246.460 Z= -32.033 的位置上。
图14 Z向对刀法
(6)校对设定值
对于初学者,在进行了加工原点的设定后,应进一步校对设定值,以保证参数的正确性。
校对工作的具体过程如下:在设定了G54加工坐标系后,再进行回机床参考点操作,其显示值为
X +392.626
Y +246.460
Z +32.033
这说明在设定了G54加工坐标系后,机床原点在加工坐标系中的位置为:
X +392.626
Y +246.460
Z +32.033
这反过来也说明G54的设定值是正确的。
2、注意事项
(1)G54~G59设置加工坐标系的方法是一样的,但在实际情况下,机床厂家为了用户的不同需要,在使用中有以下区别:利用G54设置机床原点的情况下,进行回参考点操作时机床坐标值显示为G54的设定值,且符号均为正;利用G55~G59设置加工坐标系的情况下,进行回参考点操作时机床坐标值显示零值。
(2)G92指令与G54~G59指令都是用于设定工件加工坐标系的,但在使用中是有区别的。G92指令是通过程序来设定、选用加工坐标系的,它所设定的加工原点与当前刀具所在的位置有关,这一加工原点在机床坐标系中的位置是随当前刀具位置的不同而改变的。
(3)G54~G59指令是通过MDI在设置参数方式下设定工件加工坐标系的,一旦设定,加工原点在机床坐标系中的位置是不变的,它与刀具的当前位置无关,除非再通过MDI 方式修改。
(4)本课程所例加工坐标系的设置方法,仅是FANUC系统中常用的方法之一,其余不一一例举。其它数控系统的设置方法应按随机说明书执行。
3、常见错误
当执行程序段G92 X 10 Y 10时,常会认为是刀具在运行程序后到达X 10 Y 10 点上。其实, G92指令程序段只是设定加工坐标系,并不产生任何动作,这时刀具已在加工坐标系中的 X10 Y10点上。
G54~G59指令程序段可以和G00、G01指令组合,如G54 G90 G01 X 10 Y10时,运动部件在选定的加工坐标系中进行移动。 程序段运行后,无论刀具当前点在哪里,它都会移动到加工坐标系中的X 10 Y 10 点上。
转载请注明出处范文大全网 » D-H坐标系下机械手正向运动