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            首頁技術文章 控制閥

            常見工業機器人末端結構性執行器定位形式

            梅索尼蘭閥門(蘇州)有限公司  發布時間:2019-06-10 00:00:00  閱讀次數:1622

            摘 要:總結研究機器人末端結構性操作器的設計方法,通過合理設計執行器零件的結構及相互之間的裝配形式,同時滿足末端操作器工作時具備六自由度限位能力。這樣能夠解決在自動化生產線調試時,因機械加工尺寸公差所產生的微小誤差,及有效提高結構性執行器的快速更換及維修效率。同時,本文簡要說明執行器中所必需的傳感器,提供必要的反饋信號,保證末端執行器工作可靠有效,以提升自動化生產線的整體開動率。

            關鍵字:機器人 末端執行器 六自由度 結構調試 互換性 傳感器


             

            引言

            伴隨國家對工業4.0的倡導,制定較高的行業標準,倒逼工業先進技術的進步及革新。人類對工作環境要求的不斷提高及公司加強對勞動成本的控制,工業機器人將扮演越來越重要的角色,同時在現階段工業機器人的需求量急劇增長。然而,結合中國現階段的技術水平,絕大多數的機器人本體依賴進口,我們依然處于機器人應用技術層次。在此境況下,如何將機器人末端做好顯得格外關鍵。

            本文主要介紹搬運、碼垛、焊接、涂膠、噴涂等常見的末端執行器。在實現以上功能的時候,需末端執行器具有良好的可靠性,以保證在執行作業時能夠精準、可循環及防止錯誤作業。這樣就要求末端執行器的結構遵循六自由度原則。

            1 依據六點定位原理的設計理念

            1.1 六點定位原理

            一個零件在空間中可以有六個獨立的運動,即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度,如圖1所示。

            圖1 六點定位

            (1)完全定位與不完全定位。工件的六個自由度全部被夾具中的定位元件所限制,而在夾具中占有完全確定的惟一位置,稱為完全定位。根據工件加工表面的不同加工要求,定位支承點的數目可以少于六個。有些自由度對加工要求有影響,有些自由度對加工要求無影響,這種定位情況稱為不完全定位。不完全定位是允許的。

            (2)欠定位與過定位。按照加工要求應該限制的自由度沒有被限制的定位稱為欠定位。欠定位是不允許的。因為欠定位保證不了加工要求。工件的一個或幾個自由度被不同的定位元件重復限制的定位稱為過定位。當過定位導致工件或定位元件變形,影響加工精度時,應該嚴禁采用。但是,當過定位并不影響加工精度,反而對提高加工精度有利時,可以采用。這里,各類鉗加工和機加工都會用到。

            1.2 末端執行器的定位形式

            為了快速更換調試、提高調試效率,設計工裝時,遵循六點定位原理。需要綜合考慮零件的加工性、加工工藝、裝配性。以下介紹三種結構。

            (1)一面兩銷兩釘結構。圖2為兩個零件的連接方式,軸測圖;圖3為兩零件的正視圖。此類連接方式是以一個加工面作為第一定位基準面,垂直于基準面加工兩個銷孔作為定位基準孔,輔助以兩個緊固螺紋連接,達到完全定位的結果。

            圖2 軸測圖

            采用兩個短圓柱銷與定位孔配合時,是過定位,延連心線方向的自由度被重復限制。當工件的孔間距(L±δLD/2)與夾具的銷間距(L±δLd/2)的公差之和大于工件兩定位孔(D1,D2)與夾具兩定位銷(d1,d2)的配合間隙之和時,將妨礙部分工裝的裝入。

            要使同一工序的所有工件都能順利裝卸,必須滿足下列條件:當工件兩孔徑為最。―1min,D2min)、夾具兩銷直徑為最大(d1max,d2max)、孔間距為最大(L+δLD/2)、銷間距為最。↙-δLd/2)、或者孔間距為最。↙-δLD/2)、銷間距為最大(L+δLd/2)時,D1與d1,D2與d2之間仍有最小裝配間隙χ1min,χ2min存在,如圖3所示。

            圖3 正視圖

            從圖4(a)可知,為滿足上述條件,假設第一銷與第一孔采用標準配合,第二銷與第二孔配合如圖所示,連心線方向的間隙增大。第二銷的最大直徑為:

            式中,χ2min第二銷與第二孔采用標準配合時的最小間隙。從圖4(a)可得:

            從圖4(b)也可得同樣結果,所以:

            這就是說,要滿足工件順利裝卸的條件,第二銷與第二孔之間的最小間隙χ'2min應達到:

            實際應用時可。

            圖4 兩圓柱銷限位時工件順利裝卸的條件

            由于在實際應用過程中,第一銷與第一孔同樣存在不是標準配合的情況,加之圖2所示結構,可得實際因此,只要合理控制加工件的精度,提高工件定位基面之間及定位元件工作表面之間的位置精度,基準孔選取合適的公差等級,就能夠實現工件的順利裝卸。經過實踐驗證,我們能夠控制L的加工誤差,減小或消除過定位引起的干涉,采用兩個圓柱銷進行定位完全滿足要求。這雖然造成了過定位,但是滿足過定位的要求。

            通過上述分析可知,一面兩銷兩釘結構的優點:

            (1)滿足使用過程中的定位穩定及可靠;

            (2)滿足易損件的快速更換,且能夠重復定位原位置(僅受加工精度影響),互換性好;

            (3)滿足末端執行器現場調試過程中更換,且能夠重復定位原位置(僅受加工精度影響),互換性好;

            (4)可優選國標件或標準件做為組成零件;

            (5)裝配性能高。

            注:圖1所示兩零件之間的間隙,是為了方便工件位置的調整。

            故此種結構簡單,制造輕易,操縱方便,加工質量穩定,滿足生產工藝要求,零件互換性好,有利于非標末端執行器的調試。

            由上述分析可知:為使工件在極端條件下能裝到銷子上,可以通過以一個圓柱銷和一個削邊銷方式定位,這樣能夠達到完全的定位效果,且為完全定位。

            (2)兩面一銷兩釘結構。圖5為兩個零件的連接方式,軸測圖;圖6為兩零件的正視圖。

            圖5 軸測圖

            圖6 正視圖

            此類連接方式是以一個加工面作為第一定位基準面,垂直于基準面加工一平面和一個銷孔作為定位基準,輔助以兩個緊固螺紋連接,達到完全定位的結果。

            此類結構相對一面兩銷兩釘結構的優點是,緊固強度相同的情況下結構更為緊湊,同時能具有一面兩銷兩釘結構優勢。具體的,可根據具體情況采用,不再具體分析。

            (3)三面兩釘結構。圖7為兩個零件的連接方式,軸測圖;圖8為兩零件的正視圖。此類連接方式是以一個加工面作為第一定位基準面,垂直于基準面加工兩個平面作為定位基準,同時需要增加擋板限位一個自由度,輔助以兩個緊固螺紋連接,達到完全定位的結果。

            圖7 軸測圖

            圖8 正視圖

            此類結構相對一面兩銷兩釘結構的優點是結構更為緊湊,同時能滿足一面兩銷兩釘結構優勢;缺點是結構設計不方便,加工工藝性要求更高,故可根據具體要求采用,不再具體分析。

            2 傳感器信息的反饋

            機器人末端執行器工作時,一般需要檢測兩個方面的傳感器信號。一是末端執行器自身動作反饋,一是末端執行器作業過程中的動作、位置反饋。常見傳感器有位置傳感器、壓力傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等。

            當設計工程師設計時,需要增加必要的傳感器來滿足機器人的信號需求。這就是給末端執行器裝上眼睛和耳朵,以便機器人在工作前、工作中、工作結束后,能夠及時適當調用程序;同時,還能自動檢測作業是否有效,以及防止操作者的誤操作帶來的問題。尤為重要的是,通過傳感器采集的信號反饋,有效提高故障排除的時間,并且保障工作人員的安全,減少和預防事故發生。

            3 結論

            隨著物聯網的發展和“工業4.0”概念的成熟,機器人各方面的運用呈現突飛猛進的態勢。在傳統的工業加工領域中,利用機器人的高精度、高效率,結合實際生產的經驗,將會使工業一線的生產效率得到有效提升。

            本文介紹結構性末端執行器的設計思路,能夠實現非標工件像國標件,快速更換互換性好,裝卸方便提高工作效率,方便調試,重復定位性能良好,可廣泛利用在搬運、碼垛、焊接、涂膠、噴涂等常見末端執行器。當然,文中所介紹的部分理念仍可繼續優化,或者設計時不必要求工件完全定位。這就要求我們在工作中活學活用,不斷創新。

             

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