某桁架式機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案的制定案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12424某桁架式機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案的制定案例概述 1184901.1桁架式機(jī)械臂的介紹 1114941.1.1桁架式機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)組成 155831.1.2桁架式機(jī)械臂的分類及特點(diǎn) 219791.2汽車白車身焊點(diǎn)檢測流程 360631.2.1汽車白車身簡述 3132041.2.2焊點(diǎn)視覺檢測基本流程 4178771.3桁架式機(jī)械臂的方案設(shè)計(jì) 5168241.3.1機(jī)械臂功能需求分析 5186401.3.2機(jī)械臂桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 5192511.3.3機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 61.1桁架式機(jī)械臂的介紹1.1.1桁架式機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)組成桁架的主體結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)框架、X軸組件、Y軸組件、Z軸組件、工裝夾具、控制柜6個(gè)部分組成[11]。桁架工作示意圖如圖1.1所示。圖1.1桁架工作示意圖其中各軸的組件通常由以下五部分組成[11]：(1)結(jié)構(gòu)件：通常選擇的材料結(jié)構(gòu)為鋁型材或方管等。其主要作用是機(jī)械手負(fù)載的主要承擔(dān)者。(2)導(dǎo)向件：一般由導(dǎo)軌組成，其具體運(yùn)用需根據(jù)實(shí)際情況決定[12]。(3)傳動(dòng)件：協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，傳遞力的構(gòu)件。(4)傳感器檢測元件：通過不同傳感器對設(shè)備的不同性能進(jìn)行檢測。(5)機(jī)械限位組：其作用是防止設(shè)備運(yùn)動(dòng)到行程之外。桁架式機(jī)械手是一種全自動(dòng)工業(yè)設(shè)備，它基于直角坐標(biāo)系，使工件在X、Y、Z方向上運(yùn)動(dòng)。目的是對工件的位置進(jìn)行調(diào)整、利用桁架上的機(jī)械臂掛載攝像頭進(jìn)行視覺檢測、實(shí)現(xiàn)工件的軌跡運(yùn)動(dòng)等。其控制核心由工業(yè)控制器(如PLC、運(yùn)動(dòng)控制、單片機(jī)等)實(shí)現(xiàn)。在對各種輸入信號進(jìn)行分析和處理，然后向各輸出部件發(fā)出執(zhí)行指令，完成各軸之間的聯(lián)動(dòng)，從而完成所設(shè)定的動(dòng)作要求。1.1.2桁架式機(jī)械臂的分類及特點(diǎn)桁架式機(jī)械臂在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下兩種：(1)三自由度桁架式機(jī)械臂三自由度桁架式機(jī)械臂具有很強(qiáng)的負(fù)載能力強(qiáng)和大行程的特點(diǎn)。由其是具有可以在兩個(gè)平行軸方向上的移動(dòng)能力，擁有更廣泛的移動(dòng)范圍。這種三自由度桁架式機(jī)械臂適用于重載或?qū)傂杂懈咭蟮膱龊蟍13]。其優(yōu)點(diǎn)很多，但缺點(diǎn)也是非常的明顯，主要表現(xiàn)為占地面積大。因?yàn)槿杂啥辱旒苁綑C(jī)械臂本身體積大，固定于地面時(shí)所需空間大。如果要使各軸上實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，對驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的協(xié)同一致動(dòng)作有很高的要求，不易實(shí)現(xiàn)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2三自由度桁架式機(jī)械臂(2)二自由度桁架式機(jī)械臂該結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂采用橫梁、立柱形式的結(jié)構(gòu)方式，主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)容易，結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、現(xiàn)場施工簡便，比三自由度的機(jī)械臂更加容易實(shí)現(xiàn)一些簡單動(dòng)作[1]。但缺點(diǎn)自由度較少，只能在同一平面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。若想實(shí)現(xiàn)更大范圍的移動(dòng)，可以通過其掛載多自由度的機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖1.3二自由度桁架式機(jī)械臂無論是三自由度的桁架式機(jī)械臂還是二自由度的桁架式機(jī)械臂都在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，主要具有以下特點(diǎn)：(1)高效：各軸以較高的速度進(jìn)行快速反應(yīng)，以達(dá)到快速高效、精準(zhǔn)的目標(biāo)?？捎盟欧姍C(jī)控制快速響應(yīng);(2)穩(wěn)定：其重復(fù)性誤差很小，最高可達(dá)0.05mm;(3)高強(qiáng)度：可以連續(xù)工作，不需要像人一樣多的休息時(shí)間，不會(huì)因?yàn)閯诶鄱档途龋?4)高精度：定位精度可達(dá)0.02mm（基于制作成本和工況來決定）(5)性價(jià)比高：桁架式機(jī)械手相比其他機(jī)器人，其負(fù)載重量大，成本低?；ǜ俚腻X做更多的事。適合于目前的中國制造業(yè)的發(fā)展趨勢;(6)輸送距離大：因?yàn)殍旒苁綑C(jī)械臂結(jié)構(gòu)的大小是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)而確定的，所以輸送距離范圍小到幾十厘米大到幾十米。[14][15]但他的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在通用性較差。因?yàn)殍旒軝C(jī)械臂的高度和長度都是根據(jù)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，并不通用所有制造與生產(chǎn)。以及機(jī)械手臂的活動(dòng)行程一般都是根據(jù)零件外形的寬度和高度以及工作臺(tái)的尺寸量身定制。1.2汽車白車身焊點(diǎn)檢測流程1.2.1汽車白車身簡述“白車身”這是汽車車身設(shè)計(jì)和在焊接車間生產(chǎn)過程中的一個(gè)統(tǒng)稱叫法。如果根據(jù)車身術(shù)語來定義的話，白車身是車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件總成經(jīng)焊接后的總成件，包括前翼板、發(fā)動(dòng)機(jī)倉、前后車門、背門、底盤件、側(cè)圍總成等，但不包括其中的附件。換句話說，白車身是車身焊接總成件完成焊接后但未經(jīng)涂裝之前的車身，汽車白車身示意圖如圖1.4所示。圖1.4汽車白車身示意圖1.2.2焊點(diǎn)視覺檢測基本流程視覺系統(tǒng)是用機(jī)器視覺代替人眼進(jìn)行測量和判斷。視覺檢測主要是通過圖像采集設(shè)備將采集到的目標(biāo)圖像信號，傳輸?shù)綄Ｓ玫膱D像處理系統(tǒng)中。根據(jù)圖像的像素點(diǎn)的多少、顏色的深淺、亮度的明暗等信息，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；計(jì)算機(jī)對這些信號進(jìn)行計(jì)算和分析，然后根據(jù)判別結(jié)果判斷檢測項(xiàng)目是否符合檢測要求。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是在一些高危行業(yè)或者勞動(dòng)密集型的工作中代替人工進(jìn)行檢測工作，從而提高檢測工作的效率達(dá)到了解放人力的目的。同時(shí)，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺檢測的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工檢測。汽車的制造生產(chǎn)主要分為以下4個(gè)階段：沖壓工藝——焊裝工藝——涂裝工藝——總裝工藝。我們所設(shè)計(jì)的基于桁架式機(jī)械臂焊點(diǎn)的視覺檢測是放在焊裝工藝與涂裝工藝之間的。只有檢測的焊點(diǎn)沒有缺陷，才能進(jìn)行后面的生產(chǎn)工藝。如圖1.5所示。圖1.5汽車制造生產(chǎn)流程視覺檢測的基本流程為圖像采集、圖像處理、特征提取、缺陷識別[16]。視覺檢測流程圖如圖1.6所示。圖1.6視覺檢測流程圖1.3桁架式機(jī)械臂的方案設(shè)計(jì)1.3.1機(jī)械臂功能需求分析基于桁架機(jī)械臂對汽車白車身焊點(diǎn)檢測的應(yīng)用前景還是非常廣泛的。畢竟汽車一直在生產(chǎn)，檢測就會(huì)一直存在。隨著科技的不斷進(jìn)步，檢測設(shè)備會(huì)越來越先進(jìn)，越來越完善，再加上自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度融合，機(jī)器視覺會(huì)在高速、高精度、微距離和超距離等情況下取代人類進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)檢測環(huán)節(jié)，避免了人類因?yàn)槠诙档蜋z測效率和精度的問題。機(jī)器視覺檢測的主要原理是利用攝像頭代替人眼進(jìn)行視覺檢測，進(jìn)而把檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算和分析，得出最終的檢測結(jié)果[17]。在焊點(diǎn)檢測領(lǐng)域引入機(jī)器視覺，將大大提升檢測效率和精度，現(xiàn)在在機(jī)械領(lǐng)域這項(xiàng)需求還是非常高的。1.3.2機(jī)械臂桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案桁架鋼結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)定，我們一般先從其適用場景來進(jìn)行確定。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于汽車白車身的焊點(diǎn)檢測，檢測件的大小大約為1-1.5m。然后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的情況來進(jìn)行長度和高度的設(shè)定。桁架的長度一般根據(jù)工作區(qū)域以及一次性檢測焊件數(shù)量進(jìn)行確定。桁架的高度從以下幾個(gè)方面進(jìn)行確定：工作臺(tái)離地高度大約為750-850mm（人工作最適合的高度）+攝像頭離地最高量程1.5m+桁架鋼結(jié)構(gòu)≈3m左右。1.3.3機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一款掛載在桁架上的機(jī)械