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直角坐标型电子元件自动上料机器人结构设计研究

时间:2021-04-06作者:李颜
本文导读:这是一篇关于直角坐标型电子元件自动上料机器人结构设计研究的文章,论文通过电子元件上料过程工艺分析,规划电子元件管芯自动上料位置,设计了上料机器人运动轨迹。在此基础上,通过对典型机器人结构与工作空间特点分析,并结合上料机器人运动,设计了直角坐标型电子元件自动上料机器

摘  要

  
  目前,国内电子元件压塑机的上料还处于人工或半自动化状态,劳动强度大,效率低,工作环境恶劣,无法满足企业需求。论文以压塑机电子元件自动上料为研究目标,设计其自动上料机器人解决该问题。
  
  论文通过电子元件上料过程工艺分析,规划电子元件管芯自动上料位置,设计了上料机器人运动轨迹。在此基础上,通过对典型机器人结构与工作空间特点分析,并结合上料机器人运动,设计了直角坐标型电子元件自动上料机器人机构。依据该机器人机构提出了机器人整体结构方案,并完成了机器人结构设计;采用PRO/E软件建立了机器人三维模型,通过对导入到ADAMS软件中的三维模型添加材料属性及相应的运动,建立了机器人虚拟样机。然后,在此虚拟样机上,进行了机器人自动上料的运动学仿真,仿真结果表明,所设计的机器人能够实现电子元件自动上料功能。



直角坐标型电子元件自动上料机器人结构设计研究
 

  
  最后,对自动上料机器人的驱动及结构进行设计与校核,结果表明,所设计的机器人结构满足强度要求。设计自动上料机器人,提高了电子元件上料效率,降低了工人劳动强度,改善工人劳动条件,也为其他上料自动化实现提供了参考。
  
  关键词:   电子元件;机器人;自动上料;运动学仿真。
  

  ABSTRACT

  
  At  present,  the  domestic  electronic  components  compression  molding  machinefeeding  is  still  in  a  manual  or  semi-automatic  state,  high  labor  intensity,  lowefficiency,  poor  working  environment,  unable  to  meet  the  needs  of  enterprises.  Thispaper  takes  the  automatic  feeding  of  electronic  components  of  the  press  plasticmachine  as  the  research  target,  and  designs  its  automatic  feeding  robot  to  solve  thisproblem.
  
  By  analyzing  the  feeding  process  of  electronic  components,  the  paper plans  theautomatic  feeding  position  of  electronic  component  core,  and  designs  the  movingtrack  of  the  feeding  robot.  On  this  basis,  through  the  analysis  of  typical  robotstructure  and  workspace  characteristics,  and  combined  with  the  feeding  robotmovement,  a  cartesian  coordinate  electronic  component  automatic  feeding  robotmechanism  is  designed.  According  to  the  robot  mechanism,  the  overall  structure  ofthe  robot  is  proposed,  and  the  structure  design  of  the  robot  is  completed.  The  3dmodel of robot was established by using PRO/E software, and the virtual prototype ofrobot was established by adding material properties and  corresponding movement tothe  3D  model  imported  into  ADAMS  software.  Then,  the  kinematic  simulation  ofautomatic feeding is carried out on the virtual prototype. The simulation results showthat  the  designed  robot  can  realize  the  automatic  feeding  function  of  electroniccomponents.
  
  Finally,  the  drive  and  structure  of  the  automatic  feeding  robot  are  designed  andchecked,  and  the  results  show  that  the  designed  robot  structure  meets  the  strengthrequirements. The design of automatic feeding robot improves the feeding efficiencyof  electronic  components,  reduces  the  labor  intensity  and  improves  the  workingconditions of workers, which also provides a reference for other automatic feeding.
  
  Key  words:     electronic  components;  Robot;  Automatic  feeding;  Kinematicsimulation 。
  

  第 1 章   引言
 

  
  1.1 、研究背景及意义。

  
  随着时代的发展与社会的进步,现代科学技术也在不断快速发展,我国目前已是全球最大的机器人消费国,工业生产已经处于用机器人取代人类劳作的时代,但在国内电子元件生产领域,哪怕信息化时代对电子元件的需求量呈井喷式增加,国内电子元件压塑机依然采用半自动化生产方式,需要利用大量人工来进行上下料。在生产过程中,即使工人需要不间断的劳作,劳动强度极高,也依然满足不了现代科技企业对电子元件的大量需求。而高成本的劳动力使得智能制造成为趋势,为此,电子元件压塑机的工作过程实现全自动化生产,用以提高生产效率,满足科技企业对电子元件的需求,迫在眉睫。
  
  随着国家经济结构调整和产业进程的加快,沿海发达地区的制造业面临着极为严峻的劳动力成本上升和技术工人短缺的问题[1]。电子元件压塑机的生产过程实现全自动化后,一是大量减少劳动力数量,降低企业生产成本;二是解决了电子元件自动上料遇到的尺寸小、易受损等问题;三是机器人的无故障工作缩短了生产上下料时间,提高了生产效率。
  
  1.2 、自动上料机器人的研究现状 。
  
  1.2.1 、机器人机构研究现状 。

  
  工业机器人是近几十年来在工业生产领域发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手因结构简单、价格低廉,成为了工业机器人的一个重要组成部分。其特点是可以通过编制程序控制来完成人们所需的各种预期作业任务,在机构和性能上兼顾人类和机器设备各自的优点,在生产、生活等方面体现出了高度智能性和适应性。
  
  20 世纪 40 年代后期,美国在原子能技术领域的实验中,首先尝试采用机械手搬运对人体有害的放射性材料,技术人员则可以在安全间里对机械手进行控制继而完成各种操作和实验。随着近年来工业生产的飞跃发展,自动化程度要求迅速提高,工业生产上迫切需要实现手持工具进行加工或者实现工件的装卸、转向、输送进行装配等作业的自动化,以此来提高现代化生产的自动化水平和劳动生产率。同时,实现企业保证产品质量、实现安全生产目标和工人减轻劳动强度目的,尤其是在高温、高压、粉尘、易燃易爆等恶劣的环境中。根据工作原理和工作空间的差异,将机械手分为以下五类[2 3]:
  
  (1)直角坐标式机械手:这种机械手由三个移动关节构成,移动关节的轴线互相垂直,类似于直角坐标系的三个坐标轴,如图 1.1 所示,具有结构简单、刚度高,运动学求解简单的优点,但缺点是操作空间不大,灵活度不够,只适用于小范围操作。
  
  (2)圆柱坐标式机械手:这种机械手执行末端能够在臂长一定的操作空间中形成一个圆柱面,如图 1.2 所示。执行末端通过手臂伸缩和滚珠丝杠的上下旋转、移动来进行各项操作作业。这种机械手操作空间大,但是手臂在伸缩过程中容易发生碰撞,手臂移动副难于维护。
  

  

  
  (3)ACARA机械手:ACARA机械手由三个旋转关节和一个上下移动关节构成,其中三个旋转关节的旋转轴线互相平行,如图 1.3 所示。旋转关节决定了ACARA机械手的定位、定向和工作范围,移动关节则用来完成垂直于平面的各项操作。这种机械手适用于水平面上定位,垂直平面上装配的作业,工作空间较小。
  
  (4)球坐标机械手:也称极坐标机械手,如图 1.4 所示。这种机械手的腕部通过旋转和移动形成形状为球面部分的轨迹空间,工作空间大,移动关节难于维护。
  

  

  
  (5)关节型机械手:关节型机械手通过连杆连接形成旋转关节或者移动关节,通过关节的旋转或移动来进行各项操作作业,如图 1.5 所示。这种机械手结构紧凑,占地面积小,操作灵活,手臂干涉小,形成的作业空间较大,并且其关节位置易于维护,但是其运动学计算和控制比较复杂,生产制造要求较高。
  

  

  
  机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓取、保持和放下工件(或工具)的部件,而运动机构则驱动手部完成各种移动、转动(摆动)或复合运动等实现工业生产需求的动作,改变被抓持工件(或工具)的位置和状态。由于目前市场上注塑制品的形状、大小、重量及表面特征等方面存在着很大差异,而注塑机械手的手部是一般直接抓取注塑制品的部件,因此注塑机械手的手部有多种形式,一般可分为夹持式和吸附式两种[4]。
  
  (1)夹持式手部的主要形式为夹钳式,常用于抓取不易破碎或不易变形的制品,它对所抓取的制品的形状有较大的实用性和适应性[4]。常见夹持式机械手如图 1.6 所示。
  

  

  
  (2)吸附式手部分真空吸附和电磁吸附两种。真空吸附因对材料限制不大,只要在工作的过程中保证密封、不漏气,不管被吸物体是什么材料均能使用,其应用范围较广,真空吸盘式如图 1.7 所示。电磁吸附对材料有明显限制,只能用在钢材这一类材料上,其他材料的板材构成的物体是不能吸附进行工作的,其应用范围受到极大的限制,电磁吸盘式如图 1.8 所示。
  

  

  

  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】

  
  1.2.3、国内研究现状.
  1.3、本文研究内容
  
  第2章  电子元件自动上料机器人的结构与传动方案
  
  2.1、电子元件自动上料机器人的整体结构方案
  2.1.1、 电子元件自动上料机器人的工艺流程
  2.1.2 、电子元件自动上料机器人运动轨迹规划.
  2.1.3、电子元件自动上料机器人的初步整体结构方案
  2.1.4、电子元件自动上料机器人模具抓取机器人结构方案
  2.1.5、电子元件自动上料机器人电子元件支架抓取机器人结构方案
  2.2、电子元件自动上料机器人机构传动方案
  2.2.1、模具抓取机器人上下运动的传动方案.
  2.2.2 、电子元件支架抓取机器人上下传动及结构方案.
  2.2.3、 电子元件自动上料机器人水平运动的传动方案.
  2.3、电子元件自动上料机器人三维模型
  2.4、本章小结
  
  第3章  基于ADAMS电子元件抓取机器人运动仿真
  
  3.1、电子元件自动上料机器人三维模型添加运动副及驱动
  3.2、编写驱动机器人抓取运动控制设计与运动的实现
  3.2.1、 电子元件支架抓取机器人前后运动驱动控制设计.
  3.2.2、电子元件支架抓取机器人左右运动驱动控制设计.
  3.2.3、电子元件支架抓取机器人上下运动驱动控制设计.
  3.3、基于ADAMS电子元件自动上料机械人机构运动仿真分析
  3.3.1、电子元件支架抓取机器人速度及加速度分析
  3.3.2、模具抓取机器人速度及加速度分析.
  3.4、电子元件自动上料机器人末端执行部件的运动轨迹仿真 .
  3.5、本章小结
  
  第4章  电子元件自动上料机器人结构设计.
  
  4.1、直线导轨的设计
  4.1.1、机器人水平运动的支撑导轨设计与校核
  4.1.2、机器人垂直平面支撑导轨的设计与核.
  4.2、传动机构的设计
  4.3、轴承的设计.
  4.4、齿轮齿条的设计.
  4.4.1、齿轮尺寸的设计.
  4.4.2、齿轮的受力分析
  4.4.3、齿面接触强度校核
  4.4.5、齿条的设计与校.
  4.5、电机的设计.
  4.5.1、机器人水平运动驱动电机的设计
  4.5.2、机器人垂直运动驱动电机的设.
  4.5.3、齿轮驱动电机的设.
  4.6、联轴器的设计.
  4.7、本章小结

  第 5 章   总 结

  本文首先通过前期对大量文献资料的收集,了解了国内外上料机器人的研究现状和发展趋势,以及在工业生产领域的应用和相关机器人的简化模型。在研究资料、数据、报告等基础上,通过形成电子元件自动上料机器人结构方案、轨迹规划、三维建模、运动学仿真、结构设计等,验证了方案的可行性和正确性。压塑机原本利用人工上料需要 150 秒/次,所设计的自动上料机器人,完成一次上料则只需要 30 秒,时间缩短为 1/5,极大的提高了电子元件压塑机生产效率,降低了工人的劳动强度,也为其他上料自动化提供了参考。

  本文研究内容如下:

  1.深入了解国内外上料机器人的研究现状和发展趋势,结合电子元件生产企业的需求,确定了电子元件自动上料机器人的总体结构方案。

  2.利用Pro/E软件强大的三维造型功能,根据上料机器人的结构方案进行三维建模。

  3.在ADAMS中导入PRO/E三维模型,并定义其材料属性、运动副和驱动得到电子元件自动上料机器人虚拟样机,进行运动学仿真。通过运动学仿真,绘制机器人执行末端的速度-时间、加速度-时间等变化曲线,通过输出的各种数据曲线进行分析,以及比较机器人执行末端运动轨迹与预定运动轨迹,可以很直观的看到较好的吻合,验证了结构方案的可行性。

  4.运动学仿真和分析完成后,对自动上料机器人的驱动与结构进行设计与校核,其结构满足强度校核,基本实现了设计目的。

  参考文献

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