某桁架式機械臂設計方案的制定案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12424某桁架式機械臂設計方案的制定案例概述 1184901.1桁架式機械臂的介紹 1114941.1.1桁架式機械臂的結(jié)構(gòu)組成 155831.1.2桁架式機械臂的分類及特點 219791.2汽車白車身焊點檢測流程 360631.2.1汽車白車身簡述 3132041.2.2焊點視覺檢測基本流程 4178771.3桁架式機械臂的方案設計 5168241.3.1機械臂功能需求分析 5186401.3.2機械臂桁架結(jié)構(gòu)設計方案 5192511.3.3機械手臂結(jié)構(gòu)設計方案 61.1桁架式機械臂的介紹1.1.1桁架式機械臂的結(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。其主要作用是機械手負載的主要承擔者。(2)導向件：一般由導軌組成，其具體運用需根據(jù)實際情況決定[12]。(3)傳動件：協(xié)調(diào)機構(gòu)運轉(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備的不同性能進行檢測。(5)機械限位組：其作用是防止設備運動到行程之外。桁架式機械手是一種全自動工業(yè)設備，它基于直角坐標系，使工件在X、Y、Z方向上運動。目的是對工件的位置進行調(diào)整、利用桁架上的機械臂掛載攝像頭進行視覺檢測、實現(xiàn)工件的軌跡運動等。其控制核心由工業(yè)控制器(如PLC、運動控制、單片機等)實現(xiàn)。在對各種輸入信號進行分析和處理，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，從而完成所設定的動作要求。1.1.2桁架式機械臂的分類及特點桁架式機械臂在機械領域的應用主要有以下兩種：(1)三自由度桁架式機械臂三自由度桁架式機械臂具有很強的負載能力強和大行程的特點。由其是具有可以在兩個平行軸方向上的移動能力，擁有更廣泛的移動范圍。這種三自由度桁架式機械臂適用于重載或?qū)傂杂懈咭蟮膱龊蟍13]。其優(yōu)點很多，但缺點也是非常的明顯，主要表現(xiàn)為占地面積大。因為三自由度桁架式機械臂本身體積大，固定于地面時所需空間大。如果要使各軸上實現(xiàn)同步運動時，對驅(qū)動裝置和傳動裝置的協(xié)同一致動作有很高的要求，不易實現(xiàn)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2三自由度桁架式機械臂(2)二自由度桁架式機械臂該結(jié)構(gòu)的機械臂采用橫梁、立柱形式的結(jié)構(gòu)方式，主要特點是設計容易，結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、現(xiàn)場施工簡便，比三自由度的機械臂更加容易實現(xiàn)一些簡單動作[1]。但缺點自由度較少，只能在同一平面上進行運動。若想實現(xiàn)更大范圍的移動，可以通過其掛載多自由度的機械臂來實現(xiàn)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖1.3二自由度桁架式機械臂無論是三自由度的桁架式機械臂還是二自由度的桁架式機械臂都在工業(yè)上應用廣泛，主要具有以下特點：(1)高效：各軸以較高的速度進行快速反應，以達到快速高效、精準的目標?？捎盟欧姍C控制快速響應;(2)穩(wěn)定：其重復性誤差很小，最高可達0.05mm;(3)高強度：可以連續(xù)工作，不需要像人一樣多的休息時間，不會因為勞累而降低精度；(4)高精度：定位精度可達0.02mm（基于制作成本和工況來決定）(5)性價比高：桁架式機械手相比其他機器人，其負載重量大，成本低。花更少的錢做更多的事。適合于目前的中國制造業(yè)的發(fā)展趨勢;(6)輸送距離大：因為桁架式機械臂結(jié)構(gòu)的大小是根據(jù)實際生產(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]但他的缺點主要表現(xiàn)在通用性較差。因為桁架機械臂的高度和長度都是根據(jù)現(xiàn)實生產(chǎn)而設計的，并不通用所有制造與生產(chǎn)。以及機械手臂的活動行程一般都是根據(jù)零件外形的寬度和高度以及工作臺的尺寸量身定制。1.2汽車白車身焊點檢測流程1.2.1汽車白車身簡述“白車身”這是汽車車身設計和在焊接車間生產(chǎn)過程中的一個統(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)動機倉、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焊點視覺檢測基本流程視覺系統(tǒng)是用機器視覺代替人眼進行測量和判斷。視覺檢測主要是通過圖像采集設備將采集到的目標圖像信號，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；計算機對這些信號進行計算和分析，然后根據(jù)判別結(jié)果判斷檢測項目是否符合檢測要求。機器視覺系統(tǒng)的特點是在一些高危行業(yè)或者勞動密集型的工作中代替人工進行檢測工作，從而提高檢測工作的效率達到了解放人力的目的。同時，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中，機器視覺檢測的精度遠遠高于人工檢測。汽車的制造生產(chǎn)主要分為以下4個階段：沖壓工藝——焊裝工藝——涂裝工藝——總裝工藝。我們所設計的基于桁架式機械臂焊點的視覺檢測是放在焊裝工藝與涂裝工藝之間的。只有檢測的焊點沒有缺陷，才能進行后面的生產(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桁架式機械臂的方案設計1.3.1機械臂功能需求分析基于桁架機械臂對汽車白車身焊點檢測的應用前景還是非常廣泛的。畢竟汽車一直在生產(chǎn)，檢測就會一直存在。隨著科技的不斷進步，檢測設備會越來越先進，越來越完善，再加上自動化與計算機技術(shù)的高度融合，機器視覺會在高速、高精度、微距離和超距離等情況下取代人類進入了工業(yè)生產(chǎn)檢測環(huán)節(jié)，避免了人類因為疲勞而降低檢測效率和精度的問題。機器視覺檢測的主要原理是利用攝像頭代替人眼進行視覺檢測，進而把檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行計算和分析，得出最終的檢測結(jié)果[17]。在焊點檢測領域引入機器視覺，將大大提升檢測效率和精度，現(xiàn)在在機械領域這項需求還是非常高的。1.3.2機械臂桁架結(jié)構(gòu)設計方案桁架鋼結(jié)構(gòu)尺寸的設定，我們一般先從其適用場景來進行確定。本文所設計的機構(gòu)主要應用于汽車白車身的焊點檢測，檢測件的大小大約為1-1.5m。然后根據(jù)實際生產(chǎn)的情況來進行長度和高度的設定。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)量進行確定。桁架的高度從以下幾個方面進行確定：工作臺離地高度大約為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機械手臂結(jié)構(gòu)設計方案設計一款掛載在桁架上的機械