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研究生:林俊諺
研究生(外文):Jiun-Yan Lin
論文名稱:三軸機械手臂之研製
論文名稱(外文):Design and Implememtation of Three-Axis Robot
指導教授:洪振義洪振義引用關係
指導教授(外文):Chin-Yih Hong
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:機械手臂真空
外文關鍵詞:robot-armvacuum
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本文乃針對在半導體製程中真空環境下所使用之機械手臂設計、模擬分析及控制;在半導體的製程中,對工作環境的要求十分嚴苛,是以多半須在無塵室或真空的環境中作業,對於製程中之機械手臂而言,機械手臂中之致動器容易產生污染源,因此,就必須將致動器做特別的隔離,再藉由皮帶、齒輪等方式來傳動,帶動機械手臂運動。
在研究過程中,採用SolidWorks2000來做設計,使用WorkingModel做路徑分析,最後加工及組裝機械手臂,在傳動系統上則採用皮帶傳動,並藉由伺服馬達來控制其運動,再自行撰寫一路徑規劃程式,同時做路徑規劃及控制伺服馬達運動,以提供方便的操作介面。
在傳動方面,將致動器置於機械手臂遠處,並設計一良好的傳動機構以傳遞驅動力,本文在此採用齒輪及皮帶帶動兩種方式並用。
最後,實際操作控制機械手臂運動,均能達到所預期的目標。
The objective of the research is to design and to implement a robot arm which can be used in the semi-conductor process. Generally, the requirements of the working enviroment of the semi-conductor process are very strict, such as in clean room or in a vocuum chamber. The actuator used in the robot arm usually cause pollution in semi-conductor manufacture. Therefore, it is necessary to isolate the actuators from the clean room or the vocuum chamber. Then, gaers and belts are used to drive the robot arm to achieve the desired motion.
In this work, the SolidWorks2000 is used as a tool to design and to draw the robot arm, and the WorkingModel is used for the motion simulation and the path analysis. Moreover, the designed robot arm is munafactured and setup in our laboratory. The transmission of power of the robot arm is done by using belts and gears. The servo motors are used to control the motion of the robot arm throught the belts. Also, a computer program using Visual Basic, including the servo motor contrl and path planning of robot arm, is developed. Thus, the robot can perform its motion as described. A computer is used to control the servo motors as well as the robot arm throught a computer interface. Moreover, the simulation and the control of the robot arm motion can be done simultanenously. Finally, the robot arm moves as desired and the objective of this work is achieved.
The results of this work lay the ground work for the future research, including the intergration of the robot arm and tri-axial shaft seal using magnetic fluid, the optimimzation of the path control of the robot arm, the feedback control of the robot arm, and etc.
封面內頁
簽名頁
上網授權書………………………………………..…………………iii
授權書………………………………………………………………..iv
中文摘要………………………………………………………………v
英文摘要……………………………………….………..…………vi
誌謝……………………………………………….………..………viii
目錄……………………………………………….………………ix
圖目錄…………………………………………….………….………xi
表目錄……………………………………………...….……………xiii
第一章緒論………………………………………………………1
1.1簡介…………..……..………………………………….1
1.2文獻探討……..……..………………………………….1
1.3動機與目的……………..…….………………………...2
1.4本文架構………………..…….………………………...4
第二章設計規範………..…………………………………….....5
2.1機械手臂設計規範…….………………….……... ...5
第三章電腦輔助設計與模擬分析…….………………….….11
3.1電腦輔助設計……….…….…………………………..11
3.1.1 SolidWorks2000…….……………………….……...11
3.1.2模型設計概念………………….………….……...12
3.1.3機械手臂之設計圖.……….……………………...13
3.2電腦輔助模擬分析…………..……………………….19
3.2.1電腦模擬規劃……..……………………….……...19
3.2.2 WorkingModel………….………………….……...20
3.2.3運動路徑模擬………..…………………………...21
第四章 運動路徑規劃分析…………………………………....25
4.1機械手臂之順向運動學…………………………….25
4.1.1旋轉運動之座標轉換….………………….……...25
4.1.2平移運動之座標轉換….………………….……...27
4.1.3多關節機械手臂之座標轉換………………………28
4.2機械手臂之逆向運動學……….……………………29
4.3路徑分析……………………….……………………30
第五章機械手臂控制系統…………..……………………...34
5.1控制系統之硬體……………………..……………...34
5.1.1伺服馬達與伺服驅動器………..………………...35
5.1.2四軸控制卡與隔離板……………..……………...35
5.1.3 PC個人電腦……………………..………………...36
5.2控制系統之軟體體…………………..……………...36
第六章結論與建議………………………………………...40
6.1結論…………………………….……………………...40
6.2建議………………………………………………….40
參考文獻……………………………………………………………42
附錄………………………………………………………….…….44
圖 目 錄
圖1.1本文機械手臂所涉及之領域……………………………4
圖2.1設計規劃…….……………………………………………6
圖2.2時程圖………………………………….…………………6
圖2.3主體結構設計時程圖…………………………………...7
圖2.4主體結構設計時程圖(續)…………………………………8
圖3.1SolidWorks2000工作介面……….………………………12
圖3.2三軸機械手臂設計圖………………………..……….…13
圖3.3機械手臂實體圖機構………………..……………….…13
圖3.4機械手臂機構剖面圖………………………………….14
圖3.5馬達放置位置……………….…………………………14
圖3.6傳動機構之骨架………….……………………………15
圖3.7固定板(固定軸承及裝置馬達用)….…………………15
圖3.8軸ψ80之運動自由度及傳動方向………….…………16
圖3.9軸ψ40之運動自由度及傳動方向………….…………16
圖3.10軸ψ10之運動自由度及傳動方向………….…………17
圖3.11皮帶調整機制…………..………..………..……………..17
圖3.12皮帶調整機制(續1)………….………..…..……..………18
圖3.13皮帶調整機制(續2)……..…………………….…………18
圖3.14WorkingModel工作介面……………..…………………20
圖3.15機械手臂最大與最小行程…..…………………..………21
圖3.16軸ψ10轉動路徑圖………………………..…………...22
圖3.17軸ψ40轉動路徑圖……………………………………..22
圖3.19軸ψ80轉動路徑圖…………………………………….23
圖3.20軸ψ40軸及ψ10轉動路徑圖…………………………23
圖3.21軸ψ80軸及ψ40轉動路徑圖…………………………24
圖3.22三軸同時轉動路徑圖………………………………….24
圖4.1座標系統旋轉………………………………………….26
圖4.2座標系統平移……………………………………………27
圖4.3二自由度機械手臂………………………………….....29
圖4.4運動機構簡圖……………………………………….....30
圖4.5行程1路徑分析……………………………………….....31
圖4.6行程2路徑分析……………………………………….....32
圖4.7行程2之轉角 ……………………………………….....32
圖4.8行程3路徑分析……………………………………….....33
圖5.1三軸機械手臂控制系統……….………………………34
圖5.2DMC-1842四軸運動控制卡…………………………..36
圖5.3路徑規劃控制程式初始畫面…………………………..37
圖5.4路徑規劃圖……….……………………………………38
圖5.5手臂路徑圖………………………………………………38
圖5.6控制畫面……………….………………………………39
表 目 錄
表5.1伺服驅動器主要規格………………..………………......35
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[4]郭俊良,王培士編譯,“機械人的機構與控制,”全華科技圖書股份有限公司, 1988 o
[5]黃緒哲譯,“基本機械人學,”徐氏基金會, 1988 o
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[7]武晉偉,“ 平面與球面三自由度並聯式機械人之正運動學分析 ,”國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文, 1999 o
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[11]鄭榮宗,“ 三軸直接驅動機械手臂之研製, ”國立台灣科技大學機械工程研究所碩士論文, 1998 o
[12]盧添福,“ 四軸機械臂之研製, ”國立成功大學機械工程學系碩士論文, 1990 o
[13]何明哲,黃衍生編著,“Window下之馬達控制入門,”全華科技圖書股份有限公司, 1999o
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