【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-機(jī)械工程電氣自動(dòng)化

成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘要 在工業(yè)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計(jì)為三自由度直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其工作方向?yàn)槿齻€(gè)直線(xiàn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方這一簡(jiǎn)單的動(dòng)作 ,本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：三自由度 直角坐標(biāo) 工業(yè)機(jī)器人 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) t is to of of of to of is of 目錄 言 1 第 1章 概述 2 器人概述 2 器人的歷史和現(xiàn)狀 4 器人的發(fā)展趨勢(shì) 6 第 2章 總體設(shè)計(jì) 8 機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 8 總體方案擬定 9 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 11 第 3 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 傳動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì) 17 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 20 軸承的選擇 21 電機(jī)的選擇 22 第 4 章 總結(jié) 25 致謝 27 摘要 I 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 27 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 前 言 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，自動(dòng)化控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器人等。而工業(yè)機(jī)器人是相對(duì)較新的電子設(shè)備，它正開(kāi)始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 機(jī)器人就 是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工，大大降低了勞動(dòng)力，并且大大增加了工作效率和降低了產(chǎn)品的成本，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展起到非常重要的作用，但現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人只是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。還有它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī) 器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（ 求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在 種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非 常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。 由于種種原因，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)通過(guò) “ 七五 ” 機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)，已具備了生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的基礎(chǔ)，但國(guó)產(chǎn)機(jī)器人無(wú)論在技術(shù)上，還是可靠性上，都與國(guó)外機(jī)器人差相當(dāng)一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開(kāi)放型的自主科研道路 。 本設(shè)計(jì)根據(jù)所需的要求和實(shí)踐理論分析，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三自由度機(jī)器人，使 工件從一個(gè)位置運(yùn)送至指定位置，機(jī)械手在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把工件沿指定路線(xiàn)搬運(yùn)到另一個(gè)位置。 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第 1 章 概述 器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng) 用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機(jī)器人”（ 數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用機(jī)器人。 簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)（ 它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床上 下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)之為“ 它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類(lèi)型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行 機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1示。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) - 傳 動(dòng) 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動(dòng) ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動(dòng) 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計(jì) 算 機(jī)圖 1器人的一般組成 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又稱(chēng)操作機(jī)(相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 器人的歷史和現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自 1969年從美國(guó) 引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) 和柔性制造單元 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議 論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于 人工作業(yè)的環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（ 要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人 系統(tǒng)。 美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： （ 1） 1963為試驗(yàn)定型階段。 1963，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶(hù)做工藝試驗(yàn)。 1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為 1900型。 （ 2） 1968為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司 1968 年訂購(gòu)了 68 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人； 1969 年該公司又自行研制出 工業(yè)機(jī)器人，并用 21 組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線(xiàn)；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司 32 條沖壓自動(dòng)線(xiàn)上的 448 臺(tái)沖床都 用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。 （ 3） 1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。 1970，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。 1970 年 4 月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約 200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá) 60 萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（ 明了用小型計(jì)算機(jī)控制 50 臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由 25 臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。 其 他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從 1967， 1968 年開(kāi)始以美國(guó)的“ “ 機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)， 1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“ ,川崎重工公司引進(jìn)“ 并獲得迅速發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約 10 年的實(shí)用化時(shí)期以后，從成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。 我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚 5，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)各行各業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求將越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將穩(wěn)步增長(zhǎng)，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，我國(guó)機(jī)器人近幾年發(fā)展的形式將會(huì)怎樣呢？根據(jù)我們的分析將會(huì)呈現(xiàn)如下幾個(gè)特點(diǎn)： 1從國(guó)際市場(chǎng)來(lái)看，機(jī)器人工業(yè)是一種高投入低贏利的產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)極為激烈，機(jī)器人工業(yè)必須上一定規(guī)模才有利潤(rùn)可言，才有必需的開(kāi)發(fā)投入，才能走上良性循環(huán)的發(fā)展道路。世界上機(jī)器人產(chǎn)量最大的三家公司年產(chǎn)機(jī)器人數(shù)均超千臺(tái)以上，其 中 司達(dá)到 9000 臺(tái)，安川電機(jī)公司近 2500 臺(tái)， 司近 2000 臺(tái)，從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來(lái)看，大公司、大企業(yè)通過(guò)與外國(guó)機(jī)器人公司合資合作，引進(jìn)技術(shù)和資金，逐步規(guī)?；a(chǎn)機(jī)器人，把國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)推向一個(gè)新的階段，其中有代表性的，如首鋼集團(tuán)公司與安川電機(jī)公司合資的首鋼莫托曼公司、唐山電子設(shè)備廠(chǎng)與松下電器公司合資的唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司、東風(fēng)汽車(chē)公司與德國(guó) 司合作、濟(jì)南二機(jī)床公司與美國(guó) 器人公司合作等等。這些合資合作的開(kāi)展，將會(huì)有效地推動(dòng)中國(guó)機(jī)器人工業(yè)的進(jìn)步，全面促進(jìn)中國(guó)機(jī)器人工業(yè)水平的提高，但 是它也會(huì)和其他外國(guó)機(jī)器人公司一樣，沖擊中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)，影響具有自主開(kāi)發(fā)能力的中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成，也會(huì)使國(guó)內(nèi)其他的機(jī)器人生產(chǎn)廠(chǎng)家面臨一種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 2由注重機(jī)器人單機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)渡到成套開(kāi)發(fā)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng) 生產(chǎn)機(jī)器人多的大型公司，可以憑借規(guī)模優(yōu)勢(shì)，占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，形成規(guī)模效益，而一些中小公司要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得生存，必須具有自己的特色。國(guó)外許多中小公司把自己的市場(chǎng)定位在機(jī)器人系統(tǒng)集成或某些有特長(zhǎng)領(lǐng)成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 域，從而形成自己的局部?jī)?yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)中求得生存和發(fā)展，如奧地利 司以向用戶(hù)提供大型機(jī)器人焊接系統(tǒng)著稱(chēng) ，機(jī)器人在系統(tǒng)中只占售價(jià)的 1/3 左右，賣(mài)單臺(tái)機(jī)器人贏利甚微，而賣(mài)機(jī)器人系統(tǒng)卻贏利可觀(guān)。意大利 司以承接壓機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)見(jiàn)長(zhǎng)，在這里，機(jī)器人系統(tǒng)是促銷(xiāo)售的關(guān)鍵。我國(guó)國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠(chǎng)家規(guī)模大都較小，甚至談不上規(guī)模，而國(guó)內(nèi)一般企業(yè)又沒(méi)有能力將機(jī)器人有效地集成到生產(chǎn)系統(tǒng)中去，因此，那些進(jìn)行系統(tǒng)集成并向用戶(hù)提供一條龍服務(wù)的公司，在機(jī)器人市場(chǎng)中將有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠(chǎng)家中北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，以承接涂裝自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)見(jiàn)長(zhǎng)，累計(jì)產(chǎn)值近 2000 萬(wàn)元，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所承接焊接生產(chǎn)線(xiàn)，累計(jì)產(chǎn)值近 5000 萬(wàn)元，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線(xiàn)正在產(chǎn)業(yè)化，累計(jì)產(chǎn)值超千萬(wàn)元。 3機(jī)器人開(kāi)發(fā)走開(kāi)放型科研之路 國(guó)內(nèi)通過(guò) “ 七五 ” 機(jī)器人技術(shù)攻關(guān)，已具備了生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的基礎(chǔ)，但國(guó)產(chǎn)機(jī)器人無(wú)論在技術(shù)上，還是可靠性上，都與國(guó)外機(jī)器人差相當(dāng)一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開(kāi)放型的自主科研道路。 1）多方籌措開(kāi)發(fā)資金，通過(guò)政府部門(mén)投資、用戶(hù)單位投資、自我積累、外商投資、銀行貸款等形式，籌措國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)資金。 2）消化和利用國(guó)外機(jī)器人技術(shù)、資料、樣機(jī)和關(guān)鍵元器件，為我所用。 3）選擇引進(jìn)國(guó)外質(zhì)量可靠的 機(jī)器人零部件和元器件。 4）大力開(kāi)展國(guó)內(nèi)合作，利用國(guó)內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)具有中國(guó)技術(shù)特色的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品。 5）注意機(jī)器人產(chǎn)品的高可靠性，使國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的可靠性與國(guó)外機(jī)器人具有可比性，同時(shí)要做到低成本、易操作 。 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 2 章 總體設(shè)計(jì) 器人的組成及各部分關(guān)系概述 機(jī)器人的組成圖 它主要由機(jī)械系統(tǒng) (執(zhí)行系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) )、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身 等。 （ 1） 手部：又稱(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （ 2） 腕部：又稱(chēng)手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （ 3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 （ 4） 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 B、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用的是電傳動(dòng)。 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 C、 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 D、 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 各部分關(guān)系圖 體方案擬定 本設(shè)計(jì)喂三自由度機(jī)器人，其工作方向?yàn)?X,Y,Z 三個(gè)直線(xiàn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個(gè)位置放到另一個(gè)位置，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少人力勞動(dòng)。本文是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作較全面的介紹和總結(jié)。 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 工件搬運(yùn)圖 除去機(jī)械手的總體框架 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類(lèi)型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表 2 2種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電 機(jī) 驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為50 140，壓力范圍為48 60 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精 確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除 以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊 ，無(wú)密封問(wèn)題 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于10000 個(gè)大氣壓 )時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無(wú) 續(xù)表 2種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、 速度較高的機(jī)器人，如 服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： 1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 2）反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； 3）驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 4）安全可靠； 5）操作和維護(hù)方便； 6） 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要?。?7）經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 經(jīng)上述分析此三自由度機(jī)器人 X,Y,Z 方向驅(qū)動(dòng)及機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 第 3 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 搬運(yùn)機(jī)器人能夠模仿人手部的部分動(dòng)作，按照設(shè)定的程序、軌跡和要求， 代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一些人工不可能完成的工作， 這不僅可以使人手避免出現(xiàn)可能的危險(xiǎn)情況，保障生產(chǎn)安全，還能促進(jìn)工作線(xiàn)的流水化，提高了工作效率， 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一種自動(dòng)化裝 置。 根據(jù)對(duì) 機(jī)器人 的工藝過(guò)程及控制要求分析，機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖所示： 以下是機(jī)械手的視圖表示： 原點(diǎn) 下降 抓緊 X,Y,Z 方向的運(yùn)動(dòng) 放松 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 主視圖 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 左視圖 俯視圖 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 三視圖 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì) 滑動(dòng)螺旋的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；易于實(shí)現(xiàn)逆行程自鎖，工作安全可靠；摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低；容易磨損，軸向剛度較差。 滾珠螺旋的特點(diǎn)：摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高；磨損小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性好；具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，應(yīng)設(shè)防逆動(dòng)裝置；軸向剛度較高， 抗沖擊性能較差；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較難；預(yù)緊后得到很高的定位精度（約達(dá) 500）和重復(fù)定位精度（可達(dá) 12 參照設(shè)計(jì)要求發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋均可滿(mǎn)足要求，擬選定滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。 （ 1）螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周，螺母移動(dòng)一個(gè)螺距（彈頭螺紋）。因?yàn)槁菥嘁话愫苄?，所以在轉(zhuǎn)角很大的情況下，能獲得很小的直線(xiàn)位移量，可大大縮短機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈，故裝置結(jié)構(gòu)緊湊。 （ 2）具有較好的增力作用。只要給主動(dòng)件一個(gè)較小的轉(zhuǎn)矩，從動(dòng)件即能獲得較大的轉(zhuǎn)矩。 （ 3）由于工作臺(tái)采用滑動(dòng)螺旋設(shè)計(jì)，存在較大的滑 動(dòng)摩擦，致使其效率偏低，磨損較快。 處理及精度 所有軸的制造材料均為 45 號(hào)鋼。螺紋部分采用表面淬火處理，保證硬度達(dá)到 45螺紋具有較好的強(qiáng)度和韌性?？紤]傳動(dòng)工作臺(tái)的技術(shù)要求和安裝限制，選取公差等級(jí)為 考慮到實(shí)際中軸向力的影響較大，選取梯形螺紋作為基本齒形。根據(jù) 試?。ㄍ饴菁y）公稱(chēng)直徑 2 0 0d ，對(duì)應(yīng)的中徑2 1 8 0d m m，小徑1 1 5 0d m m，螺距 4P 。由 于 徑的極限尺寸2 m a x 1 8 . 0 0 0d m m，2 m i n 1 7 0d m m。 現(xiàn)實(shí)中，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的失效性是主要是螺紋的磨損、螺桿的變形或螺紋的成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 斷裂等。因此，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的校核通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性及強(qiáng)度等方面。根據(jù)使用需要，還需進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力矩、效率與自鎖等其他方面的計(jì)算。 （ 1）螺旋升角 及誘導(dǎo)摩擦角2t a n / 0 . 0 7 0 7 7，得 43 。 查表 【 1】 ，鋼的摩擦系數(shù) ，因而a r c t a n 5 5 5c o s 2v。 其中，梯形螺紋的牙型半角 30 。 （ 2）軸向力根據(jù)要求，載重 。設(shè)計(jì)中留出預(yù)留量，即考慮徑向力，取2 ，則 23rF m 。根據(jù)力的合成原理，得 / t a n 8 7 9 N （ 3）耐磨性校核 因?yàn)槟p的速度與螺紋工作表面大小有直接關(guān)系，所以為了提高螺旋傳動(dòng)壽命，必須限制螺紋工作表面壓強(qiáng)，即：220 . 7 8 5P h H 這里，取梯形螺紋螺紋工作高度 0 h P m m。試選用整體式螺母 ( )，因而 3 9 h m m 。 這里初步確定螺紋材料為 45 號(hào)鋼，為兼顧螺紋的硬度和韌性要求，進(jìn)行比表面淬火處理，保證 0 50。 查表 【 1】 得 45 號(hào)鋼的許用壓強(qiáng) 2 ( 6 8 )p N m m 。顯然，有 成立，合格。 又螺母螺紋扣數(shù) 9 0 ，合格。 （ 4）驅(qū)動(dòng)力矩 T 、傳動(dòng)效率 及自鎖性校核 對(duì)于單線(xiàn)螺桿， 4 。視螺旋副克服摩擦力的力矩為其驅(qū)動(dòng)力矩，即 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 2 t a n ( ) 1 3 9 0 . 22a N m m 傳動(dòng)效率 t a n 4 0 . 2 9 %t a n ( )顯然，v，故 當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩去除后，螺旋將會(huì)自鎖，實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)定剎車(chē)”。 （ 5）剛度校核 在長(zhǎng)度為 1m 的螺紋上，因軸向載荷 作用而產(chǎn)生的螺距累計(jì)變化量 262 2 424 16( ) 1 0 1 7 . 6 1P G d 查表 1【 1】 可知，67 ，精度等級(jí)合格。 表 1 精度等級(jí) 5 6 7 8 9 1 / ( ) 10 15 30 55 110 （ 6）穩(wěn)定性校核 螺桿在受軸向載荷防止螺桿長(zhǎng)度與直徑比過(guò)大而造成側(cè)向彎曲。 顯然，有螺桿最大工作長(zhǎng)度 螺紋部分長(zhǎng)度 工作行程 +螺母高度 工作行程 +旋合長(zhǎng)度， 即g g L H L L 螺桿失穩(wěn)時(shí)的臨界軸向載荷 4 2 62 / 6 . 5 6 1 1 0m d L N 。其中， 支撐狀況選定為兩端固定（即軸向和徑向均存在載荷作用），取 支撐系數(shù) 424 0 1 0m N m m 綜上，有 4719F （安全系數(shù) 4 ），合格 （ 7）強(qiáng)度校核 按第四強(qiáng)度理論校核螺桿強(qiáng)度，即 成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 桿所受應(yīng)力 2 2 223334( ) 3 ( ) 5 . 6 7 20 . 2 N m 查表 【 1】 得 45號(hào)鋼得許用應(yīng)力2360 7 2 1 2 0( 3 5 ) ( 3 5 )s N m m 顯然， ，合格 （ 8）重復(fù)精度校核 由 得在 度等級(jí)下每一螺距的螺距誤差為 6 ，螺距的累積誤差 P為： 5， 00， 00；牙型半角允差為 20 。 因此，由螺桿傳動(dòng)造成的重復(fù)精度 20 2 1 8 . 4 5 01000P P m m ，合格 至此，所選外螺紋的所有技術(shù)指標(biāo)均已校驗(yàn)完畢，結(jié)果在合格范圍之內(nèi)。因而，最終確定所選外螺紋各技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 公稱(chēng)直徑 2 0 0d ， 中 徑2 1 8 0d m m(2 m a x 1 8 . 0 0 0d m m，2 m i n 1 7 0d m m)，小徑1 1 5 0d m m，螺距 4P ，螺旋升角 43。 內(nèi)外螺紋精度