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摘 要 工業(yè)機(jī)器手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)三軸龍門機(jī)械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動(dòng)要求，以及對(duì)工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運(yùn)到生產(chǎn)線的輸送帶上。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；效率；龍門；三軸 Abstract Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body)， controller， servo drive system and detection sensor， which is a kind of copy operation， automatic control， can repeat programming in 3 d space， can finish all kinds of assignments electromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties， change of flexible production batch. It to help stabilize， improve product quality， raise efficiency in production， improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level， can reduce labor intensity， ensure the quality of products， and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple， general manipulator can quickly change working procedures， good daptability， so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references. Key Words: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 機(jī)器人概述 1 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 2 1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 3 第2章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 4 2.1機(jī)械手基本形式的選擇 4 2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人 4 2.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 4 2.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人 4 2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人 5 2.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 6 2.2.1液壓驅(qū)動(dòng) 6 2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng) 7 2.2.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 7 第3章 三軸機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 8 3.1設(shè)計(jì)參數(shù) 8 3.2方案設(shè)計(jì) 8 3.2.1 X軸方案設(shè)計(jì) 9 3.2.2 Y軸方案設(shè)計(jì) 9 3.2.3 Z軸方案設(shè)計(jì) 10 3.2.4 機(jī)械手爪方案設(shè)計(jì) 11 第4章 三軸龍門機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 4.1 X軸設(shè)計(jì) 13 4.1.1 最大工作載荷的計(jì)算 13 4.1.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 13 4.1.3 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 15 4.2 Y軸設(shè)計(jì) 15 4.3 Z軸設(shè)計(jì) 17 第5章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 5.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求 23 5.2 夾緊裝置設(shè)計(jì) 23 5.2.1 夾緊力計(jì)算 23 5.2.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24 5.2.3 氣缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24 5.2.4 選用夾持器氣缸 25 5.2.5 手爪的夾持誤差及分析 25 5.2.6 材料及連接件選擇 28 結(jié)論 29 參考文獻(xiàn) 30 致 謝 31 第1章 緒論 1.1 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械化和自動(dòng)化的生產(chǎn)過程中已成為一個(gè)突出的主題。生產(chǎn)過程的自動(dòng)化化學(xué)連續(xù)性已基本得到解決。但在機(jī)械行業(yè)，加工，裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)是一種有效的方式來大規(guī)模生產(chǎn)自動(dòng)化，程控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決了多品種小批量的生產(chǎn)自動(dòng)化的重要途徑。但在鑿除本身，也有很多裝卸，搬運(yùn)，裝配作業(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”（Industrial Robot）：多數(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（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種機(jī)體功能，程序自動(dòng)固定裝置的上部。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。 總之，機(jī)器人是用機(jī)器代替人手，將工件從所述位置指定的作業(yè)移到某個(gè)位置，或按照以操縱工件加工用的工作要求。 機(jī)器人拿起東西，最簡單的是具有相似的基本條件，手段，抓住并移動(dòng)手腕的機(jī)構(gòu)，手臂，關(guān)節(jié)等部位 - 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如肌肉的驅(qū)動(dòng)臂運(yùn)動(dòng) - 傳輸;像指揮和控制大腦系統(tǒng)的手部動(dòng)作。這些系統(tǒng)的性能將決定機(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所示。 圖1 機(jī)器人的一般組成 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(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)用最多的國家。自1969年從美國引進(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，主要依靠手動(dòng)控制；相比，開環(huán)控制模式，沒有承認(rèn)；改善方向主要是降低成本，提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊制定。它有一個(gè)微電腦控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽，思考的能力。研究各種傳感器的安裝，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）能夠獨(dú)立工作，以完成該過程的任務(wù)。它保持與電腦和電視設(shè)備的接觸，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC是一個(gè)重要的組成部分。 隨著工業(yè)機(jī)器人拓展國際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)的研究和應(yīng)用都非?；钴S，歐洲和美國等國家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流很多。國際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)ISIR會(huì)議決定召開一次年會(huì)，討論開發(fā)和應(yīng)用問題和研究機(jī)器人。 目前，主要的工業(yè)機(jī)器人裝卸，搬運(yùn)，焊接，鑄造，鍛造和熱處理等，無論數(shù)量，品種和性能不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。而是采用一種工業(yè)機(jī)器人，主要是在危險(xiǎn)的操作（寬），多塵的手動(dòng)操作的，隔熱，隔音，并且工作環(huán)境不適合窄的空間，例如手動(dòng)操作。 在國外機(jī)械制造，工業(yè)機(jī)器人使用較多，發(fā)展較快。目前應(yīng)用于機(jī)床，鍛壓機(jī)下料，以及點(diǎn)焊，噴漆等工作，也可以完成提前開發(fā)所需遵循的操作程序，但沒有感覺反饋能力，無法應(yīng)付外界世界的變化。如果出現(xiàn)某些偏差時(shí)，機(jī)器人會(huì)損壞部件，甚至本身。 隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)，研究應(yīng)用在這些領(lǐng)域的現(xiàn)代進(jìn)步的機(jī)器人系統(tǒng)，以系統(tǒng)的快速發(fā)展本身也提出了更多的要求。制造要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的靈活性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，以適應(yīng)不同的應(yīng)用和多品種，小批量的生產(chǎn)過程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）的機(jī)器人系統(tǒng)需要能源等自動(dòng)化設(shè)備在車間內(nèi)進(jìn)行整合。研究人員的水平，以提高性能和智能機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人需要一個(gè)開放系統(tǒng)架構(gòu)和各種外部傳感器集成的能力。然而，多機(jī)器人系統(tǒng)的商業(yè)化，目前使用的專用控制器封閉結(jié)構(gòu)，通常使用專用的計(jì)算機(jī)作為上主計(jì)算機(jī)，使用專用的離線機(jī)器人編程語言作為一種工具，使用一個(gè)專用的微處理器和控制算法固化在EPROM這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）整合外部硬件和軟件。封閉系統(tǒng)改裝費(fèi)用是非常昂貴的，如果不重新設(shè)計(jì)，在大多數(shù)情況下，它在技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本途徑是學(xué)習(xí)和使用機(jī)器人系統(tǒng)具有開放式體系結(jié)構(gòu)。 我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，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。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(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。 1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 第2章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 2.1機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種，如圖2所示：（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械手；（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；（3）極坐標(biāo)型機(jī)械手；(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。 2.1.1直角坐標(biāo)系機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它在x，y，z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)和作業(yè)。這種形式的主要特點(diǎn)是： (1)在三個(gè)直線方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易想象。 (2)計(jì)算比較方便。 (3)由于可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。 (4)要求保留較大的移動(dòng)空間，占用空間較大。 (5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。 (6)滑動(dòng)部件表面的密封較困難，容易被污染。 2.1.2圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人，R、θ和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)，其中R是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點(diǎn)是： (1)容易想象和計(jì)算。 (2)能夠伸入形腔式機(jī)器內(nèi)部。 (3)空間定位比較直觀。 (4)直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。 (5)手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間。 2.1.3極坐標(biāo)系機(jī)器人 極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，R，θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。其中θ是繞手臂支撐底座垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。其特點(diǎn)是： (1)在中心支架附近的工作范圍較大。 (2)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封。 (3)覆蓋工作空間較大。 (4)坐標(biāo)系較復(fù)雜，較難想象和控制。 (5)直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問題。 (6)存在工作死區(qū)。 2.1.4多關(guān)節(jié)機(jī)器人 多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。θ、α和φ為坐標(biāo)系的坐標(biāo)，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長度比例。其特點(diǎn)是： (1)動(dòng)作較靈活，工作空間大。 (2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處容易密封防塵。 (3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。 (4) 適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 (5)運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大。 (6)不適于液壓驅(qū)動(dòng)。 直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 極坐標(biāo)型 多關(guān)節(jié)型 圖2 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式 本課題要求機(jī)械手為直角坐標(biāo)型。 2.2驅(qū)動(dòng)裝置的選擇 機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。 2.2.1液壓驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）容易實(shí)現(xiàn)高水壓（水壓一般為2.5~6.3MPa的），體積小，可能會(huì)更好推力或扭矩； （2）介質(zhì)的液壓系統(tǒng)的壓縮性小，平滑和可靠，并能獲得更高的位置精度； （3）液壓傳動(dòng)，功率，速度和方向是比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； （4）液壓系統(tǒng)采用油作為介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，能提高機(jī)械效率，使用壽命長。 不足的液壓系統(tǒng)有： （1）油品粘度隨溫度變化，影響工作性能，高溫燃燒爆炸可能造成的危險(xiǎn)； （2）液體難以克服的，液壓元件的泄漏，需要更高的精度和質(zhì)量，成本較高； （3）需要相應(yīng)的供應(yīng)體系，特別是電液伺服系統(tǒng)需要嚴(yán)格過濾的設(shè)備，否則故障。 液壓驅(qū)動(dòng)模式下的輸出功率和更大的權(quán)力，可以構(gòu)成一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，大型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器常用。 2.2.2氣壓驅(qū)動(dòng) 與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)是： （1）壓縮空氣粘度小，容易實(shí)現(xiàn)高速； （2）利用壓縮空氣工廠集中的加油站沒有加電設(shè)備； （3）空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，使用安全，可直接應(yīng)用到高溫作業(yè)； （4）氣動(dòng)元件的工作壓力低，它也比液壓元件的制造要求低。 它的缺點(diǎn)是： （1）空氣壓力用0.4~0.6MPa的，以獲得一個(gè)較大的力，就必須相對(duì)地增加的結(jié)構(gòu)； （2）壓縮空氣大，表面光滑，可憐的速度控制很難實(shí)現(xiàn)精確的位置控制難度大； （3）壓縮空氣是一個(gè)非常重要的問題，處理不當(dāng)級(jí)鋼鐵機(jī)件會(huì)生銹，造成機(jī)是人類的失敗。此外，排氣也能引起噪聲污染。 用于位置控制，采集，開關(guān)控制和順序控制機(jī)器人氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。 2.2.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可分為普通交流和直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，交流和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 通用的交，直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器需要減速裝置，輸出扭矩大，但控制性能較差，慣性，適合中型或重型機(jī)器人。伺服和步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩比較小，良好的控制性能，可實(shí)現(xiàn)精確控制速度和位置，適合中小型機(jī)器人。交流伺服電機(jī)一般用于直接閉環(huán)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度并不重要。 第3章 三軸機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 本課題來源于亞龍YL-221型自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目，該機(jī)械加工自主創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械加工的不同階段設(shè)置了多個(gè)工作站：自動(dòng)存取型高架倉庫、搬運(yùn)機(jī)械手站、直線輸送機(jī)站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)站、綜合機(jī)械加工站、裝配站、工件碼堆站。 本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)三軸龍門機(jī)械手，需完成X、Y、Z三維空間內(nèi)的移動(dòng)要求，以及對(duì)工件的安全抓緊和釋放，將倉庫出庫的工件搬運(yùn)到生產(chǎn)線的輸送帶上。 3.1設(shè)計(jì)參數(shù) 機(jī)械手即為三軸。確定為X軸、Y軸、Z軸。X軸為水平方向有效行程為800mm， Y軸為水平面上垂直于X軸的方向有單效行程為1000mm，Z軸為豎直方向垂直于XY軸，有效行程為240mm。 工件形狀：φ5050mm的鋁制圓柱體；或φ5050mm的塑料圓柱體。 定位精度：1mm ； 運(yùn)動(dòng)速度：>2m/min； 工作要求：X、Y軸引動(dòng)器用于機(jī)械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動(dòng)器則完成對(duì)工件提起或放下操作，機(jī)械手爪則完成對(duì)工件抓緊或釋放操作。 3.2方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的三軸龍門機(jī)械手總體方案結(jié)構(gòu)圖如下所示：該機(jī)械手采用直角坐標(biāo)系，X軸采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，Y軸采用同步帶傳動(dòng)方式，Z軸采用滾珠絲杠副傳動(dòng)?，F(xiàn)將各軸的驅(qū)動(dòng)方案詳細(xì)說明如下： 圖3-1 三軸龍門機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖 3.2.1 X軸方案設(shè)計(jì) 需要完整圖紙及論文，請(qǐng)聯(lián)系QQ545675353，另接定做畢業(yè)設(shè)計(jì)