齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì),主要應(yīng)用于直角坐標(biāo)機(jī)器人,一、課題的來(lái)源及意義,直角坐標(biāo)機(jī)器人，是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。它是應(yīng)用廣泛的三種串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人類(lèi)型之一，在中、小型機(jī)電產(chǎn)業(yè)的裝配生產(chǎn)線上有廣泛的應(yīng)用。其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合成線速度高、重復(fù)定位精度高、垂直方向剛性很好，水平方向有較好的柔性，因而有助于插裝作業(yè)，可用于機(jī)電產(chǎn)品的自動(dòng)化加工和裝配生產(chǎn)線上，代替人工完成自動(dòng)化加工和裝配功能。,直線運(yùn)動(dòng)單元是一種將直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊化、規(guī)范化的運(yùn)動(dòng)單元，把絲桿、導(dǎo)軌、同步帶和同步帶輪、齒輪齒條等各種不同部件進(jìn)行精密的組裝，集成到一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元中。齒輪齒條傳動(dòng)較同步帶、絲杠，具有承載力大，傳動(dòng)精度較高，傳動(dòng)速度較高，可無(wú)限長(zhǎng)度對(duì)接延續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大版面鋼板、玻璃數(shù)控切割機(jī)，建筑施工升降機(jī)中。但缺點(diǎn)是制造及安裝精度要求高，成本高，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸和形狀誤差是產(chǎn)品裝配性能的主要保障。,二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r,“工業(yè)機(jī)器人”這種自動(dòng)化裝置出現(xiàn)的比較晚。它的研究工作是50年代初從美國(guó)開(kāi)始的。日本、前蘇聯(lián)、歐洲的研制工作比美國(guó)大約晚10年。但是日本的發(fā)展速度比美國(guó)快。歐洲特別是西歐各國(guó)比較注意工業(yè)機(jī)器人的研制和應(yīng)用，其中英國(guó)、德國(guó)、瑞典、挪威等國(guó)的技術(shù)水平較高，產(chǎn)量也較大。 我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚56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。但是改革開(kāi)放以來(lái)，得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的直角坐標(biāo)機(jī)器人： 按用途分：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂膠（點(diǎn)膠）機(jī)器人、檢測(cè)（監(jiān)測(cè)）機(jī)器人、分揀（分類(lèi)）機(jī)器人、裝配機(jī)器人、排爆機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、特種機(jī)器人等。按結(jié)構(gòu)形式分：壁掛（懸臂）機(jī)器人、龍門(mén)機(jī)器人、倒掛機(jī)器人等。按自由度分：兩坐標(biāo)機(jī)器人、三坐標(biāo)機(jī)器人、四坐標(biāo)機(jī)器人、五坐標(biāo)機(jī)器人、六坐標(biāo)機(jī)器人。 現(xiàn)代的直角坐標(biāo)機(jī)器人有許多突出的特點(diǎn)： 1， 多自由度運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角。 2， 自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行。 3， 一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。 4， 靈活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5， 高可靠性、高速度、高精度。 6， 可用于惡劣的環(huán)境，可長(zhǎng)期工作，便于操作維修。根據(jù)末端操作工具的不同，直角坐標(biāo)機(jī)器人可以非常方便的用作各種自動(dòng)化設(shè)備，完成如焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類(lèi)、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)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。,三、研究目標(biāo),1、通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)齒輪齒條直線單元的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 2、考察各種公差的建模與分析方法 3、提出可行的幾種公差設(shè)計(jì)方案 4、制作出齒輪齒條直線單元的實(shí)體模型。,四、研究?jī)?nèi)容,本課題的研究?jī)?nèi)容包括： 1、齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元二維裝配設(shè)計(jì)； 2、齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元三維裝配設(shè)計(jì)； 3、支撐機(jī)件關(guān)鍵零件加工圖設(shè)計(jì)； 4、齒輪齒條直線運(yùn)動(dòng)單元相關(guān)設(shè)計(jì)校核計(jì)算。,五、技術(shù)要求,1、機(jī)器人末端持重12kg 2、機(jī)器人末端重復(fù)性精度0.02mm 3、直線運(yùn)動(dòng)行程X軸2.6m，Y軸1m，Z軸0.6m 4、最高運(yùn)動(dòng)速度1m/s 5、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)：編碼器為2500p/r,六、研究方法和手段,在觀察現(xiàn)有設(shè)計(jì)和查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，掌握直角坐標(biāo)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，再根據(jù)已知數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)條件以及自己所學(xué)過(guò)的知識(shí)，進(jìn)行方案的初步設(shè)計(jì)，并繪制方案設(shè)計(jì)圖。再根據(jù)一些條件，校核所設(shè)計(jì)的方案是否符合要求。同時(shí)要和同組的同學(xué)以及老師密切聯(lián)系，共同探討設(shè)計(jì)方法和改進(jìn)方案，在指導(dǎo)老師的幫助下，順利完成論文。機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程： （1）使用要求的分析：每一個(gè)機(jī)器人都是根據(jù)特定的要求的產(chǎn)生而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的第一步就是要將使用要求分析清楚，確定設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮參數(shù)，包括： 機(jī)器人的定位精度，重復(fù)定位精度； 機(jī)器人的負(fù)載大小，負(fù)載特性； 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度數(shù)量，每自由度的運(yùn)動(dòng)行程；機(jī)器人的工作周期或運(yùn)動(dòng)速度，加減速特性； 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，動(dòng)作的關(guān)聯(lián)； 機(jī)器人的工作環(huán)境、安裝方式； 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)工作制、運(yùn)動(dòng)壽命； 其他特殊要求。 （2）本機(jī)械模型的初建：機(jī)器人從結(jié)構(gòu)分大體可分為龍門(mén)結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)、垂掛結(jié)構(gòu)，根據(jù)安裝空間的要求選擇不同的結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)特性都是不一樣的。后續(xù)設(shè)計(jì)必須是基于一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)。 （3）運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算：根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械手在各個(gè)位置的坐標(biāo)，看看能不能實(shí)現(xiàn)要滿(mǎn)足的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算運(yùn)動(dòng)時(shí)間，運(yùn)動(dòng)精度等等。 （4）力學(xué)特性分析：根據(jù)已知數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械手最大能承受的重量，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況等等。,（5）機(jī)械強(qiáng)度校核：也要進(jìn)行必要的關(guān)于強(qiáng)度方面的校核。 (6) 驅(qū)動(dòng)元件選擇常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：交流/支流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服 電機(jī)/直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。驅(qū) 動(dòng)器的作用是將弱電信號(hào)放大，將其加載在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)則 是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成精確的速度及角位移。需要計(jì)算的項(xiàng)目如下：電機(jī)功率：電機(jī)扭矩：電機(jī)轉(zhuǎn)速：減速機(jī)減速比電機(jī)慣量/負(fù)載慣量的匹配關(guān)系 （7）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在完成了上述幾項(xiàng)工作后，一個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人定位的雛形 就已經(jīng)在設(shè)計(jì)者的頭腦中形成了，接下來(lái)的工作就是將雛形畫(huà)成工程圖，以便生產(chǎn)。 之后用三維軟件Inventor進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便檢查是否存在位置干涉。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌 跡具有不確定性，靈活多變，往往在一個(gè)位置不存在位置干涉，但到下一個(gè)位置就 干涉了。 （8）設(shè)備壽命校核：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)這個(gè)裝置進(jìn)行壽命校核，看是否 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。,(9) 控制系統(tǒng)的選擇沒(méi)有控制系統(tǒng)的機(jī)器人就象人沒(méi)有大腦一樣，不能執(zhí)行任何動(dòng)作。所以我們通常將沒(méi)有配備控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)稱(chēng)為裸機(jī)或機(jī)器人定位系統(tǒng)（robot positioning system）。根據(jù)要求的不同，控制系統(tǒng)的選擇也不同，通常選擇作為控制系統(tǒng)的產(chǎn)品有：PLC 程序控制器；工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡（motion card）;數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)專(zhuān)于控制器 (10) 程序編寫(xiě)控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，程序是機(jī)器人的思想。程序的編寫(xiě)直接反應(yīng)設(shè)計(jì)者的思想、意圖和運(yùn)動(dòng)需求。編寫(xiě)程序是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但只要機(jī)器人總體設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，程序總會(huì)編出來(lái)的。編程序要注意以下問(wèn)題：對(duì)任務(wù)的分析要清晰，編程層次要分明，邏輯清晰,七、已具備的實(shí)驗(yàn)條件,本課題具有堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)工作基礎(chǔ)，包括進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)四自由度平面多關(guān)節(jié)樣機(jī)可供技術(shù)參考，前期平面多關(guān)節(jié)機(jī)器人的設(shè)計(jì)草圖可供設(shè)計(jì)時(shí)借鑒，并已收集了大量的相關(guān)產(chǎn)品樣本，可供設(shè)計(jì)選取相關(guān)零件。同時(shí)還有大量的關(guān)于直角坐標(biāo)機(jī)器人的相關(guān)文獻(xiàn)，可供仔細(xì)閱讀，參考借鑒。學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里有一些相關(guān)的實(shí)物，在日常生活中，也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種各樣的直角坐標(biāo)機(jī)器人或者類(lèi)似的有同樣功能的物體?，F(xiàn)有滾珠絲杠直角坐標(biāo)機(jī)器人詳細(xì)方案供參考。,八、實(shí)驗(yàn)方案的可行性分析,1、經(jīng)濟(jì)可行性 因?yàn)楸菊n題是在導(dǎo)師帶領(lǐng)下完成的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，同時(shí)因?yàn)椴恍枰鰧?shí)物，因此經(jīng)濟(jì)上不會(huì)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，可以實(shí)現(xiàn)本課題的制作和實(shí)驗(yàn)。只需要人，電腦和相關(guān)資料即可。 2、技術(shù)可行性 本課題有著完備的實(shí)驗(yàn)條件，相關(guān)方面的書(shū)籍也很多，對(duì)常用的機(jī)械系統(tǒng)仿真、設(shè)計(jì)軟件也很熟練。因?yàn)橹苯亲鴺?biāo)機(jī)器人是一個(gè)很成熟的設(shè)計(jì)，有很的產(chǎn)品可供參考。也有幾個(gè)同學(xué)在做和這個(gè)類(lèi)似的直角坐標(biāo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，可以相互交流和借鑒。,九、進(jìn)度安排,1、2.26-3.12 查找相關(guān)文獻(xiàn)并完成開(kāi)題報(bào)告 2、3.13-3.26 方案的初步設(shè)計(jì) 3、3.27-4.3 翻譯英文文獻(xiàn) 4、4.4-4.23 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)圖的繪制 5、4.24-5.14 進(jìn)行方案的修改確定 6、5.15-6.18 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及收尾工作，準(zhǔn)備答辯,十、參考文獻(xiàn),1 韓建海.工業(yè)機(jī)器人 M. 華中科技大學(xué)出版社，2009. 2 郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)M. 科學(xué)出版社，2008 3 葉輝，管小清.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧M. 機(jī)械工業(yè)出版社，2010 4 （加）安杰利斯 著，宋偉剛 譯.機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理理論、方法和算法M.機(jī)械工業(yè)出版社， 2004 5 胡仁喜等. Inventor中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例M. 機(jī)械工業(yè)出版社，2006 6Autodesk，Inc. Autodesk Inventor2011基礎(chǔ)培訓(xùn)教程M. 電子工業(yè)出版社，2011 7（美）克來(lái)格 著，贠超 等譯.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論M.機(jī)械工業(yè)出版社， 2006 8 張毅等.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社， 2007 9 芮延年.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M.化學(xué)工業(yè)出版社， 2008 10 熊有倫.機(jī)器人基礎(chǔ)M.華中科技大學(xué)出版社， 1996 11 于靖軍等.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社， 2008 12 蔡自興.機(jī)器人學(xué)（第二版）M.清華大學(xué)出版社， 2009 13 林以敏.機(jī)器人制作M.機(jī)械工業(yè)出版社， 2008,