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1、 . 工業(yè)機器人結構設計 00 （陜理工機械工程學院機自專業(yè)000班， 723003） 指導教師：000 [摘要]本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機器手硬件和軟件的組成，即plc控制的機械手的系統工作原理，機械手各個部件的整體尺寸設計，plc控制的特點。本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數。同時設計了機械手的夾持式手部結構，設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩。設計了機械手的手臂結構。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的plc型號，根據機械手的工作流程制訂了

2、可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 [關鍵詞]工業(yè)機器人 機械手 The Industrial robot design 000 （Grade00,Class00,MajorMechanical Design, Manufacturing and Automation，415Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi） Tutor：000 Abstract This paper

3、 introduces the concept of the composition of industrial robots, robot hardware and software, system working principle that plc manipulator control, the overall size of the various components of the robot design, plc control characteristics. In this paper, the robot overall program design, to determ

4、ine the coordinates of the robot forms and degrees of freedom to determine the technical parameters of the robot. While the design of the hand gripping structure of the robot type, the design of the structure of the robot wrist, the wrist required to calculate the rotation of the driving torque and

5、driving torque of the rotary cylinder. Designed a robot arm structure. The programmable logic controller for robot control, select the appropriate plc model, according to the workflow robot control scheme developed programmable controller, draw a timing diagram of the robot's work and draw a program

6、mable control device control program. KeywordIndustrial robot manipulator 目錄 目錄3 1引言5 1.1選題的目的與研究意義5 1．2綜述與本課題相關領域的研究現狀、發(fā)展趨勢、研究方法與應用領域等5 1.3對本課題將要解決的主要問題與解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術路線）或設計（實驗）方案進行說明，論文要寫出相應的寫作提綱6 2工業(yè)機器人的結構設計8 2．1手部結構設計8 2.1.1 手指的形狀和分類8 2.1.2設計時考慮的幾個問題8 2.1.3 手部夾緊

7、氣缸的設計9 2.2腕部回轉關節(jié)的設計(Y軸回轉)12 2.2.1步進電機的選擇：12 2.2.2 Y軸進給的設計13 2.2.3 Z軸進給的設計20 2.2.4 Z軸旋轉設計26 3 傳動系統的設計28 3.1 確定減速器總傳動比與各級傳動比28 3.2計算傳動裝置的運動和運動參數28 3.3 圓錐齒輪傳動的設計計算29 4 軸的計算和設計33 4.1 軸一的設計33 4.2軸二的設計36 5 滾子軸承的校核41 5.1滾子軸承校核41 6 鍵的校核42 6.1軸一鍵校核42 6.2 軸二間校核42 7 潤滑方式與密封形式的選擇43 7.1潤滑方

8、式43 7.2 密封形式的選擇43 8 減速箱體設計44 8.1 箱體設計44 9 系統設計與PLC控制系統設計46 9.1系統的設計46 9.2 機械手的PLC控制系統設計46 結論48 致49 參考文獻50 1引言 1.1選題的目的與研究意義 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有

9、待于進一步實現機械化。機器人的出現并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”：多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機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化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 而少自由度工業(yè)機械人多數為機械手，而機械手機器人主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持

10、型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 　　機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 1.2綜述與本課題相關領域的研究現狀、發(fā)展趨勢、研究方法與應用領域

11、等 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以與人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統一，分類也不盡一樣。最近聯合國國際標準化組織采納了美國機器人協會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。 據國際機器人聯盟（IFR）2006年5

12、月發(fā)布的“2006世界機器人調查”顯示，2005年世界新安裝工業(yè)機器人121000臺，比2004年的97000臺增長25%。這是繼2003年工業(yè)機器人安裝數量重回增長態(tài)勢后的重大突破，2005年也成為近15年來世界工業(yè)機器人新安裝臺數最多的年份，比上一個峰值――2000年的99000臺增長22000臺。 據國際機器人聯盟統計局預測，截至2005年底，全世界在運行中的工業(yè)機器人共有914000臺，比2004年增加8%。其中，有50%來源于亞洲地區(qū)；歐洲和美洲分別占1/3和16%；而澳大利亞和非洲地區(qū)大概占1%的比例。 就2005年幾大應用領域的工業(yè)機器人類型來看，機械手的產量遙遙領先于其他類

13、型的工業(yè)機器人，約達到43500臺。其中，亞洲地區(qū)機械手的產量比2004年增加了27%；美洲地區(qū)機械手的產量幅度更是高達53%；雖然歐洲地區(qū)2005年機械手的產量比上年略有下降，但其產量仍接近14000臺。接下來依次是：點焊接機器人、弧焊機器人、裝配機器人和分配機器人，其產量分別約為20500臺、17500臺、13000臺和4500臺。 20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，采用伺服機構和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人； 60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產中得到應用； 1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)

14、機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經過20多年的發(fā)展，大致經歷了3個階段： 70年代的萌芽期， 80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。?我國工業(yè)機器人經過20多年的發(fā)展已經初具規(guī)模。目前我國已生產出部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產工業(yè)機器人已服務于國諸多企業(yè)的生產線上；一批機器人技術的研究人才也涌現出來。一些相關科研機構和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人控制、驅動系統的硬件設計技術；機器人軟件的設計和編程技術；運動學和

15、軌跡規(guī)劃技術；弧焊、點焊與大型機器人自動生產線與周邊配套設備的開發(fā)和制備技術 “乘機安全小貼士”安全出行要重視等。某些關鍵技術已達到或接近世界水平。 雖然中國的工業(yè)機器人產業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術，目前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流與未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經大量使用工業(yè)機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用

16、實踐表明，工業(yè)機器人的普與是實現自動化生產，提高社會生產效率，推動企業(yè)和社會生產力發(fā)展的有效手段。 機器人技術是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術領域。國際電氣電子工程師協會IEEE的科學家在對未來科技發(fā)展方向進行預測中提出了4個重點發(fā)展方向，機器人技術就是其中之一。?一個國家要引入高技術并將其轉移為產業(yè)技術（產業(yè)化）必須具備5個要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。廣泛使用機器人是實現工業(yè)自動化，提高社會生產效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機器人產業(yè)，引進國外技術和設備，培養(yǎng)人才，打開市場。 1.3對本課題將要解決的主

17、要問題與解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術路線）或設計（實驗）方案進行說明，論文要寫出相應的寫作提綱 在本次設計中，擬應用到的文獻涉與機械原理機械設計類，機械繪圖類，機械工程控制類，機械工程材料和力學以與工業(yè)機器人或工業(yè)機器人手臂相關的資料，在設計過程中這些材料可以首先幫我們從整體上了解與機器人手臂相關的技術以與現在國外的發(fā)展趨勢；其次，利用這些資料，可以在設計過程中進行合理的結構分析和設計方案的初步制定；最后，機器人手臂設計過程中的所需材料的選擇，設計與校核計算，運動過程的控制以與其他的注意事項，都可以在相關文獻資料中得到一些指導與幫助。機器人本體由機座、腰部、大臂、小臂、手腕、

18、末端執(zhí)行器和驅動裝置組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉、手腕俯仰、手腕側擺。?機器人采用電動機驅動。這種驅動方式具有結構簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現代機器人應用最多的驅動方式。為實現機器人靈活自由地移動，驅動系統使用了蓄電池供電。電動機可以選擇步進電機或直流伺服電機。使用直流伺服電機能構成閉環(huán)控制，精度高，額定轉速高，但價格較高，而步進電機驅動具有成本低，控制系統簡單的優(yōu)點。確定這種機器人的6個關節(jié)都采用步進電驅動，開環(huán)控制。各部件組成和功能描述如下： ? (1)?底座部件：?底座部件包括底座、回轉部件、傳動部件和步進電機等。底座部

19、件固定在自動引導車（AGV）上，支持整個操作機，步進電機固定在底座上，一級同步帶傳動將運動傳遞到腰部回轉軸，同時起到減速作用。? （2）腰部回轉部件：腰部回轉部件包括腰部支架、回轉軸、支架、諧波減速器和步進電機、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉運動。在腰部支上固定著驅動大臂俯仰和小臂俯仰的電機。? (3)?大臂部件：包括大臂和傳動部件。? (4)?小臂部件：包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驅動手腕三個運動的步進電機。? (5)?手腕部件：包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等? (6)?末端執(zhí)行器：為抓取不同形狀、不同材質的物

20、體，末端執(zhí)行器設計得開合圍比較大，為?0～100mm?？紤]在指尖的平面上貼傳器片，進行力的控制。? 從功能角度分析可將機器人分解成四個部分：操作機、末端執(zhí)行器、傳感系統、控制器。 操作機：是由機座、手臂和手腕、傳動機構、驅動系統等組成，其功能是使手腕具有某種工作空間，并調整手腕使末端執(zhí)行器實現作業(yè)任務要求的動作。 末端執(zhí)行器：也叫工業(yè)機器人的手部，它是安裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。 傳感器系統：是指要機器人與人一樣有效的完成工作，必須對外界狀況進行判斷的感覺功能。與機器人控制最緊密相關的是觸覺視覺適合于檢測對象是否存在，檢測其大概位置、姿勢等狀態(tài)。

21、相比之下，觸覺協助視覺，能夠檢測出對象更細微的狀態(tài)。 控制器：機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。主要是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序與動作時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交換界面、在線操作提示和使用方便等特點。在機器人中采用的控制系統有：點位的和輪廓的；同步的和異步的；數字的和模擬的。可根據機器人的技術與經濟要求與工藝任務的特點來選擇系統的具體方案。 2工業(yè)機器人的結構設計 2.1手部結構設計 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構

22、形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 2.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為卡式(或漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其

23、軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 2.1.2設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證攻堅不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 兩手指開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動

24、定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。 2.1.3 手部夾緊氣缸的設計 1、手部驅動力計算 本課題氣動機械手的手部結構如圖3-1所示： 圖3-1 齒輪齒條式手部 其工件重量G

25、=3kg， V形手指的角度，,摩擦系數為 (1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: (2-1) (2)根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以 (3)實際驅動力: (2-2) 1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推 力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (2-3) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻

26、力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: = 式中: - 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m. - 活塞行程，m. - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑,m. - 彈簧有效圈數. - 彈簧材料剪切模量，一般取. 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: (2-4) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (2-5) 代入有關數據，可得 所以 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有:

27、 其中 []， 則: 滿足實際設計要求。 3、缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (2-6) 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 2.2腕部回轉關節(jié)的設計(Y軸回轉) 2.2.1步進電機的選擇： 腕部旋轉由步進電機直接驅動，設手爪與物體的最大當量回轉半徑R=90mm，手爪與物體的總重量m=3.5kg

28、,則其轉動慣量： 設機器人手部角速度W1=3.14rad/s所需要的時間t=0.3s,則其角加速度: 負載啟動慣性矩（不計靜磨擦力矩）: 。 由于步進電機不具有瞬時過載能力，故取安全系數為2（不同），則步進電機輸出的啟動轉矩: 。 由于必須小于步進電機的最大靜轉矩，所以選擇如下二相步進電機： 型號:42BYG250B-0151。最大步距角保持轉矩為0.43，步矩角1.8°，質量為0.23kg,電機外形尺寸：424240. 絲杠螺母機構設計計算： 2.2.2 Y軸進給的設計 1.機構選擇和材料選擇： 由于傳動機構不需要高精度和高效率的傳動，因此本次設計采用

29、一對梯形螺桿、螺母的滑動螺旋傳動。螺桿螺母的螺紋一般選用梯形螺紋，因其傳動效率較高。本設計中螺桿螺母需要具有自鎖的功能，這是使用螺桿螺母機構的最主要原因。 因為機構受力不大，且為轉速較低的傳動。螺桿采用45號鋼制造，螺母需要較好的耐磨性，選用鑄錫青銅。 2.水平絲杠設計計算： 絲杠直徑校核： 末端手抓、氣缸與旋轉電機質量為：7kg.，螺母與伸出桿質量為5kg。 設計加速度為a=10m/s 查表的剛-剛動摩擦因數：f=0.2 則：絲杠軸向載荷:F=fG+ma=1210+12100.2=144N 如圖所示，螺桿受到的軸向力為F(單位為N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影

30、到垂直于軸向力的平面上的面積）為A（單位為mm2），螺紋中徑為d2（單位為mm），螺紋工作高度為h（單位為mm）螺紋距為P（單位為mm），螺母高度為H（單位為mm），螺紋工作圈數為u=H/P,則螺紋工作面上的耐磨性條件為： 為了導出設計計算式，令=H/d2。代入上式可得： 對于矩形和梯形螺紋，h=0.5P則 由表5-12可知:[P]取18MP,對于整體螺母，由于磨損后不能調整間隙，為使受力比較均勻，螺紋工作圈數不宜過高，故取=1.2。代入公式得 故初選絲杠d2=29mm，螺距p=6mm 此選用的螺桿，其參數為： 公稱直徑 d 螺距 P 中徑 大徑

31、 小徑 32 6 29 33 25 26 表：滑動螺旋副材料的許用壓力[ P] 螺桿—螺母的材料 滑動速度 許用壓力 鋼—青銅 低速 18-25 ≤3.0 11-18 6~12 7-10 >15 1-2 鋼—鋼 低速 10-13 鋼—鑄鐵 <2.4 13-18 6~12 4-7 注：當ф＜2.5或人力驅動時，[p]值可提高20％；若為剖分螺母時則[p]值應降低15～20％。 螺紋牙強度計算 螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母。 參考文獻 [1].

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