機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-工業(yè)機(jī)器人設(shè)計【全套圖紙】

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1、編編 號號 無錫太湖學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 題目：題目： 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 機(jī)電 系系 機(jī)械工程及自動化 專專 業(yè)業(yè) 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱：副教授 ） 2012 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計 （論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成

2、果作品。 班 級： 機(jī)械 94 學(xué) 號： 0923195 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 II I 無無錫錫太太湖湖學(xué)學(xué)院院 機(jī)機(jī)械械 系系 機(jī)機(jī)電電一一體體化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 工業(yè)機(jī)器人對于人類來說是當(dāng)今世界最為突出的發(fā)明之一，人類對機(jī)器 人深入的進(jìn)行研究。在上個世紀(jì)的 70 年代以后，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感 技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究也進(jìn)入了高速發(fā)展的階 段，成為綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、

3、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué) 等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的 綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。機(jī)器人應(yīng)用水平是一 個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。 本課程通過對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計，幫助自身加深對的理解和提高對其專業(yè) 知識機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)機(jī)器人、傳動、實(shí)體建模、有限元分析等方 面的相關(guān)內(nèi)容的運(yùn)用能力。 3、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 了解工業(yè)機(jī)器人設(shè)計原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； 完成工業(yè)機(jī)器人設(shè)計的總體方案設(shè)計； II 完成有關(guān)零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及氣動系統(tǒng)設(shè)計； 熟練掌握有

4、關(guān)計算機(jī)繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合 A0 不少 于 2.5 張； 完成設(shè)計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 。 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 94 班班 姓名姓名 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學(xué)科組組長研究所所長學(xué)科組組長研究所所長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2013 年年 11 月月 12 日日 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 III

5、 摘摘 要要 在生產(chǎn)過程工業(yè)機(jī)械手是模擬人手動作的機(jī)械設(shè)備，它可以替代人工搬運(yùn)重物或單 調(diào)，在高粉塵，高溫，有毒，易燃，放射性和其他相對較差的工作環(huán)境。機(jī)器人可用于 在生產(chǎn)過程中的自動化抓住并移動工件自動化設(shè)備，它是在生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動化， 開發(fā)出一種新的類型的設(shè)備。近年來，隨著電子技術(shù)，特別是計算機(jī)的廣泛使用機(jī)器人 的開發(fā)和生產(chǎn)的高科技領(lǐng)域已成為迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)，它更促進(jìn)機(jī)器人的發(fā) 展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能夠代替人類完成 危險、減輕人類勞動強(qiáng)度、重復(fù)枯燥的工作，提高勞動生產(chǎn)力。 本設(shè)計是關(guān)于三自由度的圓柱形機(jī)械手。利用 Auto CAD 軟

6、件對制件進(jìn)行設(shè)計繪圖。 其包括夾持器、小臂、大臂和底座。明確合理的設(shè)計思路，確定了機(jī)械手工作原理并對 然夾持器、氣缸、步進(jìn)電機(jī)、軸承進(jìn)行了校核計算并附帶了簡圖并對零件的質(zhì)量、重心、 慣性主軸和慣性力矩進(jìn)行輔助設(shè)計計算，可以大大減輕在設(shè)計過程中繁瑣計算及校核步 驟。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣缸，校核。 IV Abstract Industrial manipulator is the mechanical equipment which is used in the production process and simulate to the behave of hands with elec

7、trical integration. It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production p

8、rocess and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology wh

9、ich is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of

10、people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the worki

11、ng principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculati

12、on and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking V 目錄目錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目錄 V 1 緒論 1 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 .1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況 .1 1.3 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計內(nèi)容 .2 1.4 機(jī)械手設(shè)計的作用 .2 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類和組成 .2 2 手部的設(shè)計 5 2.1 機(jī)械手設(shè)計參數(shù)和運(yùn)動方案 .5 2.1.1 運(yùn)動方案 5 2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇： 5 2.2 手部設(shè)計的結(jié)構(gòu)和計算 .6 2.2.1 機(jī)械手的基本要求 6

13、 2.3 手部力的計算 .7 2.3.1 夾緊力的計算 7 2.3.2 手爪驅(qū)動氣缸的設(shè)計 8 2.3.3 手部誤差的分析 .10 3 機(jī)械手臂的設(shè)計 .12 3.1 機(jī)械小臂設(shè)計 12 3.1.1 小臂驅(qū)動力的計算 .12 3.1.2 小臂驅(qū)動氣缸的設(shè)計 .13 3.1.3 氣缸筒壁厚的計算 .14 3.1.4 氣缸的選用 14 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 .14 3.1.6 小臂剛度校核 .15 3.1.7 端蓋的連接方式及強(qiáng)度計算 .15 3.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 3.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)和要求 .17 VI 3.2.2 驅(qū)動力的計算 .17 3.2.3 大臂驅(qū)動氣缸的設(shè)計 .17

14、3.2.4 氣缸的選擇 .18 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 .18 3.2.6 大臂剛度校核 .19 4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 .20 4.1 軸承的設(shè)計 20 4.1.1 軸承的選擇 .20 4.1.2 軸承的計算： .20 4.1.3 軸承的壽命校核： .21 4.2 電機(jī)的基本情況和選擇 22 4.2.1 電機(jī)的選則與計算 .22 4.2.2 注意事項(xiàng) .23 4.2.3 工作原理 .24 4.2.4 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) .24 4.3 諧波減速器 24 4.3.1 諧波減速器的簡介 .24 4.3.2 諧波減速器的設(shè)計 .25 4.4 腰座的結(jié)構(gòu) 26 5 總 結(jié) 28 致 謝 29 參考文獻(xiàn)

15、.30 附 錄 .31 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 1 1 緒論緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義本課題研究的內(nèi)容和意義 機(jī)械工業(yè)是國民的基本部分。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計是一項(xiàng)綜合設(shè)計與機(jī)械制造，機(jī)電 工程等專業(yè)聯(lián)系一起。通過這次設(shè)計提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析能力，機(jī)電一體化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計的設(shè)計能力提升。來學(xué)習(xí)一些生產(chǎn)時的設(shè)計方法。 工業(yè)機(jī)械手是近十年來發(fā)展起來的，一種高科技自動生產(chǎn)。這體現(xiàn)了人類智能和適 應(yīng)性，機(jī)械手能在各個環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來，氣動技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各個生產(chǎn)線上的應(yīng)用。 可編程控制和氣動驅(qū)動相結(jié)合，使整個自動化系統(tǒng)更高級

16、。控制更加的靈敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計是機(jī)械設(shè)計，機(jī)電一體化，機(jī)械制造等我們學(xué)習(xí)的專業(yè)中一個重要 的環(huán)節(jié)，是學(xué)完有關(guān)專業(yè)課和教學(xué)基礎(chǔ)課程的一次專業(yè)的綜合設(shè)計。學(xué)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè) 計和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過這次學(xué)習(xí)得到了掌握生場自動化的設(shè)計技 能。 經(jīng)過這次設(shè)計，可以把有聯(lián)系的課程（氣動技術(shù)，機(jī)械設(shè)計，機(jī)械原理，測試技術(shù)， 危機(jī)計算機(jī)原理等）中我們所知道的理論性知識加以運(yùn)用，從而得到鞏固和發(fā)展，讓理 論和實(shí)際得到了更好的結(jié)合。所以說機(jī)械手設(shè)計是一門比較綜合的設(shè)計。 經(jīng)過這次設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析機(jī)械設(shè)計的能力，樹立了正確的設(shè)計思想和思 維，掌握了機(jī)電一體化一些機(jī)電產(chǎn)品

17、的步驟和基本設(shè)計方法，這樣為今后自動化的設(shè)計 打下了良好的基礎(chǔ)。 通過本次的機(jī)械手的設(shè)計，讓學(xué)生熟練的去掌握和運(yùn)用一些相關(guān)的知識，比如參考 資料還有范文章結(jié)構(gòu)。是學(xué)生具有一個設(shè)計人員應(yīng)該具有的基本設(shè)計技能1。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況國內(nèi)外發(fā)展概況 現(xiàn)在對于國內(nèi)的情況，機(jī)械手大部分的使用在各個領(lǐng)域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機(jī)床的加工上。當(dāng)然我們在生產(chǎn)過程中會有很多的困難。比如說：形式復(fù)雜和環(huán)境 溫度過于高這些都影響著生產(chǎn)。但我們可以提供這方面的技術(shù)解決困難，讓機(jī)械手更好 的工作為了更好的得機(jī)械手的能力，我們要提高它的性能和速度。在其它行業(yè)和工業(yè)部 門，也隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大

18、機(jī)械手的使用。 現(xiàn)在對于國外在行業(yè)中運(yùn)用機(jī)械手有很多。美國首先把機(jī)械手運(yùn)用于搬運(yùn)一些對人 體具有傷害的放射性物質(zhì)。國外實(shí)質(zhì)上是使用的是定位控制機(jī)械手，他沒有視覺上和觸 覺上的反饋。世界各地正在積極地研究視覺和觸覺上有反饋的機(jī)械手，讓他能夠準(zhǔn)確的 來定位工件的位置和準(zhǔn)確的夾持工件。為了判斷機(jī)械手抓取的是否是工件，她有視覺傳 感器輸入 三個方向的視覺的信息，因此，在計算機(jī)圖形分析，以確定是否抓取工件。目前主要運(yùn) 用在機(jī)床，壓力機(jī)的下料和橫斷壓力機(jī)的下料，以及噴漆和點(diǎn)焊等作業(yè)。在國外發(fā)展機(jī) 械手的趨勢是加大力度研制具有某種智能能力的機(jī)械手。讓其具有一定的傳感的能力， 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 對

19、于外界的變化能夠反饋，并相應(yīng)的做出反應(yīng)和變更。如果有一個位置稍有偏差，即是 能夠自我糾正，但也可以檢測，強(qiáng)調(diào)視覺功能和觸覺功能的研究。已經(jīng)取得了一些成果。 世界高端工業(yè)機(jī)器人，高精密，高速，多軸，輕量級的趨勢。符合要求的微米和亞微米 級的定位精度，它的運(yùn)行速度可達(dá)到 3M/S 的新產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)六軸負(fù)載 2KG 生產(chǎn)系統(tǒng)量 已超過總重量為 100KG。更重要的是，機(jī)器人手的柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合， 從根本上改變當(dāng)前系統(tǒng)的手動操作的機(jī)械制造狀態(tài)。同時，隨著機(jī)器人和小型化再小型 化，其應(yīng)用將超過傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，向電子，生物，生命及科學(xué)，航空和航天等高端產(chǎn) 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機(jī)械手

20、設(shè)計內(nèi)容工業(yè)機(jī)械手設(shè)計內(nèi)容 機(jī)電一體化技術(shù)是集合機(jī)械工程、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等形成的一種綜合的技 術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品種類比較多，但由于他們形式和復(fù)雜程度還有功能的不同， 做工的機(jī)械本體部分是最基本的，必不可少的因素。工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計在內(nèi)容和知識還 有深度上都是適中的。 我們所要設(shè)計的是擬定整體的方案，驅(qū)動裝置和傳動裝置的方案。根據(jù)自由度選擇 和合適的參數(shù)選擇合適的手部和腕部還有臂和機(jī)身的結(jié)構(gòu)。完成各部分的計算。工業(yè)機(jī) 械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制。氣壓系統(tǒng)的設(shè)計。機(jī)械手的運(yùn)動分析。最后寫上說明書。 1.4 機(jī)械手設(shè)計的作用機(jī)械手設(shè)計的作用 機(jī)械手的廣泛運(yùn)用可以歸納為以下幾方面： 1）建

21、造軸類、盤類、環(huán)類的自動線。一般采用的都是機(jī)械手在傳送帶之間或機(jī)床之 間傳送工件。深井泵廠自動生產(chǎn)線在沈陽和大連軸承 4 軸和 5 軸加工自動馬達(dá)線軸等， 已成為國內(nèi)汽車生產(chǎn)線。 2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化方面。各種的半自動化機(jī)床都有夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松 開等反面的功能。不過還需要人去上下料。如果實(shí)現(xiàn)自動化只需要一個人去看管機(jī)器。 現(xiàn)在機(jī)械手在這方面運(yùn)用的有很多。一些國產(chǎn)機(jī)在出廠時附帶機(jī)械手，安裝機(jī)器人的用 戶提供了條件。 3）國內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn) 3T，5T，10T 鍛造錘，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)爐下部，兩個機(jī)器人放置在爐子前 有一定的角度，從而使材料的自動化。 總的來說：對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替危險的事物和對人

22、有害的操作，長時間工作 對人有害的場所，對于機(jī)械手是沒有影響的。只要合理的設(shè)計，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質(zhì)、滅火等環(huán)境中都能自如的工作。 機(jī)械手的持久度和耐勞性能強(qiáng)，可以把人們從單調(diào)的勞動中解救出來。甚至擴(kuò)大了 人的功能，他進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修、檢修即能實(shí)現(xiàn)長時間的單調(diào)重復(fù)的工作，有與機(jī)械手工 作精確度高，可以避免認(rèn)為的操作錯誤。 機(jī)械手靈活性好，能適應(yīng)產(chǎn)品的變化。因?yàn)闄C(jī)械手的運(yùn)動程序和運(yùn)動位置能夠十分 靈活的改變。因?yàn)樗淖杂啥龋帜芴峁┭杆俑淖冏鳂I(yè)內(nèi)容。在小批量生產(chǎn)中，起著重 要的作用。采用機(jī)械手能明顯提高勞動生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 3 1.5 工業(yè)機(jī)械手的分類

23、和組成工業(yè)機(jī)械手的分類和組成 按規(guī)格分類：微型的重量在 1kg 以下； 小型的重量在 10kg 以下 ；中型的 重量在 50kg 以下；大型的重量在 200kg 以下。 按功能分類： （1）簡易型工業(yè)機(jī)械手。有兩個固定的程序，近年來普遍采用可編程控制器組成控 制系統(tǒng)。這種機(jī)械手氣動的和液動的為主，因?yàn)檫@個結(jié)構(gòu)簡單而且價格便宜。運(yùn)用于一 些簡單的單機(jī)搬運(yùn)工作已經(jīng)足夠了，所以這種的工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量很多。 （2）記憶再現(xiàn)性工業(yè)機(jī)械手。這種機(jī)械手的移動設(shè)備通過人工領(lǐng)了一遍，然后記錄 原始的程序存儲器，所以機(jī)器人可以重復(fù)上述動作。 （3）智能機(jī)械手。是由傳感器控制的，具有視覺，還有觸覺，還有行走功能和熱覺

24、。 按用途分類：專用機(jī)械手和通用機(jī)械手。獨(dú)立的控制系統(tǒng)，專用機(jī)械手，這種機(jī)械 手的動作固定的對象變量，可靠，適用于大批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)。通用機(jī)械手的工作 范圍大、通用性強(qiáng)。適用于中和小批量生產(chǎn)2。 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和動力機(jī)構(gòu)組成。如圖 1.1 圖 1.1 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)它主要有夾持器、臂部、腰座和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 傳力機(jī)構(gòu)有很多的形式，比如有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜鍥杠桿式、絲杠螺 母式、彈簧式和重力式。 傳動機(jī)構(gòu)主要組成部分手臂可以有 3 個自由度，可以采用的是圓柱型坐標(biāo)系、直角 坐標(biāo)系。球坐標(biāo)系和多關(guān)節(jié)四種坐標(biāo)系，這四種方式。圓柱型坐標(biāo)占的空間比較小

25、，工 作范圍也小但是他慣性大并且不能抓物體的底面。直角坐標(biāo)工作范圍下而且占的空間大， 最關(guān)鍵是自由度少。球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)式占有的空間小、慣性小嗎、動力小、工作范圍也 小還能抓一個底面的物體，唯一的缺點(diǎn)就是多關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，一般很少用到。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)有氣動、液動、電動和機(jī)動這四種方式。液動輸出高，臂力可以達(dá)到 1000N 以上，能夠?qū)崿F(xiàn)連環(huán)的控制，是工業(yè)機(jī)械手的用途更加的廣泛。氣動式不僅速度快、結(jié) 構(gòu)簡單而且成本低。有較高的定位精度但是臂力在 300N 以下。所以不同的場合適合用不 同的驅(qū)動方式。 控制機(jī)構(gòu) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工件 位置檢測裝置 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 控制系統(tǒng)有連續(xù)型控

26、制和點(diǎn)控制兩種方式。大多數(shù)的點(diǎn)位控制都用的是插銷板和可 編程控制器和計算機(jī)來控制。用磁盤磁帶等來記錄程序。主要控制其坐標(biāo)的位置，并注 意其加速度的特性。 這邊將設(shè)計圓柱型機(jī)械手，圓柱型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單容易上手。圓柱形機(jī)械手簡圖 1.2 1手爪 2氣缸 1 3氣缸 2 4氣缸 3 5諧波減速器 6步進(jìn)電 機(jī) 圖 1.2 圓柱型機(jī)械手簡 這設(shè)計為具有一個指導(dǎo)原則。畢業(yè)設(shè)計的原則是：使命陳述為根本設(shè)計目標(biāo)要求的 具體設(shè)計要求，充分考慮機(jī)器人的工作環(huán)境和過程的具體要求。符合技術(shù)要求的基礎(chǔ)上， 盡可能多地具有結(jié)構(gòu)簡單，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的通用元件配件，以降低成本， 同時提高了可靠性。本著科學(xué)，經(jīng)濟(jì)和

27、滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，還要考慮設(shè)計畢業(yè)設(shè) 計的特點(diǎn)，在大學(xué)所學(xué)到的知識，如機(jī)械設(shè)計，機(jī)械原理，氣動，電氣傳動與控制， ，電 子技術(shù)，自動控制，機(jī)械系統(tǒng)仿真盡可能的設(shè)計的綜合運(yùn)用知識，設(shè)計對鞏固和加強(qiáng)， 考慮到個人能力水平和大學(xué)水平的知識客觀現(xiàn)實(shí)的時候，充分發(fā)揮個人的積極性，樸實(shí) 的，現(xiàn)實(shí)做設(shè)計3。 1 2 3 4 5 6 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 5 2 手部的設(shè)計手部的設(shè)計 2.1 機(jī)械手設(shè)計參數(shù)和運(yùn)動方案機(jī)械手設(shè)計參數(shù)和運(yùn)動方案 2.1.1 運(yùn)動方案運(yùn)動方案 機(jī)器人為了工作有一執(zhí)行機(jī)構(gòu)被稱之為手爪。手不直接用于裝夾工件的手結(jié)構(gòu)是多 樣的，有不同的材料屬性，以及不同的表面條件。方案設(shè)計圖 2.1 圖

28、 2.1 機(jī)械設(shè)計方案 方案一：采用較大的回轉(zhuǎn)半徑，在相同轉(zhuǎn)速的條件下，由于回轉(zhuǎn)的角度較小，故所 需的時間較短；但他也有它自身的缺點(diǎn)，他回轉(zhuǎn)臂較長。這樣回轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動時的轉(zhuǎn) 動慣量和偏重力矩比較大；可以考慮使用配重塊來調(diào)整，但會影響整體的設(shè)計結(jié)構(gòu)，并 且增加整機(jī)的重量。 方案二：采用較小的回轉(zhuǎn)半徑，可以減少其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩。在 相同轉(zhuǎn)速的條件下，由于回轉(zhuǎn)的角度較大，故所需的時間較長，但可以考慮適當(dāng)提高轉(zhuǎn) 速來滿足要求。 綜上兩種方案，決定采用方案二。 設(shè)計時的主要參數(shù)主要參數(shù) ： （1）抓取重量 200N。 （2）的最大工作范圍：根據(jù)所選擇的形式的運(yùn)動，按最大的自由度來決定。

29、 （3）運(yùn)動速度：根據(jù)設(shè)計過程中實(shí)際情況進(jìn)行確定。 （4）定位精度：采用機(jī)械擋塊定位機(jī)構(gòu)，定位精度3mm。 2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇：驅(qū)動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇： （1）驅(qū)動系統(tǒng) （2）腰座回轉(zhuǎn)運(yùn)動上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，具有更好的控制性，還有定位 精確，小體積等特點(diǎn)。 （3）剩余的移動考慮氣動驅(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低能量 工 件 傳送帶 工件 傳送帶 方案 1 方案 2 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （4）位置檢測裝置 （5）行程檢測裝置使用行程開關(guān)，機(jī)械擋塊，它是通常使用的運(yùn)動少低速專用機(jī)械 手和較高的使用壽命，成本相對于便宜等。 （6）腰座的角位移一

30、般采用位置傳感起來檢測。 結(jié)構(gòu)布置上的要求： 臂部要防止偏重；加強(qiáng)臂部剛度；改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度。 設(shè)計方法： 在整體設(shè)計完成的主要參數(shù)是確定的，設(shè)計中的整體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。在設(shè)計過程中 進(jìn)行檢查的每個部分上的部件的質(zhì)量，密度，體積，重心，轉(zhuǎn)動慣量和慣性主軸計算機(jī) 輔助設(shè)計計算，可以很好的減少在設(shè)計過程中繁瑣的計算和檢查程序。 根據(jù)機(jī)械手部分的相互關(guān)系，采用從：末端執(zhí)行器小臂大臂機(jī)座的順序進(jìn)行 設(shè)計4。 2.2 手部設(shè)計的結(jié)構(gòu)和計算手部設(shè)計的結(jié)構(gòu)和計算 2.2.1 機(jī)械手的基本要求機(jī)械手的基本要求 （1）要有夾緊力和驅(qū)動力，手部力量要適當(dāng)，過小就夾持不住，松動、脫落。 那么結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)

31、，耗能大。 （2）手指要有足夠的角度開閉，一邊抓取和退出工件。 （3）要有準(zhǔn)確的夾持精度，有準(zhǔn)確的相對位置 （4）要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 （5）還要考慮到適應(yīng)環(huán)境的特殊性。比如說在高溫環(huán)境下、沖擊力比較大的環(huán)境、 腐蝕性比較輕的環(huán)境下。 這次設(shè)計的是：采用滑槽杠桿式，雙支點(diǎn)夾持物體，運(yùn)用力矩原則把手閉合，持體。 基本結(jié)構(gòu)的分析 5 本次采用的是滑槽桿手爪 圖 2.2 圖 2.2 滑槽手爪 表示支點(diǎn)到對稱中心的距離單位為 mm。 表示支點(diǎn)到工件中心的距離單位為ab mm。 表示手爪夾緊時滑槽方向與兩支點(diǎn)間的夾角。 表示銷中心的位置到支點(diǎn)中心距c b 2 1 a c 連 桿 工件 工業(yè)機(jī)器人

32、設(shè)計 7 離。 在杠桿 3 向下的力的作用，銷軸會有一個向上拉力為F,則滑槽對銷軸有方作用力。 圖 2-3 手爪受力分析 由 得 0F (2.1)21FF 由 得 0YF (2.2) cos2 1 F F 力矩等于零得 OM (2.3)bFcFN1 (2.4) cos a c 將（2.4）式 (2.5) 2 cos 2 a b F 式中的 表示支點(diǎn)到對稱中心的距離單位為 mm。表示支點(diǎn)到工件中心的距離單位ab 為 mm。 表示手爪夾緊時滑槽方向與兩支點(diǎn)間的夾角。 分析表明，當(dāng)驅(qū)動力 F 是常數(shù)，角度的增大，握力也增加，但角度太一般的原因的 桿的行程太大，增加手的結(jié)構(gòu)的，所以最好= 0 30 0

33、 40 2.3 手部力的計算手部力的計算 2.3.1 夾緊力的計算夾緊力的計算 增加手指夾緊力工件手主要的設(shè)計基礎(chǔ)。大小，方向和作用點(diǎn)，必須加以分析和計 算。一般的狀況下，需要克服靜載荷和運(yùn)動產(chǎn)生的工件的負(fù)荷狀態(tài)下工件原料的重力而 所產(chǎn)生的慣性力，這樣工件保持一個穩(wěn)定的夾緊的狀態(tài)。 6 工件被手指夾緊的夾緊力可按下式計算： (2.6)GKKKFN 321 式中 安全系數(shù)，一般取 1.22.0； 1 K 動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 2 K g a 1K2 (2.7) F F2 F1 C F1 FN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 其中 a 是重力方向上升時所產(chǎn)生的最大加速度；g 是重力方向向

34、下加速度一般取 9.8 或 1sm/sm/ (2.8) max max t v 運(yùn)載時上升的最大速度； max v 系統(tǒng)所要達(dá)到最高速度時所需的時間，一般選取 0.030.5s； max t 方位系數(shù)，它是依照手指和工件位置不同來進(jìn)行選擇； 3 K 查機(jī)械工程手冊 ，0.91.1，取=1； 3 K 3 K G被抓取的工件所受到的重力（N） 。.NG200 手爪的各個尺寸 機(jī)械手所能達(dá)到最高的響應(yīng)時間mma50mmb150 0 30 是 0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和驅(qū)動氣缸的尺寸。 N FF （1）設(shè)=1.5 =100mm/s =0.5s 工件在重力方向移動速度為 0.1mm 1 K max V

35、 s t 將數(shù)據(jù)代入式（2-7）中得動載荷系數(shù) =1.02；取=1 g a K1 2 0.10.5 1 9.8 3 K 根據(jù)(2-6)公式，將已知條件 1,02 . 1 , 5 . 1 321 KKK =1.51.021200=306.3N；所以得到夾緊力為 306.3N。 N F 查機(jī)械工程手冊表 56.2-4的連桿傳動的和部分結(jié)構(gòu)，根據(jù)前面所示的機(jī)械手 2 結(jié)構(gòu)，并對照表 56.2-4，選取 (2.9) 1 F )( sinsin 2 N Sina b P -連桿傳動機(jī)構(gòu)的效率. -杠桿的傾斜角. 根據(jù)驅(qū)動力公式；取，取,而，則得如下驅(qū)動85 . 0 o 90150b50a 0 30 力。

36、 N 08.1247 85.0 1 306 )9030sin( 30sinsin90 50 1502 1 F )sin( sin sin 2 N a b P 根據(jù)計算得手爪的驅(qū)動力為.NP08.1247 2.3.2 手爪驅(qū)動氣缸的設(shè)計手爪驅(qū)動氣缸的設(shè)計 氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成 (1)缸筒的內(nèi)徑的大小表示了氣缸的輸出力的大小?；钊陟o止缸上應(yīng)該做的往復(fù)運(yùn) 動滑動，內(nèi)筒的表面粗糙度應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)。umRa 8 . 0 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 9 (2)端蓋上進(jìn)氣和排氣和進(jìn)氣系統(tǒng)，氣口上方，一些設(shè)備仍然在蓋上還具有緩沖機(jī)構(gòu)。 桿側(cè)的端蓋具有從活塞向外，以防止泄漏，并防止外部的灰塵混合罐的

37、密封和防塵密封。 桿側(cè)的端蓋上面還設(shè)制有導(dǎo)向套，以方便提高氣缸的導(dǎo)向的精度，另一方面也承受了少 量的橫向負(fù)載，并且減小了活塞桿其伸出時侯的下彎曲量，這樣就大大的延長氣缸的使 用壽命。為減輕導(dǎo)向套的重量并防止生銹，通常使用的是鋁合金壓鑄。 (3)活塞它在汽缸里面是一受到壓力作用的零件。設(shè)計活塞密封圈是為了防止活塞左 邊和右邊發(fā)生串氣。活塞環(huán)的磨損有明顯的效果，減少活塞密封圈的磨損，提高指導(dǎo)， 減少摩擦。耐磨環(huán)長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。密封圈尺寸是決 定活塞寬度的必要因素。如果說滑動部分過于短小，容易引起早期的卡死和磨損。常用 鋁合金和鑄鐵來制造活塞。 (4)活塞桿則是氣缸中最

38、重要的受力零件了。在正常情況下，它是利用高碳鋼，硬鉻 電鍍表面，提高了耐磨損性，其密封。 7 (5)靜止不動的部分的密封即使靜密封，相反來回轉(zhuǎn)動或者反復(fù)來回運(yùn)動的部件的密 封也就是所謂的動密封。 單個動作就是一端只有一個活塞桿，只從一個方向的一端的氣體進(jìn)行輸出，輸出功率 大，靠彈簧復(fù)位雙作用是指由的活塞兩側(cè)進(jìn)行交替的供氣，由兩個方向輸出力。 沖擊氣缸：是一種新型元件。它能夠把壓縮氣體的壓力轉(zhuǎn)換成活塞前后運(yùn)動的動能， 因此完成作功效果。沖擊氣缸其中增加帶有了噴口以及泄流口的中蓋。中蓋把氣缸分成 三個部分，分別是儲氣腔、頭腔和尾腔這三部分。它應(yīng)用廣泛，主要的運(yùn)用于沖孔、下 料和成型等多樣性的工作。

39、擺動氣缸從葉片來回擺動，將被分離成兩個腔的兩腔交替地 供應(yīng)，從而使輸出軸作擺動運(yùn)動。工作環(huán)境的基礎(chǔ)上的力的大小來確定進(jìn)一步的推力和 拉力桿尺寸。若選擇的汽缸徑小了，那么輸出力將不夠，氣缸就不能夠正常的工作。如 果缸徑過大，笨重的消耗增加的移動設(shè)備，成本絞高，則就會造成很大的浪費(fèi)。在設(shè)計 時，減少氣缸的尺寸，則應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)。 (1)一般采用鑄鐵缸體，如果完全消除后廠鑄造過程中，為了生活中的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生， 它必須經(jīng)過時效處理。時效時間過短，加工好的汽缸在運(yùn)行的過程當(dāng)中還會變形。 (2)汽缸運(yùn)轉(zhuǎn)是非常復(fù)雜的，不僅要被安裝在一個氣缸的各個組成部分在其中的靜載 荷的重量和其他外部和內(nèi)部和外部的氣體壓

40、力差，還要經(jīng)受冷態(tài)下的連接管道缸動力的 作用，蒸出的靜止的定子部分反應(yīng)，氣缸塑性變形引起的泄漏。 (3)如果增加或減少氣缸的負(fù)載是太快了，特別是對于一個快速啟動，停止和溫暖缸 不正確，工作條件的變化，溫度的變化，停機(jī)打開保溫層時存在過早等現(xiàn)象，氣瓶和法 國蘭花會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱變形和熱應(yīng)力。 (4)氣缸焊接或機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致從處理后，如果不進(jìn)行回火氣缸被淘汰，這將導(dǎo)致更 大范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力的氣缸在操作過程中產(chǎn)生永久變形。 (5)在安裝過程中，由于在氣缸的相反側(cè)的維修技術(shù)問題的蒸汽分離器包絡(luò)不適當(dāng)膨 脹間隙，壓紙或不適當(dāng)?shù)陌惭b耳朵膨脹間隙，運(yùn)行后的氣缸的變形力的巨大膨脹。 (6)汽缸所使用得密封劑質(zhì)

41、量不好、型號不對或者是雜質(zhì)較多的話；如果氣缸內(nèi)的密 封劑與硬質(zhì)粒子中的雜質(zhì)，將導(dǎo)致密封面很難合在一起。 (7)汽缸的螺栓的緊力不夠或是螺栓的材質(zhì)不夠強(qiáng)度的話。螺栓主要使汽缸結(jié)合面的 嚴(yán)密性主要靠。螺栓的應(yīng)力會松弛，在起停 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 或是增減負(fù)荷時產(chǎn)生的熱應(yīng)力和高溫會造成環(huán)境下，螺栓的預(yù)緊力就會逐漸減小在應(yīng)力 不足的環(huán)境下。不充分的強(qiáng)度的螺栓材料，在長期的運(yùn)行中，汽缸的膨脹力和氣缸的熱 應(yīng)力的作用下被拉長，螺栓會產(chǎn)生塑性變形，緊固力將是不足的，導(dǎo)致在氣缸泄漏現(xiàn)象 。 5 根據(jù)液壓傳動與氣壓傳動 得氣缸的外徑公式， 3 (2.10) 2 2 4 d p F D 式中：-驅(qū)動力

42、為拉力。 2 FN 08.1247 2 PF -負(fù)載率。 -工作壓力。p 與的關(guān)系，現(xiàn)在設(shè) ，。p5 . 0MPa 5 . 0p -活塞桿直徑。一般取，取。將各個只帶入式d3 . 02 . 0/Dd25. 0/Dd (2.10)中得： mm D d p F D 92) 4 ( 5.0105.014.3 08.12474 4 2 6 2 2 根據(jù)機(jī)械設(shè)計，圓整后取。則 。活塞桿穩(wěn)定性校mm92Dmm 234/ Dd 核：由于活塞桿受拉時工作，故可不校核其。手爪氣動缸如圖 2.4 圖 2.4 夾持器驅(qū)動氣動缸 2.3.3 手部誤差的分析手部誤差的分析 在夾持不同直徑的圓棒料時 ,手指的形心或工件軸

43、心位置會發(fā)生變化。實(shí)際上 ,因?yàn)?夾持不同的工件，其尺寸不同從而將會導(dǎo)致它的軸心的位置發(fā)生變化這些變化可認(rèn)為是 夾持誤差 ,將取其中最大的誤差來評價夾持精度。夾持誤差是由手指在夾持的過程中位姿 決定 ,它將會直接影響到整個的機(jī)械手的定位精度。當(dāng)然 ,為了提高夾持精度，其中比較 有效方法是手指結(jié)構(gòu)可、更換手部或者運(yùn)用自位手指機(jī)構(gòu) 。但這類手指結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜。 為了讓手指方便簡單的去工作，采用固定式的機(jī)械手夾持物件，但其工作的環(huán)境要求比 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 11 較高的。 6 為了保證手抓張開角為， o 60 機(jī)械手的夾持范圍為 60120mm。夾持誤差不超過3mm. 分析如下：工件的平均 半徑： =

44、45mm；手指長 L=150mm，V 型夾角 CP R 2 6030 0 2120 偏轉(zhuǎn)角 （2.11） sin cos 1 L RCP 由式（2.1）： =69.73 1 cos Lsin Rcp 1 cos o 60sin150 45 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： =69.73 計算理論平均 150sin60cos69.73=45.00mm；因?yàn)?cosLsinR0 min0max RRR 2222max2max2 1 asinLacos sin 2) sin (L R L R 222 222 5073.69sin150 5073.69cos 60sin 60 1502) 60sin 60 (150

45、 222 222 5073.69sin150 5073.69cos 60sin 60 1502) 60sin 60 (150 132.6622996131.52742781.13487 所以=1.13487. 編寫組編工業(yè)機(jī)械手圖冊M. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998: 343-347. 6ClavelR Delta,a fast robot with parallel geometry. The 18th int.symposium on in dustrial robots(ISIR),Sydey,Australia, 1998:91-100. 7柳洪義. 宋偉剛. 編著. 機(jī)器人技術(shù)

46、基礎(chǔ)M.北京. 冶金工業(yè)出版社, 2002: 130-132. 8. 編寫組編. 機(jī)械設(shè)計師手冊機(jī)械. 工業(yè)出版社, 1998: 45-47. 9周開勤. 機(jī)械零件手冊.高等教育出版社, 1998: 13-15. 10 趙大興編.工程制圖M. 高等教育出版社, 1998: 89-98. 11 周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1995: 90-93. 12 劉少麗. 淺談工業(yè)機(jī)械手設(shè)計. 中國期刊, 2007: 3-4. 13 郝用興. 苗滿香. 羅小燕. . 華中科技大學(xué)出版社, 2009: 204-206. 14 孫恒. 陳作模. 葛文杰. . 高等教育出版社, 200

47、6: 135-137. 15 紀(jì)名剛. . 高等教育出版社, 2006: 150-154. 16 Wang, K, Lien T.K.:Closed from solution for theinverse kinematics of a PUMA robot man-ipulator-II. Demonstration. Robotics Comput. -INTEGR.Mfg. 1993, (5): 159-163. 17 Milenkovic,V., Huang, B.: Kinematicsof major robotlinkage. 13th International Sympos

48、ium on IndustrialRobots and Robotics, 1996, 7(2): 36-40 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計 30 附附 錄錄 本篇畢業(yè)設(shè)計包含圖紙折合為 3 張 A0 圖紙 圖紙明細(xì)表： 序號 代號名稱圖幅 1JX-00圓柱型工業(yè)機(jī)械手 裝配圖 A0 2JX-01夾持器驅(qū)動缸裝配 圖 A2 3JX-00-01底座A2 4JX-00-02活塞桿連接塊A3 5JX-00-03活塞桿A3 6JX-00-04導(dǎo)向桿 1A4 7JX-00-05導(dǎo)向桿 2A4 8JX-00-06機(jī)械夾持器A2 9JX-00-07定位塊A4 10JX-00-08步進(jìn)電機(jī)A3 11JX-00-09轉(zhuǎn)動裝置A4