机械手-工业机器人设计

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1、第一章 绪论1.1 工业机器人研究的目的和意义工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。 自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统( FMS) 、自动化工厂( FA) 、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、 改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。20世纪80年代以来，

2、工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。1. 驱动方式的改变1. 驱动方式的改变20世纪70年代后期， 日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直

3、流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。2. 信息处理速度的提高2. 信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。 为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。 随着信息技术的不断发展，C P U的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。 机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格

4、式图纸来， 随着信息技术和网络技术的发展， 已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。夹持的特殊要求， 采取了多种形式的机械结构来完成对工件的夹紧和防止工件脱落的锁紧措施。在针对同样的目标任务，采取多种运动方式相结合的方式来达到预定的目的。驱动方面采用了一台工业机器人多种驱动方式的情况，有液压驱动，气压驱动，步进电机驱动，伺服电机驱动等等。愈来愈多的搬运机器人是采用混合驱动系统的，这样能够更好的发挥各驱动方式的优点，避免缺点。并且在它的控制精度方面和搬运效率方面有了很大的提高。在搬运机械手的控制方面，出现了多种控制方式。如：由原始的电控的机械手，较先进的基于工控

5、机控制的，基于 PC 控制的，进一步的嵌入式 PC 控制技术，还有采用 PLC 可编程控制的。！ ！所有下载了本文的注意：本论文附有！ ！所有下载了本文的注意：本论文附有 CAD 图纸和完整版说明书，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（图纸和完整版说明书，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（QQ 邮箱） ，或加我百度用户名邮箱） ，或加我百度用户名 QQ，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！在物料搬运方面近年来呈现出的趋势就是系统化。无论是我国还是国外，物料搬运的发展都是由单一设备走向成套设备，由单机走向系统。在制造业方面，随着 JIT,F

6、MS,CIMS 等现代制造技术的发展，对物料搬运系统也提出了新的要求。其特点是力求减少库存、压缩等待和辅助时间，使多品种、少批量的物料准时到达要求的地点。这一趋势在机械工业方面得到了很大的应用。其中采用了机器人等先进的物料搬运技术，促进了机械工业的技术进步和生产水平提高。当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领城的扩大和机器人种类的增多。另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。前者是指应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。应用领城的扩大对下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式

7、图纸机器人不断提出断的要求，推动机器人技术水平的提高.反过来，机器人性能与智能水乎的提高，又使扩大机器人应用领域成为可能。1工业机器人机械系统性能的提高。进一步提高业机器人的运动精度。机器人是一种多关节开链式结构，因此，机器人手臂的刚度一般都不高。另外由于构件的尺寸误差和传动间隙的存在，以及机器人手臂末端误差的放大作用， 使当前机器人的定位与运动还不能达到很高的精度。度大.精度高的数控机床相比，机器人在工作精度上大为逊色。因此，至今工业机器人在精密装配及其它精密作业中的应用仍受到了很大的限制。 除了精密作业要求高精度机器人以外.采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和

8、运动精度。进一步提高机器人工作精度的主要办法是： 提高机器人的加工精度与装配精度，采用无隙传动的减速机构，采用直接驱动电机，通过标定进行机器人的2误差补偿，通过实时检侧对机器人运动误差进行实时修正。提高机器人手的灵活度和避障能力:当前常用的机器人手肴的灵活度的都不够高，即手臂末端达到某一工作点时。手臂可能采取的姿态是有限的，有时要有很大的灵活度和很强的避障能力.例如。当用喷涂机器人喷涂车身内表面时，要求机器人能将车身内表面的各个角落都喷上漆，必须要有高灵活度机器人手有才行。另外，在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人，例如在核电站工作的机器人，也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提工业机

9、器人手臂的灵活度，主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用膨铰关节及可双向弯曲的手臂。3提高机器人的运动速度和响应频率：为了提高机器人作业效率，以及提高具有感知功能机器人的反应速度，就必须提高机器人运动速度和响应频率，这一点，对装配机器人来说尤为重要。为此，一方面可以通过采用高强度材料或轻质材料(如碳纤维复合材料)制造机器人手臂，以达到减轻手臂重量和提高手臂动态特性的目的， 另一方面， 也可以通过采用直接驱动电机或其它高性能驱动电机，从控制和驱动方面提高机器人系统的运动速度与响应频率。4提高机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力:为了使机器人能像人一样进行各种复杂

10、作业，如装配作业、维修作业及设备操作，机器人就下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式图纸必须有一个运动灵活和动作灵敏的手腕和手爪。这一点对装配作业机器人、核工业机器人和在空间站上作业的空间机器人来说是特别重要的。5 采用模块化组合式机器人结构， 提高机器人快速维修性能:根据优化设计，制造出多种不同尺寸和规格的手臂和连接器模块。 用少量的模块可组合成多种机器人配置。这种机器人能进行快速维修，可以实现自动修复。所以，这种机器人结构最适用于空间机器人、核工业机器人等。如这种积木结构能推广用于一般工业机器人，将使工业机器人的成本下降、生产周期及维修周期缩短。1.3 工业机器人的分类（

11、3）对搬运机器人的手爪， ，小臂，大臂，的结构设计，绘制各部分的结构草图；（4）由第 2 步所给定的条件和第 3 步的结构特点，选取驱动系统并确定驱动电机的驱动方式和传动方式；（5）对各结构的质量进行粗估，完成对手爪的夹紧气缸，小臂、大臂丝杠的驱动电机，以及腰部、腕部的旋转驱动电机的计算选型；（6）根据电机的外形尺寸及输出轴轴径，以及电机的重量完善结构草图。（7）通过以确定的结构的质量的分析，验算重要零件的受力情况，绘制最终装配图。第二章总体设计方案确定2.1 结构设计概述下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式图纸一个机器人系统结构由下列互相作用的部分组成：机械手、环境、任务

12、。机械手是由具有传动执行装置的机械，它由臂，关节和末端执行装置构成，组合为一个互相连接，互相依赖的运动机构。机械手用于执行指定的作业任务。工业机器人的末端执行器是安装在腕端的附加装置。机器人的手部可分为夹持式和吸附式两大类。夹持式的是指型手，夹持方式有外夹式和内撑式之分，吸附式的分为空气负压式和电磁式两种，任务是指机器人要完成的工作。 机器人的类型是随着工作任务的特点而决定的。例如：SCARA 机器人就非常适合平面上的工件的抓取。环境是指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件(可达空间)所决定，而且由环境和它所包含的每一个事物的全部自然特性所决定。2.2 基本设计参数根据次机械手的应用场合和

13、实地的应用要求，其主要的设计参数要求如下：（1）抓取的重物：2kg；（2）机械手的自由度数：4 个；（3）运动参数：大臂升降：线速度：sm02. 0；小臂伸缩：线速度：sm02. 0；手腕俯仰：角速度：srad14. 3；腰部旋转：角速度：srad14. 3；（4）运动行程：大臂升降：300mm小臂伸缩:300mm腰部旋转:90手腕俯仰:902.3 工作空间分析2.4 传动方案的确定：2.4.1 传动方案分析2.4.1 传动方案分析下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式图纸方案 1：图 2-2传动方案一第一、二、自由度均采用伺服电机加减速器的结构形式。大臂的驱动电机和大臂的回

14、转轴共线。小臂的传动方案与大臂的传动方案相同，这样虽然结构上较为简单，但对大臂产生了一定的附加弯矩，对工件的抓取精度产生了一定的不利影响，并且对转矩的计算也会较为麻烦。第三个自由度，即就是升降机构采用电机步进电机加同步齿形带的传动方案。同步齿形带具有传动精度高，结构紧凑，传动比恒定等特点。但对安装的精度要求较高，负载能力也很有限，并且不能实现反向自锁，需要另加断电保护装置。手爪的结构采用较为简单的气动控制直线运动的手爪。方案二：下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式图纸图 2-3传动方案二第一、二自由度均采用交流伺服电机加减速器的驱动模式，故此结构可以较为简单。电机轴和小臂的

15、关节轴是同一方向的。这是在充分考虑到小臂的驱动电机对大臂所产生的附加弯矩的条件下，对大臂的结构设计特别做了加强处理。第三个自由度为丝杠螺母的升降运动，采用的传动方式是电机轴经过一级齿轮减速，再驱动滑动丝杠，利用滑动丝杠的大减速比的特点，达到控制上升的速度不至于过快。同时，选择单头的滑动丝杠具有很好的自锁性能，从而在系统突然断电的情况下，不致使此自由度方向上发生运动，从而保证了结构的安全。第四自由度旋转机构也是采用电机加谐波减速器的结构形式。手爪采用目前广泛采用的， 而且技术成熟的连杆导杆式气动机械手， 这一机械手的造价低廉， 结构简单，针对此处所抓取的工件的特点是不易变形的金属工件， 所以对夹

16、紧力的要求不是太高，故采用气动机械手爪完全可以达到设计要求。方案三：下载后可在附件框中得到全套Wo r d 文档及CAD格式图纸图 2-4传动方案三如图 2-4 所示，第一自由度采用步进电机加减速装置的传动模式。大臂与回转关节之间采用谐波减速器传递动力。 小臂的驱动电机考虑到它的重量会对大臂造成较大的附加弯矩，则把小臂的驱动电机安装在大臂的回转轴的轴线方向，电机输出轴与小臂的回转轴之间通过同步齿形带相连接，保证了小臂回转的精度。但这样就使得小臂的传动机构很复杂，有多段承受弯矩的轴，并且电机轴也承受了一定的弯矩。第三个自由度采用滚珠丝杠并配以电机加减速器驱动的传动方案，这是利用了滚珠丝杠的传动精度高，并且是把旋转运动转换为直线运动，而不需要中间环节的转化，结构简单。但滚珠丝杠必须附加自锁装置以确保能够做到断电保护。滚珠丝杠的造价较高，重量也较重，因此在滚珠丝杠的材料选择方面要求加工材料要较轻。并且滚珠丝杠需要电机的输出转矩也较大，自身的减速比较小。 机器人的手爪部分仍然采用较为常用的气缸配合连杆式气动机械手的结构，其作用与方案一所述的相同。2.4.2 伺服驱动与步进驱