工业机器人结构设计论文

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1、河南工程学院机器人技术基础考查课专业论文工业机器人结构设计学生姓名：肖慧慧学 院：机械工程学院专业班级：机制1321专业课程：机器人技术基础任课教师：李坤全2014 年 12 月 25 日工业机器人结构设计摘要机器人是一种由三个自由度组成的平面关节型机器人，它的主要作用是可以完成 精密仪器和物体的搬运和移动。由于体积小，传动原理简单，被广泛运用于电子电气 业，家用电器业，精密机械业等领域。整个系统由机器手，机器臂，关节，步进电机 驱动系统等组成。通过各自由度步进电机的驱动，完成机器手，机器臂的位置变化。 具体设计内容为：同步齿形带传动设计，丝杠螺母设计，各输出轴和壳体的设计,步 进电机的选择等

2、。在校核满足其结构强度的基础上，我们对机器人的结构进行优化设 计。关键词：机器人，结构设计，机器臂Industrial Robot Structure DesignABSTRACTRobot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple d

3、rive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motors driving of each degree of freedom, i

4、t completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of stepper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisf

5、ied, we optimize designing of the structure of Robots.Key Words: Robots, Structure Design, Manipulator Arm.绪论1.1 前言工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生 产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技 术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了 能够独立的按程序控制实现重复操

6、作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”， 简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不 断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适 应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械 手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系 统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型 机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克

7、炮塔，臂回转、俯仰，用 液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上 发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unima ton）,专门生 产工业机械手。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建 立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前 平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间）， 由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。二、机械手的组成及发展趋势工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.1 执行机构(1) 手部 (2

8、) 腕部(3)臂部 (4)机身2.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动 机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。2.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位 控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔 卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 2.4.工业机械手的发展趋势(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)， 而单机价格不断下降，平均单机价格从

9、 91 年的 10.3 万美元降至97 年的 6.5万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模 块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网 络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠 性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器

10、的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配 置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥 控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与 机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智 能机器人走出实验室进入实用化阶段。三 机械手的总体设计方案及工作原理本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。在本章中对机械手的座标形式、自由 度、驱动机构等进行了确定。3.1 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形

11、态,按坐标形式大致可以分为以下4 种: (1)直角 坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械 手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆 柱坐标型。3.2 机械手的主要部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后根，据设计任务，为了满足设计要求， 本设计关于机械手具有4 个自由度既：手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升5降个主 要运动。本设计机械手主要由手部，腕部，臂部，机身和液压系统组成：(1) 手部，采用一个直线液压缸驱动，通过机构运动实现手抓的张合。(2) 腕部，采用一个回转液压缸实现手

12、部回转180 0(3) 臂部，采用直线缸来实现手臂平动.2m。(4)机身，采用一个直线缸和一个 回转缸来实现手臂升降和回转。3.3驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取 决于驱动方案及其装置。根据动力源的不,同工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气 动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控 制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。3.4 机械手的技术参数列表一、用途：用于车间搬运二、设计技术参数:1、抓重:1.25Kg夹持式手部2、自由度数4个自由度，沿Z轴上下移动，绕轴转动，沿C轴伸

13、缩，绕（轴转动3、座标型式: 圆柱座标4、最大工作半径1800mm最小工作半径1350mm5、手臂最大中心高1012mm6、手臂运动参数伸缩行程：450mm伸缩速度： 250mm/s升降行程：150mm升降速度： 60mm/s回转范围: 0 180度回转速度： 70/s7、手腕运动参数回转范围: 0 180度回转速度： 90/s8、手臂握力：由N=0.5/f*睫这里 取f=0.1G=1.25kgN=0.5/f*G=6.25kg即手指握力为.25kg四 机械手手部的设计计算4.1 手部设计基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机 构所需的驱动力大小是不同

14、的。（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭 合绕支点所转过的角度）人丫，以便于抓取工件。（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使 结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。4.2 典型的手部结构（1）回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2）移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。4.3机械手手抓的设计计算4.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角3 = 600,夹取重量为1.25Kg。常用的工业机械手手部按握持工件的原理分为夹持和吸附两大

15、类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本 设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型平。移型手指 的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸 的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手,指驱动力需加 在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大显。然是不合适的，因此不选择这种 类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手爪，采用滑槽杠杆这种结构方式，夹紧装置 选择常开式夹紧装置。4.3.2 夹紧力及驱动力的计算 手爪夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。 一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷 以便工件保持可靠的夹紧状态。夹紧力可按公式计算：FN - K1K2K3G式中K1 安全系数，通常1.2 2.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 2 a 其中 a，重力方向的最大上升加速度；vmax运载时工件最大上升速度响系统达到最高速度的时间，一般选取0 30.5sK3 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。G被抓取工件所受重力N）。计算：设a=100mm,b=50mm,100a 40