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1、辽宁科技大学本科生毕业设计第20页三自由度圆柱坐标工业机器人设计摘 要本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,。根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案，对机器人腰关节结构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴和轴承的设计计算和校核。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人Abstra
2、ctThis design for three dof cylindrical coordinates type industrial robot, its working direction for two straight line direction and a rotating direction . Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme intro
3、duced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summ
4、ing-up for the for the whole design work.Keywords: three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot目 录摘 要I1 绪论11.1工业机器人的发展状况11.1.1工业机器人的历史11.1.2工业机器人的发展11.1.3我国工业机器人31.2选题背景及目的41.3 工业机器人的设计要求及参数51.4 工业机器人的总体设计步骤62 三自由度圆柱坐标工业机器人的总体设计72.1 工业机器人的组成及各部分关系概述72.2工业机器人的设计分析82.2.1 设计要求82.2.2 总体方案拟定82
5、.2.3工业机器人主要技术性能参数93 三自由度圆柱坐标工业机器人的机械系统设计103.1 工业机器人的运动系统分析103.1.1 机器人的运动概述103.1.2机器人的运动过程分析113.2工业机器人的执行机构设计123.2.1末端执行机构设计123.2.2手臂机构的设计143.2.3腰部和基座设计163.3 工业机器人的机械传动装置的选择223.3.1 滚珠丝杠的选择223.3.2 谐波齿轮的选择233.3.3联轴器的选择244 三自由度圆柱坐标工业机器人的计算机控制系统概述254.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求254.2 计算机控制系统的设计方案254.3 硬件电路的
6、组成265 工业机器人运行时应采取的安全措施275.1 安全要求275.2 实施方法27结 论29致谢30参考文献321 绪论 1.1工业机器人的发展状况1.1.1工业机器人的历史1920年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本罗萨姆的万能机器人中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。 20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中
7、加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1967
8、年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。1.1.2工业机器人的发展1.工业机器人概念的产生 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现
9、。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能自动控制的，可重复编程的、多功能的、多自由的、多用途的操作机，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。2.第一台工业机器人的问世 进入20世纪以后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个
10、电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人还不能走动。1959年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，并由此开创了机器人发展的新纪元。3.工业机器人的快速发展作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。 1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会
11、。 1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。 1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。 到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。 随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。 如今，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广泛，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救灾等各种非制造行。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程
12、可为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务
13、。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。1.1.3我国工业机器人1、 我国工业机器人的起步我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人(行业规模比较大的前三家
14、工业机器人企业)行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。2、我国工业机器人的主要应用工业机器人50%以上用在汽车领域。目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽
15、车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。3、我国机器人技术主题发展的战略目标我国这一战略目标是：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策
