齿轮传动式机器人设计

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1、毕业设计说明书题 目： 齿轮传动式机器人设计学 号：姓 名：班 级：专 业：机械设计制造及其自动化 指导教师： 学 院：机械工程学院答辩日期：摘要随着工业自动化发展，机器人在工业中的应用越来越重要。文章主要是对机器人手抓及其主 要传动部件的设计和计算。本次设计主要是机器人的手抓对直径为80150,质量为5千克 的物体进行抓取。设计时主要对手抓的力学分析、夹紧等，并计算齿轮及轴的数据。采用UG软 件对机器人的手抓进行三维建模和运动仿真。关键词：齿轮；手抓；轴；电机AbstractWith the development of industrial automation, robot has be

2、en used in industry more and more important.This paper is mainly on the robot hand and its major components are designed and calculated. The crawl diameter 80-150mm a mass of 5 kg workpiece robot is designed. Analysis of mechanical hand, the clamping is designed. Gear and shaft data were calculated.

3、 The robots crawl workpiece is created by 3D modeling and motion simulation.Keywords: gears; clutch; shaft; motor目录摘要IAbstractII第1章绪论1第2章工业机械手的发展趋势3第3章.机器人的总体设计方案53.1行星齿轮减速机的特点与应用53.1液压传动与气压传动的比较7第4章机器人的设计84.1机器人手爪的设计84.2机器人小臂上齿轮、轴的设计134.3机器人大臂上齿轮、轴的设计154.4机器人机身上齿轮、轴的设计184.5机器人底座上齿轮、轴的设计20第5章 机器人的运动

4、仿真26第6章总结28参考文献29致谢31第 1 章 绪论机械手是用于再现人手的功能的技术装置手。机械手是模仿着人手的部分动作， 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中 应用的机械手被称为工业机械手。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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工 业机器人的一个重要分支。

5、他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造 和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准 确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能够实现部分 的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来 完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改 善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化 的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在 高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射

6、性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近 几年机械手也有较快的发展，并且取得一定的效果，也受到机械工业的重视。机械手是一种能自动控制并可编程的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物 体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式刚开始是比较简单，且专用性较强。 随着工业技术的发展， 制成了能够独立按程序控制完成实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机 械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能快速的改变了工作程序，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。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平 越来越高，现代化加工车间，常配有机械手

7、，以提高生产效率，完成工人难以完成的 或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资 料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有 四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这 里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的 自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速 抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸 行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。 下面具体说明机械手在工

8、业方面的应用。总的来说机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是 机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在结构 和性能上具有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。现代生产过程中， 机械手被广泛应用于自动生产线，虽然机械手在灵活性上不如人手，但是它具有不断 重复工作，不知疲倦，不怕危险，抓举重物的能力强于人手。第 2 章 工业机械手的发展趋势1) 随着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

9、。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

10、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。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这 种系统成功应用的最著名实例。7) 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型 装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器 人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五” 科技攻

11、关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设 计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、 点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自 动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但 总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如: 可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国 外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装 台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国

12、的机器人生产都是 应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程 度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业 化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极 推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了 不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先 水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等 机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作， 有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合

13、控制技术、遥控加局部自主系统遥控 机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水 平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供 实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。第3章机器人的总体设计方案机器人在抓取工件时通过气缸的运动来实现手抓的闭合。在抓取工件时手抓需要 一定的夹紧力，这由工件的质量及手抓结构决定。在整个设计过程中先确定手抓的形状及其质量以及手抓的转动速度来确定电机 及手抓的动力源，从而对齿轮及轴进行计算。整个传动分为四部分：小臂与手抓的传 动、大臂与小臂的传动、机身与大臂的传动、底座与机身的传动。每一部分的

14、传动都 由电机提供动力，再通过齿轮传动来完成。3.1行星齿轮减速机的特点与应用减速机在我国经济中起到核心地位的作用，它使用在伺服电机、步进电机和负载 之间，通过降低速度来提高扭矩、匹配惯量。减速的机类型有许多种，在目前的市场上主要有：摆线针轮减速机、行星齿轮减 速机、涡轮蜗杆减速机、齿轮减速机等，由于行星减速机精度高，免维护等原因在 市场上越来越受到广大用户的喜爱，但其价格比较贵。减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电机、内燃机或其他高速运动的动 力通过减速机的输入轴上的齿数的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速目的，普通 的减速机也会有几对相同原理的齿轮来完成减速效果，大小齿轮的齿数比就是

15、传动 比。减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的转换器，将马达的会转数减速到所需要 的回转数，并得到加大转矩的机构。几种型号的行星齿轮减速机如图3.1、图32所示：图3.1全系列行星齿轮减速机图3.2 pwd215带脚底行星齿轮减速机3.1.1行星齿轮减速机的优点1）减速机的以及小。2）减速机的精度高，一般间隙能到10弧分以下，一转360度，1度有60弧分。3）减速机的传动效率高，一般在95%以上。4）减速机的输出扭矩高。5）减速机在运转时平顺噪音小，一般在65分贝以下；其适用于网印设备、切割 焊接设备、包装机械、印刷机械、生产机械手、半导体设备、锂电设备、医疗设备、 试验机以及各种非标设备。3

16、.1.2行星减速机的选型1）首先应选择与电机安装法兰相匹配的行星齿轮减速电机，其中电机都是按照 安装法兰来分类的，例如：伺服电机分为40系列、60系列、80系列、110系列、130 系列、150系列、180系列等；步进电机分为42系列、57系列、86系列、110系列、 130系列等，行星减速机也是根据安装法兰来确定型号的，因此400W60系列的伺服 电机或57的步进电机一般选60系列的行星齿轮减速机；750W80系列的伺服电机或 86的步进电机选80系列的行星减速机。在选择的时候要严格按照安装法兰来选。2）减速机的输入和输出形式：输入方面有，有孔输入和周输入；输出方面有轴 输出、孔输出等。3）减速比的确定：具体的减速比是由设备厂家根据自己的设备要求来确定的