机械类毕业设计-三轴工业机器人的结构设计、工业机器人设计.docx

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1、江阴职业技术学院毕业设计说明书课题：三轴工业机器人的结构设计子课题：机器人的第一臂与底座的设计同课题学生姓名：专业数控技术及运用学生姓名 徐良班组04级数控（2）班学号20040205213指导教师赵勇彪完成日期 2007. 05. 18.江阴职业技术学院毕业设计说明书目录摘要I引言121.1 工业机器人的含义及技术概述21.2 工业机器人的组成21.3 工业机器人的现状及国内外发展趋势31.4 设计的任务要求4第二章机器人的结构分析52.1 总体结构的概述52.2 第一轴（大臂）的结构62.3 3传动方案的确定7第三章设计计算9第四章 传动结构的设计计算114.1第一轴的传动结构设计114.

2、 2轴承的选择26第五章机器人各零部件的结构设计285.1 转角范围的控制设计285.2 主要零部件的结构设计（第一臂与底座）29总结-30致谢31参考文献32引言在加速科技进步中，机械制造业的发展起着关键的作用，其任务是在工业生产中迅速将工艺装备的独立单元变为自动化综合体（自动化工段，生产线和自动化车间），将来甚至实现自动化工厂。这种自动化生产最重要的特点是具有柔性，它能预料到，在节省劳力（或无人）情况下，根据工艺条件调整装配，以适应多种产品生产。当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机器人技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机器人

3、是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机器人既有效地用江阴职业技术学院毕业设计说明书现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。而它与“机械手”有一些区别：“工业机器人”多数指程序可变的独立的抓取、搬运工件、操纵工具的装置；“机械手”多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置。如自动线、自动机的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产社备。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换

4、代起着十分重要的作用。工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上的代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。1.2工业机器人的组成工业机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统

5、和人工智能系统组成。如图所小O目前，具有人工智能系统的工业机器人即智能机器人还处于研究实验阶段。而应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。1 .执行系统 执行系统是工业机器人完成握取工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括：手部、腕部、臂部，还有机身和行走机构。2 .驱动系统 驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种：液压式、气压式、电气式、机械式。3 .控制系统 控制系统是工业机器人或机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求进行工作、并检测其正确与否。一般常见的为电

6、气与电子回路控制,计算机控制系统也不断增多。就其控制方式，可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分，有两种：点位控制和连续轨迹控制。13工业机器人的现状及国内外发展趋势工业机器人是一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性很强的柔性自动化设备，它对稳定提高产品品质、提高生产效率和改善劳动条件起着十分重要的作用。工业机器人技术的发展必将对社会经济和生产力发展产生更加深远的影响。所以，国内外工业机器人的发展十分迅速。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1 .工业机器人的性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作与维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元

7、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、减速器、检测系统三为一体；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世。3 .工业机器人系统控制向基于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

8、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”计划科技攻坚开始起步，在国家的

9、支持下，通过“七五”、“八五”科技攻坚，目前已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）上获得广泛应用，弧焊机器人已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比较晚，应用领域窄，生产线技术系统与国外比还有差距；在应用规模上，我国已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

10、形成机器人产业，当前我国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，600（）米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

11、信息融合控制技术、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应用方面则刚刚起步，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，以期在二十一世纪立于世界先进行列之中。1.4设计的任务要求本次设计是针对三轴工业机器人的结构设计。主要设计要求如下：第一轴：转动角速度为90os,转角范围为027（T底座：能够实现第一臂转角（0-270度）转角范围控制第二章机器人的结构分析2.1 总体结构的概述目前，世界上已有许多工业机器人，其中大部分属于“示教再现”型。如果将这类机器人称作第一代，那么，具有一定程度的视觉、触觉、或某种分

12、析、判断能力的工业机器人就属于第二代了。不少国家正在积极研制具有观觉、触觉等功能的工业机器人，并取得了不少成果，但是，真正将这些成果应用于生产实际的还为数不多。在实际生产（如喷漆、焊接、装配等）中被广泛应用的工业机器人，示教再现型还是较多。一般的机器人，它由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分构成。机构部分有机械手和移动机构两部分组成；传感器有测量机器人自身位置姿态和速度、加速度的内传感器和了解外部环境及作业对象工作情况的外传感器；控制器是直接控制机器人运动的装置，只要不是自主型移动机器人，它通常放在与机器人不同的地方，通过导线连接。在工业机器人的控制装置中，有电动机驱动电路、P

13、TP运动目标点和CP运动轨迹数据的记忆装置和定位控制电路等。信息处理装置通过信息传输装置与机器人本体相连，多用于智能机器人。如图2-1,该机器人具有六自由度，即大臂的回转、臂的左右摆动、臂的上下摆动、手腕的回转、手腕的伸缩和手爪的抓取。当然，图中没有表示出控制系统及手爪抓取的那一部分。该六自由度机器人运动的情况说明如下：首先，由电动机Ml经过传动系统带动大臂的回转运动，且与大臂相连的所有其它手臂、手腕及机械构件也随大臂一起作回转运动；而后另一手臂由电动机M2直接驱动作左右摆动；还有，第三臂由电动机M3直接驱动作上下摆动；最后，手腕的回转、伸缩及手爪的抓取由其它三个电动机驱动。92.2 第一轴（

14、大臂）的结构大臂的结构图（图2T）及其传动原理简图（图27）：图2-1/-/图2-2第一臂，也即大臂，该手臂实现工业机器人的回转运动，整个系统由伺服电动机驱动。为了实现传动的设计要求以及结构的最优化设计要求,整个减速系统采用了三级斜齿轮传动，且所有的斜齿轮都装在一个箱体（减速箱）里面。然而，与一般情况不同的是，第三级斜齿轮直接固定在机座上，从而使其它的（上级的斜齿轮）传动机构绕着它转动，且电动机又固定在大臂上，所以导致大臂带着电动机、减速箱一起作回转运动。2.2传动方案的确定根据工业机器人的总体结构分析可知，工业机器人的三轴的传动结构并不复杂。第一轴采用的是齿轮传动，第二轴、第三轴则采用的是摆

15、线针轮行星齿轮传动。当然，参照以上的传动结构分析，现拟定如下三种传动方案：方案一：第一轴：齿轮传动（直齿或斜齿）第二轴、第三轴：摆线针轮行星齿轮传动方案二：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：蜗杆蜗轮传动方案三：第一轴：蜗杆蜗轮传动第二轴、第三轴：摆线针轮行星齿轮传动方案比较论证首先，已知各种传动的传动比U：直齿圆柱齿轮传动，u45斜齿轮传动，u65蜗杆蜗轮传动，5u70,常用15WuW50；摆线针轮行星齿轮传动，llu87 （单级）。然后估算各轴的传动比，初选转速为1500rin的原动机，则u=150015二100,u2=150020=75o第一轴传动的确定：蜗杆蜗轮传动的特点：1）传动平稳，振动冲击和噪声均很小；2）传动比也较大，结构比较紧凑。而在这里采用此传动，则需要两级传动才能满足要求,蜗杆蜗轮的传动是两轴交错的，这样一来也就增加了结构的复杂性，且同时也增加了