工業(yè)機器人夾持器設計

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廣西科技大學 畢業(yè)設計（論文）說明書 課題名稱 工業(yè)機器人夾持器的設計 系 別 職業(yè)技術教育學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 機自 班 學 號 姓 名 指導教師 2016年3月1日 作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 本次的設計來源于工業(yè)機器人夾持器機構更新?lián)Q代基礎之上，通過設計出工業(yè)機器人夾持器，從而來滿足當今工業(yè)機器人組成機構之一的夾持器各方面性能不足的缺陷。本畢業(yè)設計課題來自于企業(yè)的生產實際，通過設計出新型工業(yè)機器人夾持器，從而來掌握工業(yè)機器人夾持器的整個設計生產流程，培養(yǎng)工程意識。 我國生產的工業(yè)機器人夾持器從仿制開始起步，近期產品的質量較早期有所提高。但受國產配套件質量及設計水平等的影響，我國目前生產的工業(yè)機器人夾持器的總體水平與進口產品及港口用戶的要求仍有較大差距，工業(yè)機器人夾持器的生產也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的工業(yè)機器人夾持器勢在必行！ 本文通過運用大學所學的知識，提出了工業(yè)機器人夾持器的結構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了工業(yè)機器人夾持器總的指導思想，從而得出了該工業(yè)機器人夾持器的優(yōu)點是高效，經濟，并且安全系數高，對提高工業(yè)機器人的工作效率，減少人工投入，增強夾持質量等等起到了很大的作用的結論。 關鍵詞：工業(yè)機器人夾持器；高效；人工投入；結論 Abstract This paper mainly introduces the current situation and development prospect of automotive beauty decoration industry, car beauty industry is experiencinga hitherto unknown development opportunity, there are good prospects for development. But due to the current situation of enterprise development disorder, not standardized, quality of personnel is low, which seriously restrict the development of the industry. That car decoration and beauty will be the century of Chinas most promising gold industry, known as the automotive industry "second gold", is a sunshine industry.China attaches great importance to the status of the degrees not enough, and the baby chair to drive innovation design, to achieve a "chair", to improve the above situation.Therefore, this paper carries on research on schemeselection. Through the professional knowledge of the designer to master the relevant information on the Internet, as well as the current situation at home and abroad, the design scheme, after a detailed investigation, this graduation design is todesign a set of practical multifunctional baby chair.This design is begins with the argument, introduces in detail the scheme analysis, design process and calculating process. Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題的來源與研究的目的和意義 1 1.2 工業(yè)機器人的組成 2 1.2.1工業(yè)機器人的組成 3 1.2.2 工業(yè)機器人的分類 4 1.3 國內外發(fā)展狀況 5 1.4 工業(yè)機器人的成本與人工成本的比較 6 1.5 工業(yè)機器人的作用 8 2 工業(yè)機器人的設計方案 10 2.1 座標型式與自由度的設計 12 2.2 手部結構方案的設計 14 2.3 手腕結構方案的設計 15 2.4 手臂結構方案的設計 16 3 工業(yè)機器人夾持器結構的設計 18 3.1 夾持式手部結構 20 3.1.1手指的形狀和分類 22 3.1.2設計時考慮的幾個問題 24 3.1.3手部夾緊氣缸的設計 26 3.2 氣缸驅動力矩的計算 28 3.3 氣缸驅動力矩的計算校核 29 4 工業(yè)機器人夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核 30 4.1 齒輪的強度計算與校核 32 4.2 軸的強度計算與校核 33 結論 34 致謝 35 參考文獻 36 廣西科技大學2012屆畢業(yè)設計說明書 1 緒 論 1.1 課題的來源與研究的目的和意義 由于機械工程的知識總量已經遠遠超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術的進步和整個塊的技術，提高外部條件變化的適應能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產量，提高勞動生產率，提高生產的經濟效益為目標，并研制和發(fā)展新的機械產品。在未來，新產品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經濟目標和任務。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務。現代機械工程機械和機械設備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復雜，很多幻想成為過去的現實。人類現在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數十億光年的密切觀察，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經開始加強，并部分代替人腦科學，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。 大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應速度和運算精度的進化是非常緩慢的大腦和神經系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進，計算機科學和機械工程進展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機械工程。在第十九世紀，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機械工程專業(yè)，有分支機構。在第二十世紀中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結束時達到的峰值。由于機械工程的知識總量已經遠遠從個人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術交流，縮小范圍，新技術的進步和整個塊的技術，外部條件變化的適應能力差。封閉的專業(yè)知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識，包括社會科學，自然科學和工程技術，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。當今社會，過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術的進步和整個塊的技術，提高外部條件變化的適應能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產量，提高勞動生產率，提高生產的經濟效益為目標，并研制和發(fā)展新的機械產品。在未來，新產品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經濟目標和任務。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務?，F代機械工程機械和機械設備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復雜，很多幻想成為過去的現實。人類現在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數十億光年的密切觀察，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經開始加強，并部分代替人腦科學，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。 1987年，日本Subaru把裝備工業(yè)機器人夾持器的機械人投放市場，獲得成功。歐洲的Ford和Fi工業(yè)機器人夾持器也將新開發(fā)的工業(yè)機器人夾持器裝配在工業(yè)機器人上。當前，全世界各大機械人廠商為了提高產品的競爭力，都大力進行工業(yè)機器人夾持器的研發(fā)工作?，F在國外等著名機械人品牌中，都有配備工業(yè)機器人夾持器的銷售，全世界工業(yè)機器人夾持器的應用越來越廣泛。有一點值得注意的是，裝備有工業(yè)機器人夾持器的機械人市場，由最初的日本，歐洲，已經滲透到北美市場，因此工業(yè)機器人夾持器是當今機械人比配的裝置已經成為主要趨勢。目前工業(yè)機器人在各個領域的應用情況如下圖1-1所示： 圖1-1 工業(yè)機器人的具體分布 1.2 工業(yè)機器人的組成 1.2.1 工業(yè)機器人的組成 工業(yè)機器人主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖、具體結構圖分別如下圖2-1、2-2所示。 圖2-1 工業(yè)機器人組成方框圖 圖2-2 具體結構圖 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 手部是與物件接觸的部件，根據與物件的接觸形式，可以分為夾持式和吸附式兩種。夾持式的手部由手指和傳力機構兩部分組成。而手指是直接接觸物件的，它的運動形式有平移型和回轉型?；剞D型手指因其結構簡單，制作容易，進而得到的廣泛的應用。傳力機構的形式分為：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、齒輪齒條式、斜面杠桿式、重力式和絲杠螺母彈簧式等。這是工業(yè)機器人夾持器的核心部件之一，手部結構設計的好與壞與工業(yè)機器人夾持器的功用性能的好壞有直接的關系。 2、手腕 起到連接手部和手臂部分的組件就是手腕，可以用來調整抓取的方向和抓取的姿勢。 3、手臂 手臂起到了支撐物件、手腕、手部的作用，它可以帶動手指進行物件的抓取，并且按照要求將物件搬運到預定的位置。在工業(yè)上，工業(yè)機器人的手臂一般采用由驅動手臂運動的部件與驅動源相互配合的方式來進行工作，進而實現手臂完成各種方式的運動。 4、立柱 立柱可以說是屬于手臂，其作用式支撐了手臂，并且與手臂的回轉和升降于東有著密切的聯(lián)系。工業(yè)機器人的立柱有時可以進行橫向移動，稱為可移式立柱。 5、行走機構 因在工業(yè)中工作的需要，在完成較遠距離的操作，要進行移動，可在機座上安裝滾輪式行走機構。行走機構可分為滾輪和軌道等行走機構。滾輪式可分為有軌道和無軌道兩種。對于驅動滾輪運動則應該另外增設其他的機械傳動裝置。 6、機座 工業(yè)機器人的各種部件和驅動系統(tǒng)都安裝在機座上，機座起到了連接和支撐的作用。 1.2.2 工業(yè)機器人的分類 隨著機械工業(yè)的發(fā)展與進步，工業(yè)機器人技術和相關產品強度以及可靠性得到了不斷地增強，有望應用于教學和一些新的其他領域。 隨著我國加入WTO,只有我們創(chuàng)建的模式十分完美地與網絡技術結合在一起，才能建立一個充滿生機的社會環(huán)境，工業(yè)型機器人才能在各種場合服務于大眾。如果機器人可以為我們提供快速、安全的服務，滿足我們的需求，會越來越受到歡迎。所以，我們應該抓緊實現建設這樣一個好的平臺。 此外，因為教育是培養(yǎng)人才的前提，社會和工業(yè)的各個領域也要由它來服務。以機器人為目標的教育以及教育系統(tǒng)要提高應付難處的能力，它們也需要傳統(tǒng)的技術，在不同的方向、不同的合作領域，關鍵是要把高級人才對機器人技術的使用和對社會的作用發(fā)揮到極致。 1）實現的潛力 2010年，國家各部委進行詳細的調查和論證后認為：智能機器人這個大產業(yè)在接下來的幾十年內產值和市場占有率都會是井噴式的。2013七月的一些當前資料表明，中國機器人市場正在急劇膨脹，然后韓國，日本和德國都在拼命瓜分市場。所以競爭越來越激烈，面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。 2）工業(yè)機器人的定義和需求 在日本，工業(yè)機器人從開始普及到現在已然30年。工業(yè)機器人對全球制造業(yè)發(fā)展提供了很多的幫助，特別是用在那些環(huán)境污濁的，人工無法作業(yè)的情況，工業(yè)機器人就可以用到。在未來的若干年，由于我國人口老齡化加劇，能夠從事工作的人力數目逐漸減少，用人貧乏現象已經越來越普遍。因此，企業(yè)對于產業(yè)機器人的需求變得更多，產業(yè)機器人在全新領域的應用（像食品的加工，工廠產品的自動組裝）亦然有很好的遠景。特別是在醫(yī)學范疇，試劑以及樣品分析前處理，如果應用機器人，可能獲得類似于高度精準的技術實驗數據。同時其也能夠在危險境況下作業(yè)，如有病毒和細菌的場合。 另一面來說，怎么去實現機器人的智能化同樣是產業(yè)機器人需要面臨的很大問題。在當下機器人的整個體系里，多臂互相配合鏈接操縱的境況下，操縱要用去大量的時間和精力。早前的機器人體系愈來愈龐大，是讓客戶更易學的一個大難點。在將來的時間里，機器人實現全自動智能化成為終極的目的。因此，智能的機器人會成為不可或缺的產物。隨著時間的推移，各種各樣的機器人將會出現在各國市場。 3）機器人在社會中的定義和需要 由于全球人口老齡化現象加劇，如何能夠讓老弱病殘幼人口能夠操作自如地操縱機器人來獲取一定的經濟報酬，也是當今社會需要迫切解決的一個問題。隨著時間的推移，這種趨勢愈來愈明朗，在以后，服務型機器人的成長會加快環(huán)境容納度，我們會使得延續(xù)康健的時期愈來愈長，用自幫自助的存在方法，有目的地工作和參與社會，因此，機器人的應用，可以成為構建更好環(huán)境以及客服衰老境況的正能量。 4）機器人服務平臺 如果我們必須領會服務機器人體系的運作方法，就得懂得實際情況、顧客還有相對應的產品特性，如果盲目地使用機器人，不僅浪費時間和精力，而且也會達到相反的效果。誠然我們可以建造出來完整的服務機器人體系，若是服務的回報無法回本更無盈利，就更不能擴大利用了。所以，需要對工業(yè)機器人的使用性能和結構有一定的認識才能決定它的服務平臺，盲目地利用機器人是不行的，也不是當今社會發(fā)展潮流所允許的。 5）機器人在教育中的需求 在日本，機器人的研發(fā)正在日新月異，與此同時，能夠上崗上線的生產制造人員的數量卻是在急劇銳減，日本群眾用在高端科技的精力以及會意程度非常明顯的愈來愈少了。即使如此，機器人和機器人應用工程課堂展示教學也收獲了重視，它是一種很好的鍛煉制造員工以及淡化對科學畏懼的技術措施。機器人活動比賽在各式各樣的地區(qū)都有承辦，傳統(tǒng)刊物也錄用了興趣者們的作品，還有機器人知識亦然在人民里邊傳播開來。從這些都能夠反應出日本機器人的發(fā)展狀況以及其工業(yè)發(fā)展的程度水平情況。 工業(yè)機器人的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。以下即為工業(yè)機器人的幾種常見類別： 機器人可分為專用機器人和通用機器人兩種: 1、專用機器人 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機器人具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產的自動換刀機器人，如自動機床、自動線的上、下料機器人和“加工中心” 2、通用機器人 它是一個獨立的控制系統(tǒng)，機器人程序，靈活多變的動作。網格的性能范圍，其行動計劃是可變的，通過調整可在不同場合下使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機器人的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于小批量自動化生產品種的變化。根據不同的定位控制一般的機器人可分為簡單和伺服型兩種：“一關”控制方向的簡單類型，唯一的點對點控制：可以是一個點，也可以實現連續(xù)軌跡控制，定位伺服控制系統(tǒng)，伺服式，伺服萬能機器人屬于數控型。 目前常見的工業(yè)機器人主要分為以下幾類： 1.3 國內外發(fā)展狀況 在日本，工業(yè)工業(yè)機器人從開始普及到現在已然30年。工業(yè)工業(yè)機器人對全球制造業(yè)發(fā)展提供了很多的幫助，像戰(zhàn)勝了困難的，污濁的，無法掌握的應用情況，供應了優(yōu)秀的產品品質，補充了貧乏的現場人力。能理解，在將來數年，由于老齡化加劇，現場人力數目縮小，會發(fā)生很多的用人貧乏。因此，產業(yè)工業(yè)機器人的希冀變得更多。產業(yè)工業(yè)機器人在全新范疇的施行（像食物，藥劑以及消費物的研發(fā)，建設以及制造范圍）亦然有很好的遠景。特別是在醫(yī)學范疇，試劑以及樣品分析前處理，可能獲得類似于高度精準的技術實驗數據。人力也能夠防止于在危急境況下作業(yè)，如病毒和細菌。 另一面來說，怎么去教依舊是產業(yè)工業(yè)機器人的很大問題。利用口令進行示范，必須鍛煉的非常好，方能嫻熟的操縱各式各樣產業(yè)工業(yè)機器人。在當下的工業(yè)機器人體系里，多臂互相配合鏈接操縱的境況下，操縱要用去巨額的工夫。早前的工業(yè)機器人體系愈來愈艱巨，是讓教授更易學的一個大難點。在將來的時間里邊，達成不必講授成了終極的目的。更由于這樣，智能的工業(yè)機器人會成為不可或缺的。我們需求各式各類的研發(fā)成效，聯(lián)合科研院所的協(xié)助。 由于全球都邁進了衰老型社會，想讓老弱病殘幼在存活和環(huán)境容納中獲得援手。估計工業(yè)機器人會給以充分的反饋，好比訊號的供應以及撐持，幫助那些居家討生活的人，向組建社團給以幫助，縮小休養(yǎng)之包袱，給身體功能施以幫助，以及增加商業(yè)設施。這會能使得老人以及殘疾人覺得就是貌似孩子們、孫子們和他們呆在一塊兒似的。歷經實踐，這是愈來愈明朗，在以后，服務型工業(yè)機器人的成長會加快環(huán)境容納度，我們會使得延續(xù)康健的時期愈來愈長，用自幫自助的存在方法，有目的地工作和參與社會。所以有，它可以變成構建更好環(huán)境以及衰老境況乃至世界上生長的能量。 如果我們必須領會服務工業(yè)機器人體系的運作方法，就得懂得實際情況、顧客還有產品中的懸殊，包括領導大批工業(yè)機器人還給以幫助。不只是增添了很多額外花費，以及能否賺錢的疑惑。誠然我們可以建造出來服務工業(yè)機器人體系，若是服務的回報無法回本更無盈利，就更不能擴大利用了。假如一個多服務系統(tǒng)工業(yè)機器人可以建造出來，可給他人用的嶄新的幫助方式已初露鋒芒，制造者才敢去想走到了這一步，得到的回報能否順利地抵消甚至超出用去的本金。所以，現在極大的障礙是創(chuàng)造出一個體系，這體系會滲透進幫助型工業(yè)機器人的發(fā)展范疇，也更容易滲透進IT行業(yè)。 在日本，那樣的向來肩負著本國對外競爭力的研發(fā)科技、生產制造人員卻是在急劇銳減，現在，他們加快應對著居民衰老化，真正境況是，依托相應調研報告，眼下的事實卻是，日本群眾用在高端科技的精力以及會意程度非常明顯的愈來愈少了。即使如此，工業(yè)機器人和工業(yè)機器人應用工程課堂展示教學也收獲了重視，是一種很好的鍛煉制造員工以及淡化對科學害怕的技術措施。工業(yè)機器人活動比賽被承辦在各式各樣的地區(qū)，傳統(tǒng)刊物也錄用了興趣者們的作品，還有工業(yè)機器人知識亦然在人民里邊傳播開來。 電機把持，傳感器科學和計算機應用，機構零部件和別的技術歸納在一塊，是為工業(yè)機器人技術。于是，途徑PBL——源自困難的進修以及同等的要領，激發(fā)了察覺麻煩的本領以及處理的技巧，相當順應思維培養(yǎng)的組合，其也可增強優(yōu)化多組件科技以及提升歸納體系的優(yōu)點。要實現此方針，不妨面向基礎教育的同學達成科學培養(yǎng)，使培養(yǎng)方式和手段得以普遍使用，還有方針即是開始于小學和初中止于科技培養(yǎng)部門工程師。 何人最先取得此項專利已無可知曉，只了解到外國科學家在十九世紀末建造出了一部類似于騾馬，整體部分是用齒輪以及連接桿件機構組裝，人可以騎在上面用腳蹬踏板推動運行的工業(yè)機器人，但是卻沒有做出實物來加以佐證.20世紀初又有人運用齒輪以及連接桿件體系制造出類似的工業(yè)機器人，然而相關資料中并沒有找到對這個作品的介紹，所以那個時候有關工業(yè)機器人的研究還僅能思索腿的組成以及運動起來的行程路徑。20世紀中期Shigley已然放進步態(tài)研究的思維制造出來在每一條腿上都用成組的連接桿件體系拼裝而且安裝兩個搖桿體系結構以操縱工業(yè)機器人的步伐軌跡，已然加入步態(tài)設計的思路。同期，又有兩位發(fā)明家麥吉以及弗蘭科創(chuàng)作了首部徹底用計算機操縱的行走工業(yè)機器人。接下來幾年有關此機器的設計被充分的融入了運行操縱理論。1979年席羅思在行進工業(yè)機器人里加入了操縱水平行走的儀器，同樣在腿上加入了保持和校對偏向的裝置。20世紀末布朗、羅布特以及莎普恩斯研究了加入了液壓部件和直流電機的相應工業(yè)機器人。這都意味著人類對四桿動力體系的認識已從簡單的考慮邁入了整體操縱、計算機和高新科技的相互融匯貫通的康莊大道。 1.4 工業(yè)機器人的成本與人工成本的比較 目前一臺功能較簡單的2軸、4軸工業(yè)機器人的造價已經下降到10萬元/臺以下，國產6軸機器人的價格低至13萬元/臺。而現在國內一名制造業(yè)工人每年人工成本將達到4-5萬元。根據我國十二五規(guī)劃，要是實現最低工資標準年均成長13%以上、職工工資成長15%的目標，這更將會是一筆巨大的支出。機器人可以24小時工作，每臺機器人至少可以替代3名工人，那么不到1年即可收回成本。即使加上相關員工的培訓和設備維護費用，18個月即可收回所有投資。而機器人的使用年限通常為10年，因升級改造生產線而淘汰的機器人通常也能服役3年以上。 為避免產品更替而造成機器人閑置，選用更加靈活機動的6軸機器人是很好的解決方案。由于國內基本沒有完全自主生產的6軸機器人，多數國內廠商僅生產機器人本體，電機、控制器、減速機等關鍵部位需要依賴進口，各項成本相加，售價數十萬元不等。若一臺6軸機器人可以替代4-5名工人，三班倒即是12-15名員工，每年可節(jié)約的工人成本48-60萬，實際收回投資所需的時間與購置2、4軸機器人無異，區(qū)別的僅是最初投入裝備所需要的資金。 除去人工成本優(yōu)勢，采用機器人生產還可大幅減小生產面積。原先需要一個可以容納3千人的生產車間，現在只需要一間可以容納一千人的廠房即可。通過工人與機器人的配合作業(yè)，產能甚至還能增加幾倍。 由于機器人作業(yè)可以達到很高的精度，產品良品率將得到大幅提升，產能隨即放大。同樣由于良品率的提升，原材料的浪費也將減少。產品質量提升，售后維修支出同樣將大幅減少，品牌形象也會一并提升。 1.5 工業(yè)機器人的作用 采用工業(yè)機器人不僅可以提高產品質量，更可以節(jié)省人工，提高生產效率，而且在有些人不能使用人工的作業(yè)環(huán)境下工業(yè)機器人就能幫作業(yè)。下面就來看看工業(yè)機器人有哪些優(yōu)勢？ 1、安全性高。在某些行業(yè)方面，使用小型搬運機器人能夠替代人工，進行比較危險性的作業(yè)，如：化學產品。 2、節(jié)省人工。焊接機器人能夠同時進行兩個或者多個工位的工作，而只需要一個工人進行看護即可。3、提高效率和品質。工業(yè)機器人能夠不間斷的進行24小時作業(yè)，且機器人不受情緒影響，而工人則相反。 4、降低產品不良率。在產品成型時，使用機器人能夠使產品均勻受力。 5、節(jié)省原料，降低成本。工人會存在偷懶行為，取出產品時間不定，而機器人則不會；且在今天的人工成本越來越高，而機器人屬于固定資產。6、提高企業(yè)形象。使用機器人作業(yè)，能夠提升客戶對企業(yè)的形象認識，能簡介的提升企業(yè)訂單。 一般的雙足類人機器人如：韓國的Minirobot，日本的KONDO都是進行舞蹈表演的，中國的金剛機器人是用來踢足球和搏擊的，而且在很多賽事都拿到了不錯的成績。要是一般的迎賓機器人的話就是在酒店或者旅游景點啊做講解和迎賓用的。美國IRobot公司的4230、4220、5800還有中國的QQ-2（臺灣）等這些都是清潔機器人，它們可以方便的清潔櫥柜、桌子底以及其他不方便清潔的地方。 2 工業(yè)機器人的設計方案 2.1 座標型式與自由度的設計 工業(yè)機器人的坐標形式一般分為圓柱坐標，球坐標等等形式，自由度一般有1到5個自由度。其具體參考圖如下圖所示： 2.2 手部結構方案的設計 當需要夾持的工件是棒材狀的物料的時候，手部應該設計成開合型的，當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 2.3 手腕結構方案的設計 一般為了設計合理，具有通用性，一般情況下，手腕部的設計都是采用回轉氣缸的形式，這樣可以實現工業(yè)機器人手腕部的旋轉和伸縮，具有多種功效。 2.4 手臂結構方案的設計 根據人體工程學原理，工業(yè)機器人手臂的各種運動由氣缸來實現。 3 工業(yè)機器人夾持器結構的設計 本次設計的工業(yè)機器人夾持器具體的方案結構圖如下圖3.1所示： 圖3.1 工業(yè)機器人夾持器結構方案圖 3.1 夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理。 3.1.2 設計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) (二)手指間應具有一定的開閉角 (三)保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 (四)具有足夠的強度和剛度 (五)考慮被抓取對象的要求 3.1.3 手部夾緊氣缸的設計 1、手部驅動力計算 本次設計的工業(yè)機器人夾持器結構原理如圖3-2所示： 圖3-2 齒輪齒條式手部 其工件重量G=5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數為 其驅動力為: 握力計算公式: 所以 (3)實際驅動力: 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。其公式為: 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: Gf = 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數. - 彈簧材料剪切模量，一般取 則: 氣缸的直徑: 代入有關數據，可得 所以: 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 有: 其中，[]， 則: 滿足實際設計要求。 3,缸筒壁厚的設計 式中:缸筒壁厚，mm - 氣缸內徑，mm - 實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 3.2 回轉氣缸的驅動力矩計算 單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為: , 或 3.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核 1.尺寸設計 氣缸長度,氣缸內徑=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強, 則力矩 2. 尺寸校核 1．測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： （） 已知整個工件的重量為5千克，5,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量 。 假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距 ，其轉動慣量為: 2、與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線,則 + 3、 手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 4、在此處估計為的3倍， 3 設計尺寸符合使用要求，安全。 4 工業(yè)機器人夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核 4.1 齒輪的強度計算與校核 由于工業(yè)機器人夾持器的主動齒輪和從動齒輪材料均選用45,調質處理。 查得： 則： 查《機械設計基礎》圖，得： (1)驗算齒面接觸疲勞強度 載荷系數，取K=1.5，查得： 接觸應力為： (2)驗算齒根彎曲疲勞強度 取 K=1.5 查表：許用彎曲應力： 彎曲疲勞強度的最小安全系數，取則： ，由上述計算可知，均滿足要求。 4.2 軸的強度計算與校核 按彎扭合成應力校核軸的強度 軸的計算應力 MPa 選定軸的材料為45鋼，調質處理，MPa。因此，，故安全。 （7）精確校核軸的疲勞強度 ①判斷危險截面 從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面IV和V引起的應力集中最嚴重，而V受的彎矩較大；從受載的情況來看，截面C的應力最大，但應力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。 ②截面V左側 抗彎截面系數 mm （3.44） 抗扭截面系數 mm （3.45） 截面V左側的彎矩M為 Mpa （3.46） 截面V上的扭矩T為 MPa 截面上的彎曲應 Mpa （3.47） 截面上的扭轉切應力MPa （3.48） 軸的材料為45鋼，調質處理。由文獻[1]表可知，MPa，MPa，MPa。用插入法求出： ，軸按精車加工，表面質量系數為： 軸未經表面強化處理， 固得綜合系數為： （3.49） 由文獻[1] ，可知，碳鋼的特性系數 取 取 所以軸在截面V左側的安全系數為 （3.50） （3.51） （3.52） 故該軸在截面V左側的強度是足夠的。 ③截面V右側 抗彎截面系數 mm 抗扭截面系數 mm 截面V左側的彎矩M為 MPa 截面V上的扭矩T為 MPa 截面上的彎曲應力 MPa 截面上的扭轉切應力 MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及按附表查取。因，， ， 又由文獻[1]附圖可得軸的材料的敏感系數為：， 故有效應力集中系數按文獻[1，附]為： （3.53） 軸的截面形狀系數為 軸的材料的敏感扭轉剪切尺寸系數為 綜合系數為 所以軸在截面V左側的安全系數為 故該軸在截面V左側的強度是足夠的。 總 結 通過本次畢業(yè)設計，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度，本文所設計的是工業(yè)機器人夾持器的設計，通過初期的方案的制定，查資料和開始正式做畢設，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致 謝 直到今天，論文總算完成了，我的心里感到特別高興和激動，在這里，我打心里向我的導師和同學們表示衷心的感謝！因為有了老師的諄諄教導，才讓我學到了很多知識和做人的道理，由衷地感謝我親愛的老師，您不僅在學術上對我精心指導，在生活上面也給予我無微不至的關懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學階段的學業(yè)，也學到了很多有用的知識，同時我的生活中的也有了一個明確的目標。知道想要什么，不再是過去的那個愛玩的我了。導師嚴謹的治學態(tài)度，創(chuàng)新的學術風格，認真負責，無私奉獻，寬容豁達的教學態(tài)度都是我們應該學習和提倡的。通過近半年的設計計算，查找各類工業(yè)機器人夾持器的相關資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因為我是怎么想的，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學四年的知識和反映。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是來自老師和同學的潛移默化讓我學到很多有用的知識，在這里，謝謝老師以及所有關心我和幫助我的人，謝謝大家。 參考文獻 [1]張福學編著.工業(yè)機器人夾持器技術及其應用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.工業(yè)機器人夾持器的原理及應用.北京：高等教育出版社，1996。 [3]張利平著. 破碎機實用技術速查手冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2006.12。 [4]李寶仁著. 氣動技術—低成本綜合自動化. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學義著. 工業(yè)機器人夾持器速查手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.3。 [6]陳奎生著. 氣與氣壓傳動. 武漢：武漢理工大學出版社，2008.5。 [7]SMC（中國）有限公司. 工業(yè)機器人夾持器實用技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.10 [8]徐文燦著. 工業(yè)機器人夾持器系統(tǒng)設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1995。 [9]曾孔庚.工業(yè)機器人夾持器的發(fā)展趨勢. 工業(yè)機器人技術與應用論壇。 [10]壽慶豐.一種多指多關節(jié)機器手爪. 機械設計1999年第3期，第3卷。 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