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無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 工業(yè)機器人設(shè)計 機 電 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923195 學(xué)生姓名： 白文杰 指導(dǎo)教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） 2012 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 工業(yè)機器人設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計 （論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 94 學(xué) 號： 0923195 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學(xué) 院 機 械 系 機 電 一 體 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 工業(yè)機器人設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 工業(yè)機器人對于人類來說是當今世界最為突出的發(fā)明之一，人類對機器 人深入的進行研究。在上個世紀的 70 年代以后，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、 傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人的研究也進入了高速發(fā)展 的階段，成為綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、 仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四 大技術(shù)的綜合，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的一項技術(shù)。機器人應(yīng) 用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 本課程通過對工業(yè)機器人設(shè)計，幫助自身加深對的理解和提高對其專業(yè) 知識機械原理、機械設(shè)計、材料力學(xué)機器人、傳動、實體建模、有限元分析 等方面的相關(guān)內(nèi)容的運用能力。 3、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： ①了解工業(yè)機器人設(shè)計原理，國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成工業(yè)機器人設(shè)計的總體方案設(shè)計； I ③完成有關(guān)零部件的選型計算、結(jié)構(gòu)強度校核及氣動系統(tǒng)設(shè)計； ④熟練掌握有關(guān)計算機繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合 A0 不少 于 2.5 張； ⑤完成設(shè)計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 94 班 姓名 白文杰 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2013 年 11 月 12 日 工業(yè)機器人設(shè)計 II 摘 要 在生產(chǎn)過程工業(yè)機械手是模擬人手動作的機械設(shè)備，它可以替代人工搬運重物或單 調(diào)，在高粉塵，高溫，有毒，易燃，放射性和其他相對較差的工作環(huán)境。機器人可用于 在生產(chǎn)過程中的自動化抓住并移動工件自動化設(shè)備，它是在生產(chǎn)過程的機械化和自動化， 開發(fā)出一種新的類型的設(shè)備。近年來，隨著電子技術(shù)，特別是計算機的廣泛使用機器人 的開發(fā)和生產(chǎn)的高科技領(lǐng)域已成為迅速發(fā)展起來的一項新興技術(shù)，它更促進機器人的發(fā) 展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能夠代替人類完成 危險、減輕人類勞動強度、重復(fù)枯燥的工作，提高勞動生產(chǎn)力。 本設(shè)計是關(guān)于三自由度的圓柱形機械手。利用 Auto CAD 軟件對制件進行設(shè)計繪圖。 其包括夾持器、小臂、大臂和底座。明確合理的設(shè)計思路，確定了機械手工作原理并對 然夾持器、氣缸、步進電機、軸承進行了校核計算并附帶了簡圖并對零件的質(zhì)量、重心、 慣性主軸和慣性力矩進行輔助設(shè)計計算，可以大大減輕在設(shè)計過程中繁瑣計算及校核步 驟。 關(guān)鍵字：機械手，氣缸，校核。 III Abstract Industrial manipulator is the mechanical equipment which is used in the production process and simulate to the behave of hands with electrical integration. It can carry heavy objects and work in the harsh environment which is high temperature, poisonous ,full of dust, flammable and combustible monotonous and full of radioactive substance instead of people. Manipulator is a automatic device which is used in the automatic production process and it can carry and move things. It is a new device which is developed in the mechanization and automatic production process. In recent years , with the widely used of electronic technique especially the electronic computer. The research and production of robot has became a new technology which is developing rapidly in the high-tech industry . It promotes the development of manipulator. It makes the combination of the manipulator with mechanization and automation become easier . Manipulator can complete the dangerous and boring work instead of people. It can reduce labour intensity of people and raise the labour productivity . This design is a cylindrical manipulator which is related to delta degrees of freedom. It designs and draws the picture with Auto cad software ,it includes holder, a small arm, the big arm and the base. The clear and reasonable thinking determines the working principle of the manipulator . This also checks and calculates the holder, cylinder, stepper motor and bearing. Apart from this , it contains some pictures and design and measure the quality , barycentre principal axis of inertia and force of parts. It can greatly reduce the complicated calculation and check in the design process. Keywords: robot, cylinder, checking IV 目錄 摘 要 .....................................................................III ABSTRACT ...................................................................IV 目錄 ........................................................................V 1 緒論 ......................................................................1 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 .................................................1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況 .........................................................1 1.3 工業(yè)機械手設(shè)計內(nèi)容 .....................................................2 1.4 機械手設(shè)計的作用 .......................................................2 1.5 工業(yè)機械手的分類和組成 .................................................2 2 手部的設(shè)計 ................................................................5 2.1 機械手設(shè)計參數(shù)和運動方案 ...............................................5 2.1.1 運動方案 ............................................................5 2.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)和位置檢測裝置的選擇： ......................................5 2.2 手部設(shè)計的結(jié)構(gòu)和計算 ...................................................6 2.2.1 機械手的基本要求 ....................................................6 2.3 手部力的計算 ...........................................................7 2.3.1 夾緊力的計算 ........................................................7 2.3.2 手爪驅(qū)動氣缸的設(shè)計 ..................................................8 2.3.3 手部誤差的分析 .....................................................10 3 機械手臂的設(shè)計 ...........................................................12 3.1 機械小臂設(shè)計 ..........................................................12 3.1.1 小臂驅(qū)動力的計算 ...................................................12 3.1.2 小臂驅(qū)動氣缸的設(shè)計 .................................................13 3.1.3 氣缸筒壁厚 的計算 .................................................14? 3.1.4 氣缸的選用 ........................................................14 3.1.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................14 3.1.6 小臂剛度校核 .......................................................15 3.1.7 端蓋的連接方式及強度計算 ...........................................15 3.2 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ........................................................17 3.2.1 大臂的結(jié)構(gòu)和要求 ...................................................17 V 3.2.2 驅(qū)動力的計算 .......................................................17 3.2.3 大臂驅(qū)動氣缸的設(shè)計 .................................................17 3.2.4 氣缸的選擇 .........................................................18 3.2.5 校核活塞的穩(wěn)定性 ...................................................18 3.2.6 大臂剛度校核 .......................................................19 4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 .............................................................20 4.1 軸承的設(shè)計 ............................................................20 4.1.1 軸承的選擇 .........................................................20 4.1.2 軸承的計算： .......................................................20 4.1.3 軸承的壽命校核： ...................................................21 4.2 電機的基本情況和選擇 ..................................................22 4.2.1 電機的選則與計算 ...................................................22 4.2.2 注意事項 ...........................................................23 4.2.3 工作原理 ...........................................................24 4.2.4 步進電機的特點 .....................................................24 4.3 諧波減速器 ............................................................24 4.3.1 諧波減速器的簡介 ...................................................24 4.3.2 諧波減速器的設(shè)計 ...................................................25 4.4 腰座的結(jié)構(gòu) ............................................................26 5 總 結(jié) ..................................................................28 致 謝 ....................................................................29 參考文獻 ...................................................................30 附 錄 .....................................................................31 工業(yè)機器人設(shè)計 6 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 機械工業(yè)是國民的基本部分。工業(yè)機械手的設(shè)計是一項綜合設(shè)計與機械制造，機電 工程等專業(yè)聯(lián)系一起。通過這次設(shè)計提高學(xué)生的機構(gòu)分析能力，機電一體化機械結(jié)構(gòu)設(shè) 計的設(shè)計能力提升。來學(xué)習一些生產(chǎn)時的設(shè)計方法。 工業(yè)機械手是近十年來發(fā)展起來的，一種高科技自動生產(chǎn)。這體現(xiàn)了人類智能和適 應(yīng)性，機械手能在各個環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來，氣動技術(shù)的運用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其在各個生產(chǎn)線上的應(yīng)用。 可編程控制和氣動驅(qū)動相結(jié)合，使整個自動化系統(tǒng)更高級?？刂聘拥撵`敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計，機電一體化，機械制造等我們學(xué)習的專業(yè)中一個重要 的環(huán)節(jié)，是學(xué)完有關(guān)專業(yè)課和教學(xué)基礎(chǔ)課程的一次專業(yè)的綜合設(shè)計。學(xué)生的機械結(jié)構(gòu)設(shè) 計和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過這次學(xué)習得到了掌握生場自動化的設(shè)計技 能。 經(jīng)過這次設(shè)計，可以把有聯(lián)系的課程（氣動技術(shù)，機械設(shè)計，機械原理，測試技術(shù)， 危機計算機原理等）中我們所知道的理論性知識加以運用，從而得到鞏固和發(fā)展，讓理 論和實際得到了更好的結(jié)合。所以說機械手設(shè)計是一門比較綜合的設(shè)計。 經(jīng)過這次設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生獨立分析機械設(shè)計的能力，樹立了正確的設(shè)計思想和思 維，掌握了機電一體化一些機電產(chǎn)品的步驟和基本設(shè)計方法，這樣為今后自動化的設(shè)計 打下了良好的基礎(chǔ)。 通過本次的機械手的設(shè)計，讓學(xué)生熟練的去掌握和運用一些相關(guān)的知識，比如參考 資料還有范文章結(jié)構(gòu)。是學(xué)生具有一個設(shè)計人員應(yīng)該具有的基本設(shè)計技能 [1]。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況 現(xiàn)在對于國內(nèi)的情況，機械手大部分的使用在各個領(lǐng)域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機床的加工上。當然我們在生產(chǎn)過程中會有很多的困難。比如說：形式復(fù)雜和環(huán)境 溫度過于高這些都影響著生產(chǎn)。但我們可以提供這方面的技術(shù)解決困難，讓機械手更好 的工作為了更好的得機械手的能力，我們要提高它的性能和速度。在其它行業(yè)和工業(yè)部 門，也隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。 現(xiàn)在對于國外在行業(yè)中運用機械手有很多。美國首先把機械手運用于搬運一些對人 體具有傷害的放射性物質(zhì)。國外實質(zhì)上是使用的是定位控制機械手，他沒有視覺上和觸 覺上的反饋。世界各地正在積極地研究視覺和觸覺上有反饋的機械手，讓他能夠準確的 來定位工件的位置和準確的夾持工件。為了判斷機械手抓取的是否是工件，她有視覺傳 感器輸入 三個方向的視覺的信息，因此，在計算機圖形分析，以確定是否抓取工件。目前主要運 用在機床，壓力機的下料和橫斷壓力機的下料，以及噴漆和點焊等作業(yè)。在國外發(fā)展機 械手的趨勢是加大力度研制具有某種智能能力的機械手。讓其具有一定的傳感的能力， 7 對于外界的變化能夠反饋，并相應(yīng)的做出反應(yīng)和變更。如果有一個位置稍有偏差，即是 能夠自我糾正，但也可以檢測，強調(diào)視覺功能和觸覺功能的研究。已經(jīng)取得了一些成果。 世界高端工業(yè)機器人，高精密，高速，多軸，輕量級的趨勢。符合要求的微米和亞微米 級的定位精度，它的運行速度可達到 3M/S 的新產(chǎn)品，以實現(xiàn)六軸負載 2KG 生產(chǎn)系統(tǒng)量 已超過總重量為 100KG。更重要的是，機器人手的柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合， 從根本上改變當前系統(tǒng)的手動操作的機械制造狀態(tài)。同時，隨著機器人和小型化再小型 化，其應(yīng)用將超過傳統(tǒng)的機械領(lǐng)域，向電子，生物，生命及科學(xué)，航空和航天等高端產(chǎn) 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機械手設(shè)計內(nèi)容 機電一體化技術(shù)是集合機械工程、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)等形成的一種綜合的技 術(shù)。盡管機電一體化的產(chǎn)品種類比較多，但由于他們形式和復(fù)雜程度還有功能的不同， 做工的機械本體部分是最基本的，必不可少的因素。工業(yè)機械手的設(shè)計在內(nèi)容和知識還 有深度上都是適中的。 我們所要設(shè)計的是擬定整體的方案，驅(qū)動裝置和傳動裝置的方案。根據(jù)自由度選擇 和合適的參數(shù)選擇合適的手部和腕部還有臂和機身的結(jié)構(gòu)。完成各部分的計算。工業(yè)機 械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制。氣壓系統(tǒng)的設(shè)計。機械手的運動分析。最后寫上說明書。 1.4 機械手設(shè)計的作用 機械手的廣泛運用可以歸納為以下幾方面： 1）建造軸類、盤類、環(huán)類的自動線。一般采用的都是機械手在傳送帶之間或機床之 間傳送工件。深井泵廠自動生產(chǎn)線在沈陽和大連軸承 4 軸和 5 軸加工自動馬達線軸等， 已成為國內(nèi)汽車生產(chǎn)線。 2）在實現(xiàn)單機自動化方面。各種的半自動化機床都有夾緊、進刀、切削、退刀和松 開等反面的功能。不過還需要人去上下料。如果實現(xiàn)自動化只需要一個人去看管機器。 現(xiàn)在機械手在這方面運用的有很多。一些國產(chǎn)機在出廠時附帶機械手，安裝機器人的用 戶提供了條件。 3）國內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn) 3T，5T，10T 鍛造錘，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)爐下部，兩個機器人放置在爐子前 有一定的角度，從而使材料的自動化。 總的來說：對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替危險的事物和對人有害的操作，長時間工作 對人有害的場所，對于機械手是沒有影響的。只要合理的設(shè)計，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質(zhì)、滅火等環(huán)境中都能自如的工作。 機械手的持久度和耐勞性能強，可以把人們從單調(diào)的勞動中解救出來。甚至擴大了 人的功能，他進行適當?shù)木S修、檢修即能實現(xiàn)長時間的單調(diào)重復(fù)的工作，有與機械手工 作精確度高，可以避免認為的操作錯誤。 機械手靈活性好，能適應(yīng)產(chǎn)品的變化。因為機械手的運動程序和運動位置能夠十分 靈活的改變。因為他的自由度，又能提供迅速改變作業(yè)內(nèi)容。在小批量生產(chǎn)中，起著重 要的作用。采用機械手能明顯提高勞動生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。