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無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 工業(yè)機器人設計 機 電 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923195 學生姓名： 白文杰 指導教師： 黃敏 （職稱：副教授 ） 2012 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 工業(yè)機器人設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè) 設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計 （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 號： 0923195 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 無 錫 太 湖 學 院 機 械 系 機 電 一 體 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 工業(yè)機器人設計 2、專題 二、課題來源及選題依據 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、控制技術、 傳感技術和人工智能技術的迅速發(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、機構學、信息和傳感技術、人工智能、 仿生學等多門學科而形成的高新技術。其本質是感知、決策、行動和交互四 大技術的綜合，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的一項技術。機器人應 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、機械設計、材料力學機器人、傳動、實體建模、有限元分析 等方面的相關內容的運用能力。 3、本設計（論文或其他）應達到的要求： ①了解工業(yè)機器人設計原理，國內外的研究發(fā)展現狀； ② 完成工業(yè)機器人設計的總體方案設計； I ③完成有關零部件的選型計算、結構強度校核及氣動系統設計； ④熟練掌握有關計算機繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合 A0 不少 于 2.5 張； ⑤完成設計說明書的撰寫，并翻譯外文資料 1 篇 。 四、接受任務學生： 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、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學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)機器人設計 II 摘 要 在生產過程工業(yè)機械手是模擬人手動作的機械設備，它可以替代人工搬運重物或單 調，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 在生產過程中的自動化抓住并移動工件自動化設備，它是在生產過程的機械化和自動化， 開發(fā)出一種新的類型的設備。近年來，隨著電子技術，特別是計算機的廣泛使用機器人 的開發(fā)和生產的高科技領域已成為迅速發(fā)展起來的一項新興技術，它更促進機器人的發(fā) 展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手能夠代替人類完成 危險、減輕人類勞動強度、重復枯燥的工作，提高勞動生產力。 本設計是關于三自由度的圓柱形機械手。利用 Auto CAD 軟件對制件進行設計繪圖。 其包括夾持器、小臂、大臂和底座。明確合理的設計思路，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量、重心、 慣性主軸和慣性力矩進行輔助設計計算，可以大大減輕在設計過程中繁瑣計算及校核步 驟。 關鍵字：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 本課題研究的內容和意義 .................................................1 1.2 國內外發(fā)展概況 .........................................................1 1.3 工業(yè)機械手設計內容 .....................................................2 1.4 機械手設計的作用 .......................................................2 1.5 工業(yè)機械手的分類和組成 .................................................2 2 手部的設計 ................................................................5 2.1 機械手設計參數和運動方案 ...............................................5 2.1.1 運動方案 ............................................................5 2.1.2 驅動系統和位置檢測裝置的選擇： ......................................5 2.2 手部設計的結構和計算 ...................................................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 手爪驅動氣缸的設計 ..................................................8 2.3.3 手部誤差的分析 .....................................................10 3 機械手臂的設計 ...........................................................12 3.1 機械小臂設計 ..........................................................12 3.1.1 小臂驅動力的計算 ...................................................12 3.1.2 小臂驅動氣缸的設計 .................................................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 大臂的結構設計 ........................................................17 3.2.1 大臂的結構和要求 ...................................................17 V 3.2.2 驅動力的計算 .......................................................17 3.2.3 大臂驅動氣缸的設計 .................................................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 驅動系統設計 .............................................................20 4.1 軸承的設計 ............................................................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 諧波減速器的設計 ...................................................25 4.4 腰座的結構 ............................................................26 5 總 結 ..................................................................28 致 謝 ....................................................................29 參考文獻 ...................................................................30 附 錄 .....................................................................31 工業(yè)機器人設計 6 1 緒論 1.1 本課題研究的內容和意義 機械工業(yè)是國民的基本部分。工業(yè)機械手的設計是一項綜合設計與機械制造，機電 工程等專業(yè)聯系一起。通過這次設計提高學生的機構分析能力，機電一體化機械結構設 計的設計能力提升。來學習一些生產時的設計方法。 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。這體現了人類智能和適 應性，機械手能在各個環(huán)境下完成作業(yè)能力，在國民經濟發(fā)展中起著重要的作用，具有 很廣闊的前景。近 20 年來，氣動技術的運用領域迅速拓寬，尤其在各個生產線上的應用。 可編程控制和氣動驅動相結合，使整個自動化系統更高級。控制更加的靈敏，性能更佳 的可靠。 工業(yè)機械手設計是機械設計，機電一體化，機械制造等我們學習的專業(yè)中一個重要 的環(huán)節(jié)，是學完有關專業(yè)課和教學基礎課程的一次專業(yè)的綜合設計。學生的機械結構設 計和分析綜合能力都得到了有效的提高。通過這次學習得到了掌握生場自動化的設計技 能。 經過這次設計，可以把有聯系的課程（氣動技術，機械設計，機械原理，測試技術， 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合。所以說機械手設計是一門比較綜合的設計。 經過這次設計，培養(yǎng)了學生獨立分析機械設計的能力，樹立了正確的設計思想和思 維，掌握了機電一體化一些機電產品的步驟和基本設計方法，這樣為今后自動化的設計 打下了良好的基礎。 通過本次的機械手的設計，讓學生熟練的去掌握和運用一些相關的知識，比如參考 資料還有范文章結構。是學生具有一個設計人員應該具有的基本設計技能 [1]。 1.2 國內外發(fā)展概況 現在對于國內的情況，機械手大部分的使用在各個領域。比如：在冷加工工業(yè)里還 有在機床的加工上。當然我們在生產過程中會有很多的困難。比如說：形式復雜和環(huán)境 溫度過于高這些都影響著生產。但我們可以提供這方面的技術解決困難，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)技術水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。 現在對于國外在行業(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。國外實質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，并相應的做出反應和變更。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，強調視覺功能和觸覺功能的研究。已經取得了一些成果。 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 的新產品，以實現六軸負載 2KG 生產系統量 已超過總重量為 100KG。更重要的是，機器人手的柔性制造系統和柔性制造單元相結合， 從根本上改變當前系統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，其應用將超過傳統的機械領域，向電子，生物，生命及科學，航空和航天等高端產 業(yè)方向上發(fā)展。 1.3 工業(yè)機械手設計內容 機電一體化技術是集合機械工程、傳感技術、信息處理技術等形成的一種綜合的技 術。盡管機電一體化的產品種類比較多，但由于他們形式和復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)機械手的設計在內容和知識還 有深度上都是適中的。 我們所要設計的是擬定整體的方案，驅動裝置和傳動裝置的方案。根據自由度選擇 和合適的參數選擇合適的手部和腕部還有臂和機身的結構。完成各部分的計算。工業(yè)機 械手工作裝配圖的設計與繪制。氣壓系統的設計。機械手的運動分析。最后寫上說明書。 1.4 機械手設計的作用 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， 已成為國內汽車生產線。 2）在實現單機自動化方面。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。如果實現自動化只需要一個人去看管機器。 現在機械手在這方面運用的有很多。一些國產機在出廠時附帶機械手，安裝機器人的用 戶提供了條件。 3）國內大規(guī)模生產 3T，5T，10T 鍛造錘，轉一轉爐下部，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。只要合理的設計，合理的選材就可以在高 溫、有害氣體、放射性物質、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，可以把人們從單調的勞動中解救出來。甚至擴大了 人的功能，他進行適當的維修、檢修即能實現長時間的單調重復的工作，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，能適應產品的變化。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)內容。在小批量生產中，起著重 要的作用。采用機械手能明顯提高勞動生產效率和生產成本。