成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 I 摘要 在工業(yè)上，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。本設(shè)計為三自由度直角坐標型工業(yè)機器人，其工作方向為三個直線方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個地方搬到另一個地方這一簡單的動作 ,本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。 關(guān)鍵詞：三自由度 直角坐標 工業(yè)機器人 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 t is to of of of to of is of 目錄 言 1 第 1章 概述 2 器人概述 2 器人的歷史和現(xiàn)狀 4 器人的發(fā)展趨勢 6 第 2章 總體設(shè)計 8 機器人的組成及各部分關(guān)系概述 8 總體方案擬定 9 驅(qū)動方式的選擇 11 第 3 章 機械系統(tǒng)設(shè)計 13 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 傳動絲桿的設(shè)計 17 導軌的設(shè)計 20 軸承的選擇 21 電機的選擇 22 第 4 章 總結(jié) 25 致謝 27 摘要 I 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 參考文獻 27 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 1 前 言 隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，自動化控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化機床控制，計算機系統(tǒng)，機器人等。而工業(yè)機器人是相對較新的電子設(shè)備，它正開始改變現(xiàn)代化工業(yè)面貌。 機器人就 是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工，大大降低了勞動力，并且大大增加了工作效率和降低了產(chǎn)品的成本，對現(xiàn)代社會發(fā)展起到非常重要的作用，但現(xiàn)在的工業(yè)機器人只是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。還有它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機 器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（ 求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在 種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非 常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。 由于種種原因，我國的工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 國內(nèi)通過 “ 七五 ” 機器人技術(shù)攻關(guān)，已具備了生產(chǎn)國產(chǎn)機器人的基礎(chǔ)，但國產(chǎn)機器人無論在技術(shù)上，還是可靠性上，都與國外機器人差相當一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開放型的自主科研道路 。 本設(shè)計根據(jù)所需的要求和實踐理論分析，設(shè)計了整個系統(tǒng)由 電機驅(qū)動的三自由度機器人，使 工件從一個位置運送至指定位置，機械手在規(guī)定時間內(nèi)把工件沿指定路線搬運到另一個位置。 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 2 第 1 章 概述 器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng) 用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機器人”（ 數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（ 它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上 下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“ 它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 3 人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。 要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu) 執(zhí)行 機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1示。 執(zhí) 行 機 構(gòu)機器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 - 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機圖 1器人的一般組成 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。 驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又稱操作機(相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 4 器人的歷史和現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969年從美國 引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) 和柔性制造單元 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議 論和研究機器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于 人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 5 的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（ 要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人 系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （ 1） 1963為試驗定型階段。 1963，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。 1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為 1900型。 （ 2） 1968為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機器人； 1969 年該公司又自行研制出 工業(yè)機器人，并用 21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司 32 條沖壓自動線上的 448 臺沖床都 用工業(yè)機器人傳遞工件。 （ 3） 1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。 1970，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。 1970 年 4 月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約 200臺工業(yè)機器人，工作時間共達 60 萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（ 明了用小型計算機控制 50 臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由 25 臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 其 他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從 1967， 1968 年開始以美國的“ “ 機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說， 1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“ ,川崎重工公司引進“ 并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約 10 年的實用化時期以后，從成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 6 1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 5，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展 比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 國內(nèi)各行各業(yè)對機器人的需求將越來越多，國內(nèi)市場將穩(wěn)步增長，根據(jù)目前的現(xiàn)狀，我國機器人近幾年發(fā)展的形式將會怎樣呢？根據(jù)我們的分析將會呈現(xiàn)如下幾個特點： 1從國際市場來看，機器人工業(yè)是一種高投入低贏利的產(chǎn)業(yè)，市場競爭極為激烈，機器人工業(yè)必須上一定規(guī)模才有利潤可言，才有必需的開發(fā)投入，才能走上良性循環(huán)的發(fā)展道路。世界上機器人產(chǎn)量最大的三家公司年產(chǎn)機器人數(shù)均超千臺以上，其 中 司達到 9000 臺，安川電機公司近 2500 臺， 司近 2000 臺，從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，大公司、大企業(yè)通過與外國機器人公司合資合作，引進技術(shù)和資金，逐步規(guī)模化生產(chǎn)機器人，把國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)推向一個新的階段，其中有代表性的，如首鋼集團公司與安川電機公司合資的首鋼莫托曼公司、唐山電子設(shè)備廠與松下電器公司合資的唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司、東風汽車公司與德國 司合作、濟南二機床公司與美國 器人公司合作等等。這些合資合作的開展，將會有效地推動中國機器人工業(yè)的進步，全面促進中國機器人工業(yè)水平的提高，但 是它也會和其他外國機器人公司一樣，沖擊中國機器人市場，影響具有自主開發(fā)能力的中國機器人產(chǎn)業(yè)的形成，也會使國內(nèi)其他的機器人生產(chǎn)廠家面臨一種嚴峻的挑戰(zhàn)。 2由注重機器人單機開發(fā)過渡到成套開發(fā)機器人應(yīng)用系統(tǒng) 生產(chǎn)機器人多的大型公司，可以憑借規(guī)模優(yōu)勢，占據(jù)較大的市場份額，形成規(guī)模效益，而一些中小公司要想在激烈的市場競爭中求得生存，必須具有自己的特色。國外許多中小公司把自己的市場定位在機器人系統(tǒng)集成或某些有特長領(lǐng)成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 7 域，從而形成自己的局部優(yōu)勢，在市場中求得生存和發(fā)展，如奧地利 司以向用戶提供大型機器人焊接系統(tǒng)著稱 ，機器人在系統(tǒng)中只占售價的 1/3 左右，賣單臺機器人贏利甚微，而賣機器人系統(tǒng)卻贏利可觀。意大利 司以承接壓機生產(chǎn)線見長，在這里，機器人系統(tǒng)是促銷售的關(guān)鍵。我國國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家規(guī)模大都較小，甚至談不上規(guī)模，而國內(nèi)一般企業(yè)又沒有能力將機器人有效地集成到生產(chǎn)系統(tǒng)中去，因此，那些進行系統(tǒng)集成并向用戶提供一條龍服務(wù)的公司，在機器人市場中將有較強的競爭力。國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家中北京機械工業(yè)自動化研究所，以承接涂裝自動化生產(chǎn)線見長，累計產(chǎn)值近 2000 萬元，中國科學院沈陽自動化研究所承接焊接生產(chǎn)線，累計產(chǎn)值近 5000 萬元，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所的機器人碼垛生產(chǎn)線正在產(chǎn)業(yè)化，累計產(chǎn)值超千萬元。 3機器人開發(fā)走開放型科研之路 國內(nèi)通過 “ 七五 ” 機器人技術(shù)攻關(guān)，已具備了生產(chǎn)國產(chǎn)機器人的基礎(chǔ)，但國產(chǎn)機器人無論在技術(shù)上，還是可靠性上，都與國外機器人差相當一段距離，要盡快縮短這種距離，必須走一條開放型的自主科研道路。 1）多方籌措開發(fā)資金，通過政府部門投資、用戶單位投資、自我積累、外商投資、銀行貸款等形式，籌措國產(chǎn)機器人的開發(fā)資金。 2）消化和利用國外機器人技術(shù)、資料、樣機和關(guān)鍵元器件，為我所用。 3）選擇引進國外質(zhì)量可靠的 機器人零部件和元器件。 4）大力開展國內(nèi)合作，利用國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)具有中國技術(shù)特色的國產(chǎn)機器人產(chǎn)品。 5）注意機器人產(chǎn)品的高可靠性，使國產(chǎn)機器人的可靠性與國外機器人具有可比性，同時要做到低成本、易操作 。 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 8 第 2 章 總體設(shè)計 器人的組成及各部分關(guān)系概述 機器人的組成圖 它主要由機械系統(tǒng) (執(zhí)行系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng) )、控制檢測系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 A、 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身 等。 （ 1） 手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 （ 2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 （ 3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，并把它傳遞到預定的位置。 （ 4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部升降或俯仰運動。 B、 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。本設(shè)計使用的是電傳動。 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 9 C、 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。 D、 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進行比較，以保證運動符合要求。 各部分關(guān)系圖 體方案擬定 本設(shè)計喂三自由度機器人，其工作方向為 X,Y,Z 三個直線方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一個位置放到另一個位置，以實現(xiàn)自動化，減少人力勞動。本文是對整個設(shè)計工作較全面的介紹和總結(jié)。 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 10 工件搬運圖 除去機械手的總體框架 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 11 動方式的選擇 機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表 2 2種驅(qū)動方式的特點對照 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電 機 驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為50 140，壓力范圍為48 60 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精 確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除 以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊 ，無密封問題 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 12 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于10000 個大氣壓 )時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 續(xù)表 2種驅(qū)動方式的特點對照 在工業(yè)機器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、 速度較高的機器人，如 服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1）驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 2）反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 3）驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 13 4）安全可靠； 5）操作和維護方便； 6） 對環(huán)境無污染，噪聲要?。?7）經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 經(jīng)上述分析此三自由度機器人 X,Y,Z 方向驅(qū)動及機械手的驅(qū)動采用電機驅(qū)動。 第 3 章 機械系統(tǒng)設(shè)計 械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 搬運機器人能夠模仿人手部的部分動作，按照設(shè)定的程序、軌跡和要求， 代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，實現(xiàn)一些人工不可能完成的工作， 這不僅可以使人手避免出現(xiàn)可能的危險情況，保障生產(chǎn)安全，還能促進工作線的流水化，提高了工作效率， 降低了勞動強度，改善了勞動環(huán)境，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一種自動化裝 置。 根據(jù)對 機器人 的工藝過程及控制要求分析，機械手的動作過程如圖所示： 以下是機械手的視圖表示： 原點 下降 抓緊 X,Y,Z 方向的運動 放松 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 14 主視圖 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 15 左視圖 俯視圖 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 16 三視圖 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 17 動絲桿的設(shè)計 滑動螺旋的特點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；易于實現(xiàn)逆行程自鎖，工作安全可靠；摩擦阻力大，傳動效率低；容易磨損，軸向剛度較差。 滾珠螺旋的特點：摩擦阻力小，傳動效率高；磨損小、壽命長、工作可靠性好；具有運動的可逆性，應(yīng)設(shè)防逆動裝置；軸向剛度較高， 抗沖擊性能較差；結(jié)構(gòu)復雜，加工制造較難；預緊后得到很高的定位精度（約達 500）和重復定位精度（可達 12 參照設(shè)計要求發(fā)現(xiàn)，滑動螺旋和滾動螺旋均可滿足要求，擬選定滑動螺旋傳動方式。 （ 1）螺桿轉(zhuǎn)動一周，螺母移動一個螺距（彈頭螺紋）。因為螺距一般很小，所以在轉(zhuǎn)角很大的情況下，能獲得很小的直線位移量，可大大縮短機構(gòu)的傳動鏈，故裝置結(jié)構(gòu)緊湊。 （ 2）具有較好的增力作用。只要給主動件一個較小的轉(zhuǎn)矩，從動件即能獲得較大的轉(zhuǎn)矩。 （ 3）由于工作臺采用滑動螺旋設(shè)計，存在較大的滑 動摩擦，致使其效率偏低，磨損較快。 處理及精度 所有軸的制造材料均為 45 號鋼。螺紋部分采用表面淬火處理，保證硬度達到 45螺紋具有較好的強度和韌性?？紤]傳動工作臺的技術(shù)要求和安裝限制，選取公差等級為 考慮到實際中軸向力的影響較大，選取梯形螺紋作為基本齒形。根據(jù) 試?。ㄍ饴菁y）公稱直徑 2 0 0d ，對應(yīng)的中徑2 1 8 0d m m，小徑1 1 5 0d m m，螺距 4P 。由 于 徑的極限尺寸2 m a x 1 8 . 0 0 0d m m，2 m i n 1 7 0d m m。 現(xiàn)實中，滑動螺旋傳動的失效性是主要是螺紋的磨損、螺桿的變形或螺紋的成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 18 斷裂等。因此，滑動螺旋傳動的校核通常包括耐磨性、剛度、穩(wěn)定性及強度等方面。根據(jù)使用需要，還需進行驅(qū)動力矩、效率與自鎖等其他方面的計算。 （ 1）螺旋升角 及誘導摩擦角2t a n / 0 . 0 7 0 7 7，得 43 。 查表 【 1】 ，鋼的摩擦系數(shù) ，因而a r c t a n 5 5 5c o s 2v。 其中，梯形螺紋的牙型半角 30 。 （ 2）軸向力根據(jù)要求，載重 。設(shè)計中留出預留量，即考慮徑向力，取2 ，則 23rF m 。根據(jù)力的合成原理，得 / t a n 8 7 9 N （ 3）耐磨性校核 因為磨損的速度與螺紋工作表面大小有直接關(guān)系，所以為了提高螺旋傳動壽命，必須限制螺紋工作表面壓強，即：220 . 7 8 5P h H 這里，取梯形螺紋螺紋工作高度 0 h P m m。試選用整體式螺母 ( )，因而 3 9 h m m 。 這里初步確定螺紋材料為 45 號鋼，為兼顧螺紋的硬度和韌性要求，進行比表面淬火處理，保證 0 50。 查表 【 1】 得 45 號鋼的許用壓強 2 ( 6 8 )p N m m 。顯然，有 成立，合格。 又螺母螺紋扣數(shù) 9 0 ，合格。 （ 4）驅(qū)動力矩 T 、傳動效率 及自鎖性校核 對于單線螺桿， 4 。視螺旋副克服摩擦力的力矩為其驅(qū)動力矩，即 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 19 2 t a n ( ) 1 3 9 0 . 22a N m m 傳動效率 t a n 4 0 . 2 9 %t a n ( )顯然，v，故 當驅(qū)動力矩去除后，螺旋將會自鎖，實現(xiàn)“穩(wěn)定剎車”。 （ 5）剛度校核 在長度為 1m 的螺紋上，因軸向載荷 作用而產(chǎn)生的螺距累計變化量 262 2 424 16( ) 1 0 1 7 . 6 1P G d 查表 1【 1】 可知，67 ，精度等級合格。 表 1 精度等級 5 6 7 8 9 1 / ( ) 10 15 30 55 110 （ 6）穩(wěn)定性校核 螺桿在受軸向載荷防止螺桿長度與直徑比過大而造成側(cè)向彎曲。 顯然，有螺桿最大工作長度 螺紋部分長度 工作行程 +螺母高度 工作行程 +旋合長度， 即g g L H L L 螺桿失穩(wěn)時的臨界軸向載荷 4 2 62 / 6 . 5 6 1 1 0m d L N 。其中， 支撐狀況選定為兩端固定（即軸向和徑向均存在載荷作用），取 支撐系數(shù) 424 0 1 0m N m m 綜上，有 4719F （安全系數(shù) 4 ），合格 （ 7）強度校核 按第四強度理論校核螺桿強度，即 成都工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 20 桿所受應(yīng)力 2 2 223334( ) 3 ( ) 5 . 6 7 20 . 2 N m 查表 【 1】 得 45號鋼得許用應(yīng)力2360 7 2 1 2 0( 3 5 ) ( 3 5 )s N m m 顯然， ，合格 （ 8）重復精度校核 由 得在 度等級下每一螺距的螺距誤差為 6 ，螺距的累積誤差 P為： 5， 00， 00；牙型半角允差為 20 。 因此，由螺桿傳動造成的重復精度 20 2 1 8 . 4 5 01000P P m m ，合格 至此，所選外螺紋的所有技術(shù)指標均已校驗完畢，結(jié)果在合格范圍之內(nèi)。因而，最終確定所選外螺紋各技術(shù)數(shù)據(jù)如下： 公稱直徑 2 0 0d ， 中 徑2 1 8 0d m m(2 m a x 1 8 . 0 0 0d m m，2 m i n 1 7 0d m m)，小徑1 1 5 0d m m，螺距 4P ，螺旋升角 43。 內(nèi)外螺紋精度