目录
目录 (1)
中文摘要 (2)
Abstract (2)
第1章绪论......‥ (3)
第2章工业机器人的总体设计 (3)
2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 (3)
2.2 工业机器人的设计分析 (4)
2.2.1 设计要求 (5)
2.2.2 总体方案拟定 (5)
2.2.3 工业机器人的主要技术参数 (5)
第3章工业机器人的机械系统设计 (6)
3.1 工业机器人的运动系统分析 (6)
3.1.1 机器人的运动概述 (6)
3.1.2 机器人的运动过程分析 (7)
3.2 工业机器人的执行机构设计 (8)
3.2.1 末端执行机构设计 (8)
3.2.2 手臂机构设计 (11)
3.2.3 腰部和基座设计 (12)
3.3 工业机器人的机械传动装置设计‥ (18)
3.3.1 滚珠丝杠的选择 (18)
3.3.2 谐波齿轮的选择 (19)
3.3.3 联轴器的选择 (20)
第4章工业机器人的计算机控制系统概述………………………………………………
20
4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求‥ (21)
4.2 计算机控制系统的设计方案 (22)
4.3 硬件电路的组成 (22)
第5章工业机器人运行时应采取的安全措施……………………………………………
22
5.1 安全要求 (22)
5.2 实施方法 (23)
鸣谢 (23)
参考文献…………………………………………………………………………………
24
中文摘要
在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人
Abstract
Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.
Key words：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计
第一章绪论
机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。
目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。
工业机器人以刚性高的手臂为级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：
第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。
第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。
第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
第2章工业机器人的总体设计
2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述
图2-1 工业机器人的组成图
它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。
（1）执行系统：执行系统取机构，它直接抓取工件或夹具。
（2）腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。
（3）臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。
（4）机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。
A、驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的
机械传动、液压传动、气压传动和电传动。
B、控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发
生错误或故障时发出报警信号。
C、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据
需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。
图2-2 各部分关系图
2.2工业机器人的设计分析
2.2.1 设计要求
综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。
原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为 1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。
零件尺寸：内孔￠100，壁厚 10，高 100。
零件材料：45钢。
2.2.2 总体方案拟定
在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术
基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。
图2-3 机器人外形图
2.2.3工业机器人主要技术性能参数
工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如
下：
A、抓取重量：
抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
B、抓取工件的极限尺寸：
C、抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础
范围：
指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。
D、运动速度：
是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人
的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为
180o/s，一般为50o/s。
E、编程方式和存储容量。
本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表1-1。
机械手类型三自由度圆柱坐标型
抓取重量 2.69Kg
自由度3个（1个回转2个移动）
机座长120mm，回转运动，回转角180°，步进电机驱动单片机控制
腰部机构长680mm，伸缩运动，升降范围450mm，步进电机驱动单片机控制
手臂机构长826mm，伸缩运动，伸缩范围50mm，液压缸驱动行程开关控制
第3章工业机器人的机械系统设计
3.1 工业机器人的运动系统分析
3.1.1 机器人的运动概述
工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。
如图2-1所示，为工业机器人机构的简图。
图3-1 机构简图
a．工业机器人的运是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。
本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。
b．机器人的工作空间和机械结构类型
（1）工作空间工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图3-2。
图3-2 工作空间图
（2）机械结构类型
圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。
3.1.2机器人的运动过程分析
工业机器人的运动过程中各动作如图3-3和表3-1。
图3-3
表3-1
机器人开机，处于A位工步一
手臂上升工步二，工步七，工步十三
旋转至B位工步三
手臂伸出工步四, 工步十
实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。
3.2工业机器人的执行机构设计
3.2.1 末端执行机构设计
工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。
3.2.1.1 设计时要注意的问题：
a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重
力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。
b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手
部接近工件的运动路线及其方位的影响。
c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。
d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。
e. 根据应用条件考虑通用性。
3.2.1.2 总体结构设计
采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图2-4。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。
图3-4 末端执行器
3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验
a．初选油缸型号
考虑到所要夹持的是很小的薄壁零件，最大工作载荷很小，故初选液压缸型号为Y-HG1-C40/22×25LF2HL1Q，它的主要技术参数如表2-2。
b ．
夹紧力校验 1）零件的计算
其中g 取9.8. 取G=27（N ）
2） 紧力的计算：
要夹持住零件必须满足条件：G fN ≥2
f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为45号钢，手指为钢材，查《机械零件手册》 表2-5 f=0.15，N 为作用在零件内壁上压紧力，G 为零件重力。
所以 )(9015
.02272N f G N =?=≥
取N=100（N ） 由《机械制造装备》式4-60可知驱动力的计算公式为：
2/()P bNtg c αη=
α 为斜面倾角，o 35=α，η为传动机构的效率，这里为平摩擦传动， 查《机械零件手册》表2-2 92.085.0-=η 这里取 0.85,
b=77.5mm,c=29mm 。
取p=500(N).按《液压传动与气压传动》公式 4-15
m P D F ηπ4
2
=
D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa ）,由《液压传动与气压传动》表9-1
取p=0.5MPa 。由《液压系统设计》可查得：m η=0.9～0.95, 所以
N P D F 5659.0105.04
)1040(14.3462
32
=?????==-ηπ
由以上计算可知液压缸能产生的推力F=565N 大于夹紧工件所需的推力P=500N 。所以该液压缸能够满足要求。 3.2.1.4 弹性爪的强度校验 弹性爪的结构形式如图3-7：
图3-7 弹性爪结构图
这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹簧板两端固定。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可以避免易损零件被抓伤，变形和破损。
工件与弹簧片间的力：
由上节可知F=100N。
则弹簧爪截面上的剪应力为[τ]=30MPa，
τ=Q/A= 故弹性爪满足强度要求。
3.2.2 手臂机构的设计
3.2.2.1 手臂的设计要求
a、手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求
b、根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。
c、尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置
的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。
d、要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲
和限位装置提高定位精度。
本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两
根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结
构如下图。
图3-8 手臂结构图
选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。
3.2.2.2 伸缩液压油缸的选择
选液压缸型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如表2-3。
表3-3 冶金设备标准液格
缸径
/mm
活塞杆直径 /mm 油口直径
速度比通径
/mm
联接螺纹
1.46 2
50 28 10 M18x1.5
3.2.2.3 活塞杆的强度校核
末端执行器的重量为：10.389Kg。
工件重量为：2.64Kg。
由静力平衡方ΣM B=0 R1·LAB －Q·LBC=0
ΣM A=0 R2－ Q·LAC=0
求得支反力为：
R1=524.88N
R2=673.16N
以A点为坐标原点，得剪力图和弯矩图如下：
由[]表得活塞杆[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.
则在B处横截面上的剪应力为：
τ
B= R B/A=]
[
1.1
)
10
28
(
4
16
.
673
2
3
τ
π
<
=
?-
MPa安全。
在B处的弯应力为：
σB=M B/A=安全。
3.2.3 腰部和基座设计
3.2.3.1 结构设计
通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图2-10。
该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。
1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座
5——支承工字梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器
图3-10 腰部和基座结构图
1——支座，2——电机，3——轴承，4——带传动，5——壳体
6——位置传感器，7——柔轮，8——波发生器，9——刚轮
图3-11 环形轴承的机器人机座
3.2.3.2 步进电机的选取
工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。
表3-4 各种驱动方式比较
比较内容驱动方式
机械传动电机驱动气压传动液压传动
步进或伺服
电机
输出力矩输出力矩较大输出力矩较
小
气体压力小，
输出力矩小，
如需输出力矩
较大，结构尺
寸过大
液体压力高，可以
获得较大的输出力
控制性能速度可高，速度
和加速度均由机
构控制，定位精
度高，可与主机
严格同步
控制性能
较差，惯
性大，步
易精确定
位
控制性能
好，可精确
定位，但控
制系统复杂
可高速，气体
压缩性大，阻
力效果差，冲
击较严重，精
确定位较困
难，低速步易
控制
油液压缩性小，压
力流量均容易控
制，可无级调速，
反应灵敏，可实现
连续轨迹控制
应用范围适用于自由度少
的专用机械手，
高速低速均能适
用
适用于抓
取重量大
和速度低
的专用机
械手
可用于程序
复杂和运动
轨迹要求严
格的小型通
用机械手
中小型专用通
用机械手都有
中小型专用通用机
械手都有，特别时
重型机械手多用
由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。
初选电机为BF 反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：
A 、传动系统等效转动惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 （1）、电机转子转动惯量D J 的折算
由《机电综合设计指导》表2-18查出D J =1.764㎏?cm 2 （2）、联轴器转动惯量L J 的折算
)/(8
22
cm Kg D M J c L = 式中：c M 为圆柱质量（Kg ），D 为圆柱体直径（cm ）,L 为圆柱体长度。 对于钢材，材料密度为)108.733
cm Kg ??-,把数据代入上式得：
（3）、滚珠丝杠转动惯量S J 的折算
查《机电综合设计指导》表4-2 P119，得出1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94㎏?cm 2，丝杠长度L ＝420mm ，所以滚珠丝杠转动惯量：S J =0.94×0.42=0.39㎏?cm 2； （4）、手臂转动惯量G J 的折算
工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量G J 可按下式进行计
算：M L J G 2
0)2(
π
= 见《机电综合设计指导》公式（2-6）P8 式中，0L 为丝杠导程（cm ）；M 为工作台质量（kg ）。
所以：2
2
2015.17114.328.0)2(cm kg M L J G ?=???
? ???==π
（5）系统等效转动惯量∑J 计算
2294.615.139.099.2764.1cm kg J J J J J G S L D ?=+++=+++=∑
B 、验算矩频特性
步进电机最大静转矩m ax j M 是指电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表2-21中查得m M j ?N =92.3max 。步进电机的名义启动转矩mq M 与最大静转矩m ax j M 的关系为：
max j mq M
M λ= 见《机电综合设计指导》公式（2-29）P32
查《机电综合设计指导》表2-12 P35得
λ＝0.707。所以，
m M mq ?N =?=77.292.3707.0
步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：
0M M M M Kf Ka Kq ++= 见《机电综合设计指导》公式（2-30）P32
式中：Kq M 为空载启动力矩（N ?cm ）；ka M 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N ?cm ）；Kf M 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N ?cm ）；
有关Kq M 的各项力矩值计算如下： （1）加速力矩
360
10602max max
2
max
p b Ka v n t
n J J M δθπε=?==-∑
∑见《机电综合设计指导》公式（2-32）和（2-33）P32
式中：∑J 为传动系统等效转动惯量；ε为电机最大角加速度；m ax n 为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，
m ax v 为运动部件最大快进速度；b θ为初选步进电机的步距角；p δ为脉冲当量。
min /1250360
01.09
.05000360max max r v n p b =??==
δθ
cm t n J M Ka ?N =?????=?=--∑
17.41102
.0601250
14.32294.61060222max π （2）、空载摩擦力矩
i
L f G M kf πη20
'=
见《机电综合设计指导》公式（2-34）P35
式中：G 为运动部件的总重量；f '为导轨摩擦系数；i 齿轮传动降速比；η为传动系数总效率，取η＝0.8；0L 为滚珠丝杠的基本导程。
cm M kf ?N =??????=
55.01
8.014.328
.0005.08.971
（3）、附加摩擦力矩
()
2
00012ηπη-=
i
L F M YJ 见《机电综合设计指导》公式（2-35）P35 式中：YJ F 为滚珠丝杠预紧力；0η为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0η＝0.96。
()
cm M ?N =-?????=
428.196.011
8.014.328
.0337.11420
所以，步进电机所需空载启动力矩：
cm M M M M Kf Ka Kq ?N =++=++=148.43428.1550.017.410
初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即
mq Kq M M ≤ 见《机电综合设计指导》公式（2-31）P32
从上式可知电机初步满足要求。
C 、启动矩频特性校核
步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。
查看《机电综合设计指导》图2-21 P36，从90BF001矩特性图中，可查得： 纵向：空载启动力矩Kq M ＝cm ?N 148.43对应的允许启动频率Z yq H f 2100=。查《机电综合设计指导》表2-11 P34，步进电2启动频率yq Z q f H f <=2000， 所以所选电机不会丢步。
D 、运行矩频特性校核
步进电机的最高快进运行频率KJ f 可按下式计算：
见《机电综合设计指导》公式（2-36）P36 式中：m ax v 为运动部件最大快进速度。算得Z KZ H f 33.8333=。
快进力矩KJ M 的计算公式：
0M M M Kf KJ += 见《机电综合设计指导》公式（2-37）P37
式中：0M 为附加摩擦力矩， Kf M 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：
。
查看《机电综合设计指导》图2-22 P36，从90BF001运行矩频特性图中，可知： 快进力矩KJ M ＝m cm ?N ?N 0.019781.978＝对应的允许快进频率KJ yKJ f f >； 所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。
综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。 3.2.3.3 轴承的选取
a 、环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。
b 、丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204， 它的有关参数如下：
3.3 工业机器人的机械传动装置的选择
3.3.1 滚珠丝杠的选择
估算：等效载荷 F m = 1000 N , 丝杆有效行程420 mm , 等效转速 n m = 1500 r/min , 要求使用寿命L '
h = 15000 h 左右，工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。 A 、 计算载荷 F c = F K a K R K t K m F
查<机电液设计手册> 上册，表15-21得
F K = 1.1 ， a K = 1.0 ，R K t K = 1
F c = F K a K R K t K m F = 1.1?1.0?1.61?1?1000 = 1771 N a '
C = = 3
4
17711067.115000
1500???
= 19559 N
B 、 选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为：
按a '
C = 19559N ，查《机电一体化设计基础》表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝
杠，系列代号为FYC1-4008-2.5。
0D = 40 mm , n P =8 mm , w D =4 mm , d = 39mm ，滚珠直径d0=3.969mm
滚道半径 R= 偏心距 e==mm d R 20106.5)2
969.3064.2(07.0)2(07.0-?=-?-
丝杠内径 mm mm R e D d 76.35)064.22106.5240(222
01=?-??+=-+=-
'd ≤27 mm , a C =24000 N , C K =1880 N
螺旋导程角 γ = arctan
0n
d P π = arctan 40
6?π = 3o38′ 螺杆不长，无需验算稳定性。 C 、刚度验算
按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性
变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：
S δ= +
2
1
n Ed FP 4π 式中 T 1 = m F ·2
d 0
·tan( γ+v ρ) = 1000?2
40?tan('383?+'
''408)
= 1321 N·mm
磨擦系数f = 0.025, 当量磨擦角 v ρ= '
''
408，
剪切弹性模量 G=8.33?4
10 N/mm 2
所以：S δ= + 2
576
.351006.28
10004?????π = 0.0387 μm
其中，危险截面1d = 35.76，E = 2.06
每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形
s s δ = 3
1060387.0-? = 6.6 m μ/m < (s s δ)p = 15m μ/m 因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得
(
s
s
δ)p = 15m μ/m 所以其刚度满足要求。 D 、计算效率
η=
()v tan tan ρ+γγ
= ()
'
'''408383tan '383tan +??= 0.960 = 96%
3.3.2 谐波齿轮的选择
谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点：
a、传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在50～500之间，在只传递运动的装置
中可达1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以更大。
b、这种传动同时啮合的齿数多，可达总齿数的30%～40%。故承载能力大。
c、运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。
d、效率高（减速传动下，一般可达0.7～0.9），结构简单，零件少，重量轻。
在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少
1/2～1/3。
e、缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。
传动比小于35时不能采用谐波传动。
由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。
本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。
型号XB1-80-100-2-3/3
机型号100，既柔轮的公称内径为80mm
减速比100 三大件订货
精度等级，最大空回小于3分（角）/最大传动误差小于3分（角）
3.3.3联轴器的选择
该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。图2-12所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5通过压圈3施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环2分别产生径向弹性变形，消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。
这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。
1——套筒，2——内外环，3——压圈，4——轴，5——螺栓
图 3-12 消隙联轴器
第四章工业机器人的计算机控制系统概述
4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求
工业机器人具有多个自由度，每个自由度一般包括一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统，一般要用计算机来实现。因此，机器人控制系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动，并保持设定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有如下的基本要求和特点。
A、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能
在机器人的各类作业中，运动和控制方式主要有两种。
1）点位控制方式（PTP控制）这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定的点上进行操作，因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而对达到目标点的运动轨迹（包括移动的路径和运动的姿态）则不作任何规定，这种控制方式易于实现，但不易达到较高的定位精度，适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求在目标点轨迹运动。
B、存储和示教功能
要使机器人具有完成预定作业的功能，须先将要完成的作业示教给机器人，这个操作过程称为示教，将示教内容记录下来，称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作，称为再现。所以工业机器人的动作是通过示教—存储—再现的过程实现的。
C、对外部环境的检测和感觉功能。
4.2 计算机控制系统的设计方案
控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBM-PC，80C51系列CPU。
第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。
一级机与示教盒通讯采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。
二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。
毕业设计论文 四自由度搬运物料工业机器人的设计 摘要:在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人示教编程伺服制动
The Design of an Industrial Robot with Four DOFs for Carrying Material for a Punch Abstract:In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jobs of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servocontrol, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback
六自由度工业机器人 对于工业机器人的设计与大多数机械设计过程相同;首先要知道为什么要设计机器人机器人能实现哪些功能活动空间（有效工作范围）有多大了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来;第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式;第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制;第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 下面我将以六轴工业机器人作为设计对象来阐明这一设计过程： 在介绍机器人设计之前我先说一下机器人的应用领域。机器人的应用领域可以说是非常广泛的，在自动化生产线上的就有很多例子，如垛码机器人、包装机器人、转线机器人;在焊接方面也有很例子，如汽车生产线上的焊接机器人等等;现在机器人的发展是非常的迅速，机器人的应用也在民用企业的各个行业得以延伸。机器人的设计人才需求也越来越大。 六轴机器人的应用范筹不同，设计形式也各不相同。现在世界上生产机器人的公司也很多，结构各有特色。在中国应用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等国外进口的机器人。 既然机器人的应用那么广泛，在我国却没有知名的生产公司。对于作为中国机械工程技术人员来说是一个值得思考的问题！有关机器人技术方面探讨太少了从业人员还不能成群体虽然在很多地方可以看到机器的论术，可是却没有真正形成普及的东西。 即然是要说设计，那我就从头一点一点的说起。力求讲的通俗简明一些，讲得不对的地方还请各位指正！ 六轴机器人是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活;是一种柔性技术较高的工业机器人，应用面也最广泛。那么怎样去从头开始的设计它呢工作范围又怎样去确定动作怎样去编排呢位姿怎样去控制呢各部位的关节又是有怎么样的要求呢等等。。。。。。让我们带着众多的疑问慢慢的往下走吧！ 首先我们设定：机器人是六轴多自由度的机器人，手爪夹持二氧气体保护焊标准焊枪;完成点焊、连续焊等不同要求的焊接部件，工艺要求、工艺路线变化快的自动生线上。最大伸长量：1700mm;转动270度;底座与地平线水平固定;全电机驱动。 好了，有了这样的基本要求我们就可以做初步的方案的思考了。 首先是全电机驱动的，那么我们在考虑方案的时候就不要去考虑液压和气压的各种结构了，也就是传动机构只能用齿轮齿条、连杆机构等机械机构了。 机器人是用于焊接方面的，那么我们就去考察有人工行为下的各种焊接手法和方法。这里就有一个很复杂的东西在里面，那就是焊接工艺;即然焊艺定不下来，我们就给它区分一下，在常用焊接里有单点点焊、连续断点点焊、连续平缝焊接、填角焊接、立缝焊接、仰焊、环缝焊等等。。。。。。 搞清了各种焊方法，也就明白了要实现这些复杂的动作就要有一套可行的控制方式才行;在机械没有完全设计出来之前可以不做太多的控制方案思考，有一个大概的轮廓概念就行了，待机械结构做完，各方面的驱动功率确定下来之后再做详细的程序。 焊枪是用常用的标准的焊枪，也就是说焊枪是随时可以更换下来的，也就要求我们要做到对焊枪的夹持部分进行快速锁定与松开。
目录 目录 (1) 中文摘要 (2) Abstract (2) 第1章绪论......‥ (3) 第2章工业机器人的总体设计 (3) 2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 (3) 2.2 工业机器人的设计分析 (4) 2.2.1 设计要求 (5) 2.2.2 总体方案拟定 (5) 2.2.3 工业机器人的主要技术参数 (5) 第3章工业机器人的机械系统设计 (6) 3.1 工业机器人的运动系统分析 (6) 3.1.1 机器人的运动概述 (6) 3.1.2 机器人的运动过程分析 (7) 3.2 工业机器人的执行机构设计 (8) 3.2.1 末端执行机构设计 (8) 3.2.2 手臂机构设计 (11) 3.2.3 腰部和基座设计 (12) 3.3 工业机器人的机械传动装置设计‥ (18) 3.3.1 滚珠丝杠的选择 (18) 3.3.2 谐波齿轮的选择 (19) 3.3.3 联轴器的选择 (20) 第4章工业机器人的计算机控制系统概述 (20) 4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求‥ (21) 4.2 计算机控制系统的设计方案 (22) 4.3 硬件电路的组成 (22) 第5章工业机器人运行时应采取的安全措施 (22) 5.1 安全要求 (22) 5.2 实施方法 (23) 鸣谢 (23) 参考文献 (24)
中文摘要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人 Abstract Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot for three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Key words：three degrees of freedom, cylindrical, Industrial robot
工业机器人常用坐标系介绍 坐标系：为确定机器人的位置和姿态而在机器人或空间上进行的位置指标 系统。 坐标系包含：1、基坐标系(Base Coordinate System) 2、大地坐标系(World Coordinate System) 3、工具坐标系(Tool Coordinate System) 4、工件坐标系(Work Object Coordinate System) 1、工具坐标系机器人工具座标系是由工具中心点TCP 与座标方位组成。 机器人联动运行时，TCP 是必需的。 1) Reorient 重定位运动(姿态运动)机器人TCP 位置不变，机器人工具沿座标轴转动，改变姿态。 2) Linear 线性运动机器人工具姿态不变，机器人TCP 沿座标轴线性移动。机器人程序支持多个TCP，可以根据当前工作状态进行变换。 机器人工具被更换，重新定义TCP 后，可以不更改程序，直接运行。 1.1.定义工具坐标系的方法：1、N(N=4)点法/TCP 法-机器人TCP 通过N 种不同姿态同某定点相碰，得出多组解，通过计算得出当前TCP 与机器人手腕中心点( tool0 ) 相应位置，座标系方向与tool0 一致。 2、TCPZ 法-在N 点法基础上，Z 点与定点连线为座标系Z 方向。 3、TCPX，Z 法-在N 点法基础上，X 点与定点连线为座标系X 方向，Z 点与定点连线为座标系Z 方向。 2. 工件坐标系机器人工件座标系是由工件原点与座标方位组成。 机器人程序支持多个Wobj，可以根据当前工作状态进行变换。 外部夹具被更换，重新定义Wobj 后，可以不更改程序，直接运行。
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
三自由度圆柱坐标型工业机器人设计 学院：机电工程学院 班级： 姓名： 学号：
1.末端执行机构设计 采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图。内撑连杆杠杆式夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，即当液压缸1工作时，推动推杆2向下运动，使两钳爪3向外撑开，从而带动弹性爪4夹紧工件。该种夹持器多用于内孔薄壁零件的夹持。
2.弹性爪的结构设计: 这种结构是在手爪外侧用螺钉固定弹性片两端。当弹性手工作时，由于夹紧过程具有弹性，就可避免易损零件被抓伤、变形和破损。 3.手臂机构的设计 本设计中手臂由滚珠丝杠驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手
臂随机座一起转动。它的结构如下图。选用轴向脚架型液压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。 4.腰部和基座设计 1——支座，2——步进电机，3——谐波齿轮，4——转动机座5——支承槽钢梁，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联轴器 通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动壳体转动，从而实现机器人的旋转运动；通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用双导柱导向，防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如上图。 5.驱动方式的选择
由上表知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的 优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，所以本设计采用它来实现机器人的旋转和上下移动。选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。 由上表知,液压驱动方式反应灵敏,可实现连续轨迹控制,液体压力高，可获得较大的输出力,因此机器人的伸缩运动采用液压驱动方式来实现,从而使机器人容易找准工件。它的型号为Y-HG1-C50/28×100LJ1HL1Q，它的主要技术参数如下表
优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
六自由度机器人结构设计、 运动学分析及仿真 学科：机电一体化 姓名：袁杰 指导老师：鹿毅 答辩日期： 2012.6 摘要 近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获 得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此 研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义 的。 典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在 生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项 目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。 首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了 经验。 第1 章绪论 1.1 我国机器人研究现状 机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动 作业任务的机械装置。 机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及 人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。 我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要
河北工业大学城市学院 毕业论文 作者：周** 学号：***** 系(专业)：机械系 专业：机械设计与制造及其自动化 题目：全转动副三自由度并联机器人 指导者：李** 教授 (姓名) (专业技术职务) 评阅者： (姓名) (专业技术职务) 2015 年6月11 日
目录 1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 - 1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 - 1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 - 1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 - 1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 - 1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 - 1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 - 2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 - 2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 - 3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 - 3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 - 3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 - 3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 - 4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 - 4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 - 4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 - 4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 - 5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 2 6 - 结论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -
沈阳工程学院 课程设计 设计题目：三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计 系别自控系班级 学生姓名学号 指导教师祝尚臻职称讲师 起止日期：2012年1 月2 日起——至2012 年1 月13 日止 - I -
沈阳工程学院 课程设计任务书 课程设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计 系别自动控制工程系班级 学生姓名 学号 指导教师职称讲师 课程设计进行地点：F430 任务下达时间：2011年12月31日 起止日期：2012 年1 月2日起——至2012 年1 月13日止教研室主任年月日批准 - II -
三自由度直角坐标工业机器人设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： 1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。3通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。 1.2 基本要求 1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。 3要有控制系统硬件设计电路。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）设计过程的资料保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 顺序阶段日期计划完成内容备注 1 2012.1. 2 讲解主要设计内容，布置任务打分 2 2012.1. 3 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分 3 2012.1. 4 检查机械结构设计并指出错误及纠正；打分 4 2012.1. 5 继续机械机构和传动机构设计打分 5 2012.1. 6 进行控制系统设计打分 6 2012.1.9 检查控制系统原理图设计草图打分 7 2012.1.10 完善并确定控制系统打分 8 2012.1.11 指导学生进行驱动机构的选择打分 9 2012.1.12 进行传感器的选择和软件流程设计打分 10 2012.1.13 检查任务完成情况并答辩打分 2011-12-30 - III -
XX大学 毕业设计(论文) 单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 年月
摘要 近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。 机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。 随着机械手技术的快速发展，工业机械手的应用范围正在不断扩大，提出了新要求，为提高机械手教学教育的水平，我们研制出一套以实验教学为目的的机械手演示系统。 本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。 关键词：机械手；工业；传动；强度
Abstract From the industrial robot manipulator (Mechanical), controller, servo drive system and sensing device, a humanoid operation, automatic control, can repeat programming, three-dimensional space can be completed in the various operations of the electromechanical integration automatic production agency. It to stabilize, improve the product quality, improve production efficiency, plays a very important role in improving the rapid working conditions and product. Industrial robot technology is a high-tech integrated computer, control theory, mechanism, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics multidisciplinary and form, is the contemporary research is very active, more and more widely applied in the field. The robot is on the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work continuously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non-industrial sector, service equipment, automation equipment is indispensable the field of advanced manufacturing technology. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry. With the rapid development of robot technology, the application field of industrial robot is constantly expanding, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system. This assay describes the development process of the robot, the application status at home and abroad, robot based on the specific design requirements, the overall design of the degree of freedom, the concrete structure design and calculation; Key Words: robot; industrial; transmission; strength
工业机器人的十一个问答 1、工业机器人定义及特点？ 定义：机器人是一个在三维空间具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器：而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。 特点：可编程、拟人化、通用性、机电一体化 2、工业机器人有哪几个子系统组成？各自的作用是什么？ 驱动系统：使机器人运行起来的传动装置。 机械结构系统：由机身手臂末端操作器三大件组成的一个多自由度的机械系统。 感受系统：由内部传感器模块和外部传感器模块组成获取内部和外部环境状态的信息。 机器人-环境交互系统：实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统 人-机交互系统：是操作人员参与机器人控制与机器人进行联系的装置 控制系统：根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能 3、什么是机器人的自由度？机器人位置操作需要几个自由度？姿态操作需要几个自由度？为什么？ 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度，位置操作需要3个自由度（腰肩肘）姿态操作需要3个自由度（俯仰偏航侧滚）。但是工业机器人的自由度，但是工业机器人的自由度是根据其用途而设计的可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。 4、工业机器人的主要技术参数有哪些？ 答：自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力 5、机身和臂部的作用各是什么？在设计时应注意哪些问题？ 答：机身是支承臂部的部件，一般实现升降回转和俯仰等运动。
机身设计时需要注意： 1)要有足够的刚度和稳定性 2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置 3）结构布置要合理臂部是支承腕部手部和工件的静动载荷的部件，尤其高速运动时将产生较大的惯性力，引起冲击，影响定位的准确性。 设计臂部时要注意： 1）刚度要求高 2）导向性好 3）重量轻 4）运动要平稳，定位精度要高。 其它传动系统应尽量简短以提高传动精度和效率;各部件布置要合理，操作维护要方便；特殊情况特殊考虑，在高温环境中应考虑热辐射的影响腐蚀性环境中应考虑防腐蚀问题。危险环境应考虑防暴问题 6、手腕上的自由度主要起什么作用？如果要求手部能处于空间任意方向则手腕应具有什么样的自由度？ 手腕上的自由度主要是实现手部所期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X Y Z的转动。即具有翻转俯仰和偏转三个自由度 7、手部的作用和特点 机器人手部的作用：工业机器人的手部也叫末端操作器是用来握持工件或工具的部件 特点： 1）手部是一个独立的部件 2）手部是工业机器人的末端操作器。不一定与人的手部结构相同。可以具有手指也可以不具有手指：可以有手爪也可以是专用工具
三自由度机械手的结构设计 摘要 本文简要介绍了机械手的概念，机械手的组成和分类，国内外的发展状况及发展前景。 本文对机械手进行总体方案设计，结合生产实际及理论确定了机械手的结构及动作过程，坐标型式和自由度数，并列出了机械手的技术参数。 设计出了机械手的驱动方案、控制方案，在进行控制方案的选取时进行了不同方案的优缺点的对比，最后确定了具体的控制方案。在进行机械手控制器件的选取时，对控制器件选择进行了详细的分析，如对步进电机参数的具体选取。最后介绍了利用可编程序控制器对机械手进行控制，同时叙述了可编程序控制器选取原则及工作过程，并绘制出了可编程序控制器外部接线图。在用可编程序控制器控制时分为手动和自动两种工作方式，并绘制了自动工作方式的顺序功能图。 关键词机械手的概念，机械手控制器件，可编程序控制器（PLC） ThREE DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR DESIGN ABSTRACT
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 一、引言 1.1简要介绍机械手的概念 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1机械手的组成 (5) 1.2.2机械手的分类 (5) 1.3国内外发展状况 (6) 二、三轴自由度机械手的结构及动作过程 (7) 2.1机械手的结构 (7) 2.2机械手的动作过程 (8) 2.3机械手的驱动方案设计 (9) 2.4机械手的控制方案设计 (9) 2.5机械手的座标型式与自由度 (10) 2.6机械手的技术参数列表 (11) 三、控制器件选型 (11) 3.1步进电机及其驱动器选择 (11) 3.2直流电机及其驱动器选择 (12) 3.3旋转编码器的选择 (14) 四、机械手的PLC控制设计 (15) 5.1可编程序控制器的选择 (15) 5.2可编程序控制器的工作过程 (16) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (20) 附录 (21)