1、工业机器人毕业设计说明书阳泉学院 - 毕业设计说明书摘 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、取件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。本文将设计一台三自由度的工业机器人，用于给注塑机取出成品。关键词： 机器人；气缸；注塑机；结构设计1摘要.11前言 .41.1机器人概述 . .41.2机器人的历史、现状 . .51.3机器人发展趋
2、势 . . 62机械手设计方案 .82.1机械手基本形式的选择 . . 82.2驱动装置的选择 . . 103引拔设计 .123.1设计参数 . . 123.2方案设计 . . 123.3引拔机构结构设计 . . 123.3.1引拔气缸参数计算. 123.3.2附加导向杆机构设计. 144 机械臂的设计 .154.1设计参数 . . 154.2方案设计 . . 154.3机械臂气缸的选用 . . 154.3.1预选气缸的缸径 3 .154.3.2预选气缸行程 .164.3.3验算缓冲能力 .164.3.4活塞杆长度的验算 .164.3.5计算气缸的空气消费量 .164.3.6选择活塞杆端部接头
3、 .164.3.7选择气缸的品种和安装形式 .165横行的设计 .185.1设计参数 . . 185.2方案设计 . . 185.3横进气缸的选用 . . 195.4导轨设计 . . 206机械手结构设计 .216.1夹持器设计的基本要求 . . 216.2夹紧装置设计 . . . 216.2.1 夹紧力计算 .216.2.2驱动力计算 .226.2.3气缸驱动力计算 .226.2.4选用夹持器气缸 2 .236.2.5手爪的夹持误差及分析 4 .236.2.6楔块等尺寸的确定 .266.2.7材料及连接件选择 .297气动顺序动作的确定. 318安装 .329维护 .338.1机械手循环周期
4、 . . 338.2导轨和轴承 . .338.3驱动系统 . . 338.4气动系统 . . 348.5真空抓手回路 . .348.6注意配线磨损 . .358.7检查润滑 . . 358.8检查成型设备 . .3610结论 .37参考文献 .38致谢 .391前言1.1 机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等
5、作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人” （Industrial Robot ）：多数是指程序可变 （编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基
6、本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1 所示。手部腕部执行机构臂部腰部机器 基座部（固定或移动）人驱动 - 传动系统 电、液或气驱动装置单关节伺服控制器控制系统关节协调及其它信息交换计算机图 1 机器人的一般组成1.2 机器人的历史、现状机器人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器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机
7、构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System
8、) 和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell ) 中的重要一环。随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、
9、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ CIM ）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人
10、系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器
11、人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信
12、息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。2机械手设计方案2.1 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下 4 种，如图 2 所示：（1）直角坐标型机械手；（ 2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.1.1 直角坐标型机器人直角坐标型机器人，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的， 3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是：(1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。(2)
13、计算比较方便。(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。(5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.1.2 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人， R、和 x 为坐标系的三个坐标，其中 R是手臂的径向长度，是手臂的角位置， x 是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.1.3 极坐标型机器人极坐标型机器人又称为
14、球坐标机器人， R， 和为坐标系的坐标。其中 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：(1)在中心支架附近的工作范围较大。(2)两个转动驱动装置容易密封。(3)覆盖工作空间较大。(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。(5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.1.4 多关节机器人多关节机器人，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。 、和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能
15、达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。(2 关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4)适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型图 2 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型 .2.2 驱动装置的选择机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。2.2.1 液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：(1) 液压容易达到较高的压力（常用液压为 2.5 6.3MPa），体积较小，可以获得较大的
16、推力或转矩；(2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；(3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；(4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。液压传动系统的不足之处是：(1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险；(2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；(3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。2.2.2 气压驱动与液压驱动相比，气压驱动的特点是：(
17、1)压缩空气粘度小，容易达到高速；(2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；(3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；(4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。它的不足之处是：(1)压缩空气常用压力为 0.4 0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；(2)空气压缩性大， 工作平稳性差， 速度控制困难， 要达到准确的位置控制很困难；(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。2.2.3 电动机驱动电动机驱动可分为普通
18、交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。由于气压驱动气源容易获得，无污染， ,故本设计确定选用气压驱动。3引拔设计3.1 设计参数（1）伸缩长度： 160mm；（2）单方向伸缩时间： 12S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无
19、刚性冲击；3.2 方案设计气动驱动方案伸缩原理采用单出杆双作用气动油缸，手臂纵向移动时采用单向调速阀进行节流调速，接近终点时，发出信号，进行调速缓冲，靠气缸行程极限定位，采用附加导向杆防止转动，采用电液换向阀，控制伸缩方向。1、引拔 2 、小型导向气缸 3 、机械臂连接块 4 、附加导向杆图 3 引拔示意图3.3 引拔机构结构设计3.3.1 引拔气缸参数计算3.3.1.1 预选气缸的缸径及缸桶壁厚：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F。取 =0.2F= W=0.2*300=60（N）【6 】（3-1 ）根据负载的运动状态，预选气缸的负载率。取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力
20、p。p 应小于减压阀进口压力的 85%。已知 F, 和 p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比d/D=0.30.4 ，由式（ 3-2 ）至式（ 3-4 ），便可选定缸径 D，缸径 D 的尺寸应标准化 .p0.49MPa【6】（3-2 ）F0D 2 p【6】4（3-3 ）F100%(3-4)【 6】F0解得 D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径 D 取 20 。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算：pD1242 0.05(cm)b【 6】2 24.910(3-4)式中 D为缸筒内径 (cm) ， p 为缸筒承受的最大气压力 (MPa)， 为缸筒材料的需用应力（ MPa）。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的7 倍，再圆整到标准管材尺寸，这里 b 取 10mm。3.3.1.2 预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为160mm。
