工业机器人设计（含全套CAD图纸）

I 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 工业机器人设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 工业机器人对于人类来说是当今世界最为突出的发明之一，人类对机器 人深入的进行研究。在上个世纪的 70 年代以后，计算机技术、控制技术、传感 技术和人工智能技术的迅速发展，工业机器人的研究也进入了高速发展的阶 段，成为综 合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学 等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的 综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的一项技术。机器人应用水平是一 个国家工业自动化水平的重要标志。 本课程通过对工业机器人设计，帮助自身加深对的理解和提高对其专业 知识机械原理、机械设计、材料力学机器人、传动、实体建模、有限元分析等方 面的相关内容的运用能力。 3、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解工 业机器人设计原理，国内外的研究发展现状； 完成工业机器人设计的总体方案设计； 完成有关零部件的选型计算、结构强度校核及气动系统设计； 熟练 掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合 A0 不少 于 2.5 张； 完成 设计说明书的撰写，并翻译外文资料 1 篇 。 四、接受任务学生： 机械 94 班 姓名 白文杰 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2013 年 11 月 12 日 工业机器人设计 III 摘 要 在生产过程工业机械手是模拟人手动作的机械设备，它可以替代人工搬运重物或单 调，在高粉尘，高温，有毒，易燃，放射性和其他相对较差的工作环境。机器人可用于 在生产过程中的自动化抓住并移动工件自动化设备，它是在生产过程的机械化和自动化， 开发出一种新的类型的设备。近年来，随着电子技术，特别是计算机的广泛使用机器人 的开发和生产的高科技领域已成为迅速发展起来的一项新兴技术，它更促进机器人的发 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。机械手能够代替人类完成 危险、减轻人类劳动强度、重复枯燥的工作，提高劳动生产力。 本设计是关于三自由度的圆柱形机械手。利用 Auto CAD 软件对制件进行设计绘图。 其包括夹持器、小臂、大臂和底座。明确合理的设计思路，确定了机械手工作原理并对 然夹持器、气缸、步进电机、轴承进行了校核计算并附带了简图并对零件的质量、重心、 惯性主轴和惯性力矩进行辅助设计计算，可以大大减轻在设计过程中繁琐计算及校核步 骤。 关键字：机械手，气缸，校核。 IV 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 目录 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目录 .V 1 绪论 .1 1.1 本课题研究的内容和意义 .1 1.2 国内外发展概况 .1 1.3 工业机械手设计内容 .2 1.4 机械手设计的作用 .2 1.5 工业机械手的分类和组成 .2 2 手部的设计 .5 2.1 机械手设计参数和运动方案 .5 2.1.1 运动方案 .5 2.1.2 驱动系统和位置检测装置的选择： .5 2.2 手部设计的结构和计算 .6 2.2.1 机械手的基本要求 .6 2.3 手部力的计算 .7 2.3.1 夹紧力的计算 .7 2.3.2 手爪驱动气缸的设计 .8 2.3.3 手部误差的分析 .10 3 机械手臂的设计 .12 3.1 机械小臂设计 .12 3.1.1 小臂驱动力的计算 .12 3.1.2 小臂驱动气缸的设计 .13 3.1.3 气缸筒壁厚 的计算 .14 3.1.4 气缸的选用 .14 3.1.5 校核活塞的稳定性 .14 3.1.6 小臂刚度校核 .15 3.1.7 端盖的连接方式及强度计算 .15 3.2 大臂的结构设计 .17 3.2.1 大臂的结构和要求 .17 3.2.2 驱动力的计算 .17 VI 3.2.3 大臂驱动气缸的设计 .17 3.2.4 气缸的选择 .18 3.2.5 校核活塞的稳定性 .18 3.2.6 大臂刚度校核 .19 4 驱动系统设计 .20 4.1 轴承的设计 .20 4.1.1 轴承的选择 .20 4.1.2 轴承的计算： .20 4.1.3 轴承的寿命校核： .21 4.2 电机的基本情况和选择 .22 4.2.1 电机的选则与计算 .22 4.2.2 注意事项 .23 4.2.3 工作原理 .24 4.2.4 步进电机的特点 .24 4.3 谐波减速器 .24 4.3.1 谐波减速器的简介 .24 4.3.2 谐波减速器的设计 .25 4.4 腰座的结构 .26 5 总 结 .28 致 谢 .29 参考文献 .30 附 录 .31 工业机器人设计 1 1 绪论 1.1 本课题研究的内容和意义 机械工业是国民的基本部分。工业机械手的设计是一项综合设计与机械制造，机电 工程等专业联系一起。通过这次设计提高学生的机构分析能力，机电一体化机械结构设 计的设计能力提升。来学习一些生产时的设计方法。 工业机械手是近十年来发展起来的，一种高科技自动生产。这体现了人类智能和适 应性，机械手能在各个环境下完成作业能力，在国民经济发展中起着重要的作用，具有 很广阔的前景。近 20 年来，气动技术的运用领域迅速拓宽，尤其在各个生产线上的应用。 可编程控制和气动驱动相结合，使整个自动化系统更高级。控制更加的灵敏，性能更佳 的可靠。 工业机械手设计是机械设计，机电一体化，机械制造等我们学习的专业中一个重要 的环节，是学完有关专业课和教学基础课程的一次专业的综合设计。学生的机械结构设 计和分析综合能力都得到了有效的提高。通过这次学习得到了掌握生场自动化的设计技 能。 经过这次设计，可以把有联系的课程（气动技术，机械设计，机械原理，测试技术， 危机计算机原理等）中我们所知道的理论性知识加以运用，从而得到巩固和发展，让理 论和实际得到了更好的结合。所以说机械手设计是一门比较综合的设计。 经过这次设计，培养了学生独立分析机械设计的能力，树立了正确的设计思想和思 维，掌握了机电一体化一些机电产品的步骤和基本设计方法，这样为今后自动化的设计 打下了良好的基础。 通过本次的机械手的设计，让学生熟练的去掌握和运用一些相关的知识，比如参考 资料还有范文章结构。是学生具有一个设计人员应该具有的基本设计技能 1。 1.2 国内外发展概况 现在对于国内的情况，机械手大部分的使用在各个领域。比如：在冷加工工业里还 有在机床的加工上。当然我们在生产过程中会有很多的困难。比如说：形式复杂和环境 温度过于高这些都影响着生产。但我们可以提供这方面的技术解决困难，让机械手更好 的工作为了更好的得机械手的能力，我们要提高它的性能和速度。在其它行业和工业部 门，也随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。 现在对于国外在行业中运用机械手有很多。美国首先把机械手运用于搬运一些对人 体具有伤害的放射性物质。国外实质上是使用的是定位控制机械手，他没有视觉上和触 觉上的反馈。世界各地正在积极地研究视觉和触觉上有反馈的机械手，让他能够准确的 来定位工件的位置和准确的夹持工件。为了判断机械手抓取的是否是工件，她有视觉传 感器输入 三个方向的视觉的信息，因此，在计算机图形分析，以确定是否抓取工件。目前主要运 用在机床，压力机的下料和横断压力机的下料，以及喷漆和点焊等作业。在国外发展机 械手的趋势是加大力度研制具有某种智能能力的机械手。让其具有一定的传感的能力， 无锡太湖学院学士学位论文 2 对于外界的变化能够反馈，并相应的做出反应和变更。如果有一个位置稍有偏差，即是 能够自我纠正，但也可以检测，强调视觉功能和触觉功能的研究。已经取得了一些成果。 世界高端工业机器人，高精密，高速，多轴，轻量级的趋势。符合要求的微米和亚微米 级的定位精度，它的运行速度可达到 3M/S 的新产品，以实现六轴负载 2KG 生产系统量 已超过总重量为 100KG。更重要的是，机器人手的柔性制造系统和柔性制造单元相结合， 从根本上改变当前系统的手动操作的机械制造状态。同时，随着机器人和小型化再小型 化，其应用将超过传统的机械领域，向电子，生物，生命及科学，航空和航天等高端产 业方向上发展。 1.3 工业机械手设计内容 机电一体化技术是集合机械工程、传感技术、信息处理技术等形成的一种综合的技 术。尽管机电一体化的产品种类比较多，但由于他们形式和复杂程度还有功能的不同， 做工的机械本体部分是最基本的，必不可少的因素。工业机械手的设计在内容和知识还 有深度上都是适中的。 我们所要设计的是拟定整体的方案，驱动装置和传动装置的方案。根据自由度选择 和合适的参数选择合适的手部和腕部还有臂和机身的结构。完成各部分的计算。工业机 械手工作装配图的设计与绘制。气压系统的设计。机械手的运动分析。最后写上说明书。 1.4 机械手设计的作用 机械手的广泛运用可以归纳为以下几方面： 1）建造轴类、盘类、环类的自动线。一般采用的都是机械手在传送带之间或机床之 间传送工件。深井泵厂自动生产线在沈阳和大连轴承 4 轴和 5 轴加工自动马达线轴等， 已成为国内汽车生产线。 2）在实现单机自动化方面。各种的半自动化机床都有夹紧、进刀、切削、退刀和松 开等反面的功能。不过还需要人去上下料。如果实现自动化只需要一个人去看管机器。 现在机械手在这方面运用的有很多。一些国产机在出厂时附带机械手，安装机器人的用 户提供了条件。 3）国内大规模生产 3T，5T，10T 锻造锤，转一转炉下部，两个机器人放置在炉子前 有一定的角度，从而使材料的自动化。 总的来说：对环境的适应性强，能代替危险的事物和对人有害的操作，长时间工作 对人有害的场所，对于机械手是没有影响的。只要合理的设计，合理的选材就可以在高 温、有害气体、放射性物质、灭火等环境中都能自如的工作。 机械手的持久度和耐劳性能强，可以把人们从单调的劳动中解救出来。甚至扩大了 人的功能，他进行适当的维修、检修即能实现长时间的单调重复的工作，有与机械手工 作精确度高，可以避免认为的操作错误。 机械手灵活性好，能适应产品的变化。因为机械手的运动程序和运动位置能够十分 灵活的改变。因为他的自由度，又能提供迅速改变作业内容。在小批量生产中，起着重 要的作用。采用机械手能明显提高劳动生产效率和生产成本。 工业机器人设计 3 1.5 工业机械手的分类和组成 按规格分类：微型的重量在 1kg 以下； 小型的重量在 10kg 以下 ；中型的 重量在 50kg 以下；大型的重量在 200kg 以下。 按功能分类： （1）简易型工业机械手。有两个固定的程序，近年来普遍采用可编程控制器组成控 制系统。这种机械手气动的和液动的为主，因为这个结构简单而且价格便宜。运用于一 些简单的单机搬运工作已经足够了，所以这种的工业机械手数量很多。 （2）记忆再现性工业机械手。这种机械手的移动设备通过人工领了一遍，然后记录 原始的程序存储器，所以机器人可以重复上述动作。 （3）智能机械手。是由传感器控制的，具有视觉，还有触觉，还有行走功能和热觉。 按用途分类：专用机械手和通用机械手。独立的控制系统，专用机械手，这种机械 手的动作固定的对象变量，可靠，适用于大批量生产和大批量生产。通用机械手的工作 范围大、通用性强。适用于中和小批量生产 2。 工业机械手是由执行机构、驱动机构和动力机构组成。如图 1.1 图 1.1 机械手传动机构 执行机构它主要有夹持器、臂部、腰座和行走机构等运动机构构成。 传力机构有很多的形式，比如有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜锲杠杆式、丝杠螺 母式、弹簧式和重力式。 传动机构主要组成部分手臂可以有 3 个自由度，可以采用的是圆柱型坐标系、直角 坐标系。球坐标系和多关节四种坐标系，这四种方式。圆柱型坐标占的空间比较小，工 作范围也小但是他惯性大并且不能抓物体的底面。直角坐标工作范围下而且占的空间大， 最关键是自由度少。球坐标和多关节式占有的空间小、惯性小吗、动力小、工作范围也 小还能抓一个底面的物体，唯一的缺点就是多关节机械手结构过于复杂，一般很少用到。 驱动机构有气动、液动、电动和机动这四种方式。液动输出高，臂力可以达到 1000N 以上，能够实现连环的控制，是工业机械手的用途更加的广泛。气动式不仅速度快、结 构简单而且成本低。有较高的定位精度但是臂力在 300N 以下。所以不同的场合适合用不 同的驱动方式。 控制机构 驱动机构 执行机构 工件 位置检测装置 无锡太湖学院学士学位论文 4 控制系统有连续型控制和点控制两种方式。大多数的点位控制都用的是插销板和可 编程控制器和计算机来控制。用磁盘磁带等来记录程序。主要控制其坐标的位置，并注 意其加速度的特性。 这边将设计圆柱型机械手，圆柱型机械手结构简单容易上手。圆柱形机械手简图 1.2 1手爪 2气缸 1 3气缸 2 4气缸 3 5谐波减速器 6步进电 机 图 1.2 圆柱型机械手简 这设计为具有一个指导原则。毕业设计的原则是：使命陈述为根本设计目标要求的 具体设计要求，充分考虑机器人的工作环境和过程的具体要求。符合技术要求的基础上， 尽可能多地具有结构简单，尽可能使用标准化，模块化的通用元件配件，以降低成本， 同时提高了可靠性。本着科学，经济和满足生产要求的设计原则，还要考虑设计毕业设 计的特点，在大学所学到的知识，如机械设计，机械原理，气动，电气传动与控制， ，电 子技术，自动控制，机械系统仿真尽可能的设计的综合运用知识，设计对巩固和加强， 考虑到个人能力水平和大学水平的知识客观现实的时候，充分发挥个人的积极性，朴实 的，现实做设计 3。 1 2 3 4 5 6 工业机器人设计 5 2 手部的设计 2.1 机械手设计参数和运动方案 2.1.1 运动方案 机器人为了工作有一执行机构被称之为手爪。手不直接用于装夹工件的手结构是多 样的，有不同的材料属性，以及不同的表面条件。方案设计图 2.1 图 2.1 机械设计方案 方案一：采用较大的回转半径，在相同转速的条件下，由于回转的角度较小，故所 需的时间较短；但他也有它自身的缺点，他回转臂较长。这样回转轴做回转运动时的转 动惯量和偏重力矩比较大；可以考虑使用配重块来调整，但会影响整体的设计结构，并 且增加整机的重量。 方案二：采用较小的回转半径，可以减少其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩。在 相同转速的条件下，由于回转的角度较大，故所需的时间较长，但可以考虑适当提高转 速来满足要求。 综上两种方案，决定采用方案二。 设计时的主要参数主要参数 ： （1）抓取重量 200N。 （2）的最大工作范围：根据所选择的形式的运动，按最大的自由度来决定。 （3）运动速度：根据设计过程中实际情况进行确定。 （4）定位精度：采用机械挡块定位机构，定位精度3mm。 2.1.2 驱动系统和位置检测装置的选择： （1）驱动系统 （2）腰座回转运动上的旋转运动由步进电机驱动器，具有更好的控制性，还有定位 精确，小体积等特点。 （3）剩余的移动考虑气动驱动器，具有结构简单，使用方便，成本低能量 工 件 传送带 工件 传送带 方案 1 方案 2 无锡太湖学院学士学位论文 6 （4）位置检测装置 （5）行程检测装置使用行程开关，机械挡块，它是通常使用的运动少低速专用机械 手和较高的使用寿命，成本相对于便宜等。 （6）腰座的角位移一般采用位置传感起来检测。 结构布置上的要求： 臂部要防止偏重；加强臂部刚度；改进缓冲装置和提高配合精度。 设计方法： 在整体设计完成的主要参数是确定的，设计中的整体结构的机器人。在设计过程中 进行检查的每个部分上的部件的质量，密度，体积，重心，转动惯量和惯性主轴计算机 辅助设计计算，可以很好的减少在设计过程中繁琐的计算和检查程序。 根据机械手部分的相互关系，采用从：末端执行器小臂大臂机座的顺序进行 设计 4。 2.2 手部设计的结构和计算 2.2.1 机械手的基本要求 （1）要有夹紧力和驱动力，手部力量要适当，过小就夹持不住，松动、脱落。 那么结构庞大，不经济，耗能大。 （2）手指要有足够的角度开闭，一边抓取和退出工件。 （3）要有准确的夹持精度，有准确的相对位置 （4）要结构紧凑，重量轻，效率高。 （5）还要考虑到适应环境的特殊性。比如说在高温环境下、冲击力比较大的环境、 腐蚀性比较轻的环境下。 这次设计的是：采用滑槽杠杆式，双支点夹持物体，运用力矩原则把手闭合，持体。 基本结构的分析 5 本次采用的是滑槽杆手爪 图 2.2 图 2.2 滑槽手爪 表示支点到对称中心的距离单位为 mm。 表示支点到工件中心的距离单位为a b mm。 表示手爪夹紧时滑槽方向与两支点间的夹角。 表示销中心的位置到支点中心距 c b 2 1 a c 连 杆 工件 工业机器人设计 7 离。 在杠杆 3 向下的力的作用，销轴会有一个向上拉力为 F,则滑槽对销轴有方作用力。 图 2-3 手爪受力分析 由 得 0F (2.1)21F 由 得 Y (2.2)cos1 力矩等于零得 OM (2.3)bFN1 (2.4) cosa 将（2.4）式 (2.5)2 式中的 表示支点到对称中心的距离单位为 mm。 表示支点到工件中心的距离单位a b 为 mm。 表示手爪夹紧时滑槽方向与两支点间的夹角。 分析表明，当驱动力 F 是常数，角度的增大，握力也增加，但角度太一般的原因的 杆的行程太大，增加手的结构的，所以最好 = 034 2.3 手部力的计算 2.3.1 夹紧力的计算 增加手指夹紧力工件手主要的设计基础。大小，方向和作用点，必须加以分析和计 算。一般的状况下，需要克服静载荷和运动产生的工件的负荷状态下工件原料的重力而 所产生的惯性力，这样工件保持一个稳定的夹紧的状态 。6 工件被手指夹紧的夹紧力可按下式计算： (2.6)GKFN321 式中 安全系数，一般取 1.22.0；1K 动载系数，主要考虑惯性力的影响。2 ga12 (2.7) F F2 F1 C F1 FN 无锡太湖学院学士学位论文 8 其中 a 是重力方向上升时所产生的最大加速度；g 是重力方向向下加速度一般取 9.8 或 1sm/ (2.8)maxt v 运载时上升的最大速度；maxv 系统所要达到最高速度时所需的时间，一般选取 0.030.5s；t 方位系数，它是依照手指和工件位置不同来进行选择； 3K 查机械工程手册 ， 0.91.1，取 =1；3K3K G被抓取的工件所受到的重力（N） 。 .NG20 手爪的各个尺寸 机械手所能达到最高的响应时间ma50b15 是 0.5s，求夹紧力 和驱动力 和驱动气缸的尺寸。F （1）设 =1.5 =100mm/s =0.5s 工件在重力方向移动速度为 0.1mm1axVst 将数据代入式（2-7）中得动载荷系数 = =1.02；取 =1 gaK12 0.5983K 根据(2-6)公式，将已知条件 1,2.,.3 =1.51.021200=306.3N；所以得到夹紧力为 306.3N。NF 查机械工程手册表 56.2-4 的连杆传动的和部分结构，根据前面所示的机械手2 结构，并对照表 56.2-4，选取 (2.9) 1F )(sin NSabP -连杆传动机构的效率. -杠杆的倾斜角. 根据驱动力公式；取 ，取 ,而 ， ， 则得如下驱动85.0o9015b0a03 力。 N 08.1247 85.0 136)903sin(si 5F )si(in 2N abP 根据计算得手爪的驱动力为 .P1 2.3.2 手爪驱动气缸的设计 气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成 (1)缸筒的内径的大小表示了气缸的输出力的大小。活塞在静止缸上应该做的往复运 动滑动，内筒的表面粗糙度应可以实现 。umRa.0 工业机器人设计 9 (2)端盖上进气和排气和进气系统，气口上方，一些设备仍然在盖上还具有缓冲机构。 杆侧的端盖具有从活塞向外，以防止泄漏，并防止外部的灰尘混合罐的密封和防尘密封。 杆侧的端盖上面还设制有导向套，以方便提高气缸的导向的精度，另一方面也承受了少 量的横向负载，并且减小了活塞杆其伸出时侯的下弯曲量，这样就大大的延长气缸的使 用寿命。为减轻导向套的重量并防止生锈，通常使用的是铝合金压铸。 (3)活塞它在汽缸里面是一受到压力作用的零件。设计活塞密封圈是为了防止活塞左 边和右边发生串气。活塞环的磨损有明显的效果，减少活塞密封圈的磨损，提高指导， 减少摩擦。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。密封圈尺寸是决 定活塞宽度的必要因素。如果说滑动部分过于短小，容易引起早期的卡死和磨损。常用 铝合金和铸铁来制造活塞。 (4)活塞杆则是气缸中最重要的受力零件了。在正常情况下，它是利用高碳钢，硬铬 电镀表面，提高了耐磨损性，其密封 。7 (5)静止不动的部分的密封即使静密封，相反来回转动或者反复来回运动的部件的密 封也就是所谓的动密封。 单个动作就是一端只有一个活塞杆，只从一个方向的一端的气体进行输出，输出功率 大，靠弹簧复位双作用是指由的活塞两侧进行交替的供气，由两个方向输出力。 冲击气缸：是一种新型元件。它能够把压缩气体的压力转换成活塞前后运动的动能， 因此完成作功效果。冲击气缸其中增加带有了喷口以及泄流口的中盖。中盖把气缸分成 三个部分，分别是储气腔、头腔和尾腔这三部分。它应用广泛，主要的运用于冲孔、下 料和成型等多样性的工作。摆动气缸从叶片来回摆动，将被分离成两个腔的两腔交替地 供应，从而使输出轴作摆动运动。工作环境的基础上的力的大小来确定进一步的推力和 拉力杆尺寸。若选择的汽缸径小了，那么输出力将不够，气缸就不能够正常的工作。如 果缸径过大，笨重的消耗增加的移动设备，成本绞高，则就会造成很大的浪费。在设计 时，减少气缸的尺寸，则应尽量采用增力机构。 (1)一般采用铸铁缸体，如果完全消除后厂铸造过程中，为了生活中的内应力产生， 它必须经过时效处理。时效时间过短，加工好的汽缸在运行的过程当中还会变形。 (2)汽缸运转是非常复杂的，不仅要被安装在一个气缸的各个组成部分在其中的静载 荷的重量和其他外部和内部和外部的气体压力差，还要经受冷态下的连接管道缸动力的 作用，蒸出的静止的定子部分反应，气缸塑性变形引起的泄漏。 (3)如果增加或减少气缸的负载是太快了，特别是对于一个快速启动，停止和温暖缸 不正确，工作条件的变化，温度的变化，停机打开保温层时存在过早等现象，气瓶和法 国兰花会产生相当大的热变形和热应力。 (4)气缸焊接或机械应力，导致从处理后，如果不进行回火气缸被淘汰，这将导致更 大范围内的残余应力的气缸在操作过程中产生永久变形。 (5)在安装过程中，由于在气缸的相反侧的维修技术问题的蒸汽分离器包络不适当膨 胀间隙，压纸或不适当的安装耳朵膨胀间隙，运行后的气缸的变形力的巨大膨胀。 (6)汽缸所使用得密封剂质量不好、型号不对或者是杂质较多的话；如果气缸内的密 封剂与硬质粒子中的杂质，将导致密封面很难合在一起。 (7)汽缸的螺栓的紧力不够或是螺栓的材质不够强度的话。螺栓主要使汽缸结合面的 严密性主要靠。螺栓的应力会松弛，在起停 无锡太湖学院学士学位论文 10 或是增减负荷时产生的热应力和高温会造成环境下，螺栓的预紧力就会逐渐减小在应力 不足的环境下。不充分的强度的螺栓材料，在长期的运行中，汽缸的膨胀力和气缸的热 应力的作用下被拉长，螺栓会产生塑性变形，紧固力将是不足的，导致在气缸泄漏现象 。5 根据液压传动与气压传动 得气缸的外径公式 ，3 (2.10)224dpFD 式中： -驱动力为拉力。 。 2F N08.172P -负载率。 -工作压力。p 与 的关系，现在设 ， 。5.0MPa 5.p -活塞杆直径。一般取 ，取 。将各个只带入式d 32/Dd25.0/Dd (2.10)中得： mpFD 92)4(5.015.014.38.27 26 根据机械设计，圆整后取 。则 。活塞杆稳定性校m9D 3/Dd 核：由于活塞杆受拉时工作，故可不校核其。手爪气动缸如图 2.4 图 2.4 夹持器驱动气动缸 2.3.3 手部误差的分析 在夹持不同直径的圆棒料时 ,手指的形心或工件轴心位置会发生变化。实际上 ,因为 夹持不同的工件，其尺寸不同从而将会导致它的轴心的位置发生变化这些变化可认为是 夹持误差 ,将取其中最大的误差来评价夹持精度。夹持误差是由手指在夹持的过程中位姿 决定 ,它将会直接影响到整个的机械手的定位精度。当然 ,为了提高夹持精度，其中比较 有效方法是手指结构可、更换手部或者运用自位手指机构 。但这类手指结构都较为复杂。 为了让手指方便简单的去工作，采用固定式的机械手夹持物件，但其工作的环境要求比 工业机器人设计 11 较高的 。6 为了保证手抓张开角为 ，o60 机械手的夹持范围为 60120mm。夹持误差不超过3mm. 分析如下：工件的平均 半径： = =45mm；手指长 L=150mm，V 型夹角CPR2603021 偏转角 （2.11）sinco1LCP 由式（2.1）： = = =69.731iRcp1o60sin54 按最佳偏转角确定： =69.73 计算理论平均 150sin60cos69.73=45.00mm；因为 cLi0min0maxR 22max2max21 asinLcosin)si( R 22 25073.69sin150 5073.69csi1)( 22 2.si .cos6in)( 132.6622996 131.5274278 1.13487 所以 =1.134873 夹持误差满足设计要求。 无锡太湖学院学士学位论文 12 3 机械手臂的设计 3.1 机械小臂设计 （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻。 机身和机械手臂的承载能力，一般取决于它的刚度。一般的手臂都是采用水平的或 垂直悬伸的方式。那么很显然的就知道，当手臂的伸长长度越长那么它的刚度就会越差， 臂的刚度会随着臂的伸长或缩短而不断地变化的。手臂的刚度对于机械手的运动状态和 运动的质量都有一定的影响。 （2）臂部运动速度要高，惯性要小。机械手手臂的主要运动参数之一是机械手的运 动速度，它主要反应的是其生产的水平，这个其实主要是根据生产的节奏来确定的。机 械手的运动速度一般是匀速运动。在做变速运动的时候实在手臂启动和停止的一段时间 它做的是变速运动。一般在启动时间的加速度和终止时间的加速度不能够太大否者会发 生冲击和震动等效果。 （3）手臂动作应该灵活。为了让手臂动作灵敏，可以尽量使用滚动摩擦代替滑动摩 擦，减少件与件之间的摩擦阻力。 （4）机器人的臂的结构和大小应该满足的操作任务，工作空间。 （5）加载臂和其结构的特点，高强度的轻质材料的手和手臂的结构合理的选择，以 减少手臂本身的重量。 （6）应该有可能减轻重量的臂相对的旋转接头的旋转运动，并偏向转动惯量，它可 以减少负载驱动装置的旋转力矩，从而降低了操作的动态载荷和冲击，响应手臂运动速 度提高。 3.1.1 小臂驱动力的计算 小臂的整体结构简图：图 3.1 Z1 图 3.1 小臂的整体结构 小臂部在搬运工件时做得收缩运动时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式 计算： （千克力） （3.1）kgfFPmq 手爪气 缸 气缸 工业机器人设计 13 式中： -摩擦阻力。其中包括导轨支承间的摩擦阻力，活塞与缸壁及密封处的mF 摩 擦阻力。则 N 465.90F.31m 2得 密 封 处活 塞 与 缸 壁导 轨 mF -起动过程的惯性力。其大小按下式计算：gF （3.2）kgftvGg 其中： -臂部移动部件的总重量。 缸导 杆手 爪工 件 GG N 62.35 8.93.26.4890 气 缸导 杆手 爪工 件 注：上式中的手爪、导杆、气缸的质量都是由质量特征求得。其密度均为： ，导杆取 。g/cm 8.7m -重力加速度。 -臂部运动速度。取 。v/s 2.0v -起动时所需的时间，一般可取 。现取 。t s 5.01t s 3.0t 故 。N 3.2 3.05 tgvGF 所以 。495.1 0.46.9 mqP 3.1.2 小臂驱动气缸的设计 根据液压传动与气压传动 ，有3 （拉力作功） 24dpFD （3.3） 式中： -驱动力为拉力。 。2F495.21PF -负载率。 -工作压力。 与 的关系，设 ， 。 pp.0MPa .p -活塞杆直径。d 一般取 ，取 。3.02./D25./Dd 无锡太湖学院学士学位论文 14 m 4)(5.015.014.349.2 26DdpFD 根据工业机器人设计 圆整后取 。 则 4 1/Dd 3.1.3 气缸筒壁厚 的计算 按薄壁圆筒公式计算：选用手爪驱动力进行计算： （3.4）(Pa) / m2 npDbs 式中： -缸筒内径， 。D 0.929 -工作压力 的 1.5 倍，即 。sppMPa185ps -缸筒材料的许用应力 。)(a -缸筒材料的抗拉强度 。 b P 选 45 钢，查机械设计师手册得 。 -安全系数，一般取 6 Pa 598bn ，取 ，则 则86n7n .43/7/nb (m) 107. 1085.2 . 246spD 根据计算 。 （45 刚无缝钢管）m 4 3.1.4 气缸的选用 气缸类型：活塞式单作用气缸； 安装形式：通用型； 气缸行程：按所需行程增加 1020mm; 运动速度：设置调速元件，如节流阀等； 润滑：除了润滑气缸，气缸应注意合理润滑的气源润滑器的入口，根据油的量调整。 根据上式的计算我们了解到气缸中 。则选择的参数如下:4,23,9maxaxdD m 5 ),( 63d 10 故 此 值 尽 量 取 大 些弯 刚 度考 虑 到 后 面 的 小 臂 的 抗D 3.1.5 校核活塞的稳定性 根据机械设计 取安全系数 ，校核条件：14 10stn tcrP（3.5） 工业机器人设计 15 临界力 （3.6）2lEIPcr 其中：弹性模量 。活塞杆截面的惯性力矩：Ga10 （3.7）64dI 则 12430.8266)10(1.3I 活塞杆杆长为 。0m.l 故 N976.54380.1.421432 1292 lEIPcr 所以 规定的稳定安全系数为 ，而 所以挺stnn8645.917 10stnn 杆满足稳定要求。 3.1.6 小臂刚度校核 最大弯力距 mN 62.350.1)89.326.489.20(M max 抗弯截面系数 33 01.57)16(4dW 力臂最大的许用应力 Mpa86.92.8ax 查相关手册 45 刚的弯曲应力为1 pa10 因为 ，所以满足要求max 3.1.7 端盖的连接方式及强度计算 (1) 缸体材料选择无缝钢管，然后端盖的连接链路多使用半环连接其优点是加工和装 拆方便等优点，缺点是开缸环槽强度减弱。 (2) 缸盖螺栓的计算 为保证连接的紧密性，螺栓间距 应适当。0t 表 3-1 工作压力与螺栓间距关系表 工作压力/ Mpa /mm0t 1.6 150mm 1.64 120mm 410 100mm 1016 80mm 1620 60mm 2030 40mm 这种联结中，每个螺栓在危险剖面上承受的拉力 为工作载荷 和残余预紧力 之FSOF 和 （3.8） OSF 无锡太湖学院学士学位论文 16 式中： 工作载荷， = SFSFZ pDP42 （3.9） 螺钉中心所在圆的直径； 驱动力；0DP 螺栓数目 = （3.10）ZZ0tD 剩余预紧力， ；0FSF)6.2( 计算： D=90mm， =100mm，P= ，螺栓直径 ，间距与工作压力有关，见0DMpa3.0md 表格 3-1 间距应小于 150mm，试选螺钉数为 8 个： 则将 代入式中 Z= ，得 =39150，满足要求； 8,30Z0tD0t 则 = =794.8N；SFZ pP42 因为 ，那么我将选择 ；F)6.02(0 NFS4.3975.0 21843970S 根据机械设计螺栓直径按强度条件计算 （3.11） JFd1 式中 计算载荷， ；JFJ3. 许用抗拉应力， ；nS 螺栓材料的屈服点，材料选择 45 钢，则屈服强度为 352MPa；S n安全系数，n=1.22.5，此处取 n=2； 螺纹内径， =d 1.224S，d 为螺栓公称直径，S 为螺距。1d1d 根据上式公式 86.15492.3.FJ 代入数据： mnd03.41 则螺栓公称直径为 ，取 M12 的螺栓 13。1.8.2.103. 工业机器人设计 17 3.2 大臂的结构设计 3.2.1 大臂的结构和要求 （1）要有一定的刚度和稳定性； （2）运动灵活，导套长度不应该过短,否则再做升降运动时可能会出现卡死现象， 要有导向装置； （3）结构安排应合理，便于拆除卸方便，很容易修复； 大臂的整体结构图 3.2 图 3.2 大臂的整体结构 3.2.2 驱动力的计算 驱动力： ；起动过程的惯性力 kgfFPmq kgftvGFg N 47.26 422211 导 杆平 台气 缸活 塞 杆导 杆气 缸手 爪工 件 GG 其密度均为： ，导杆取 。3g/c 85.m 36 臂部运动速度取 ；起动时所需的时间取 。s0v s .0t 故 。N 17. 3.02476 tgGF N 28.14F5.0675.0m 得 密 封 处活 塞 与 缸 壁导 轨 mF 所以 N 45.8 17.36.gqP 3.2.3 大臂驱动气缸的设计 根据液压传动与气压传动 ，有 24dpFD（拉力作功） 式中： -驱动力为拉力。2 。45.82PF 气缸 气缸 导向杆 活塞杆 无锡太湖学院学士学位论文 18 -负载率。 -工作压力。 与 的关系pp 与 的关系，设， ， 。5.0MPa . -活塞杆直径。一般取 ，取 。d302/Dd25.0/Dd m 5)4(5.015.014.34.8 262 pFD 根据有关书籍 ，圆整后取 。 则2 mD 1/Dd 3.2.4 气缸的选择 我们从上面小臂中的汽缸壁厚的计算中 () 2sp 而 MPa 85.43 9/7 /nb 大臂中的 和驱动力 比较小，所以大臂中的壁厚 小于小臂中的。D 根据计算选则与其相同的气缸： m 5 ),( 63d 10 故 此 值 尽 量 取 大 些弯 刚 度考 虑 到 后 面 的 小 臂 的 抗 3.2.5 校核活塞的稳定性 取安全系数 ，校核条件： 。10stnstcrnP 临界力 2lEIPcr 其中：弹性模量 。Ga 10 活塞杆截面惯性距 。12 434 0.8266)10(.36dI 杆长 。m 8.0l 故 N 7.340.1.8221. 1292lEIPcr stnn754.836 规定的稳定安全系数为 ，所以挺杆满足稳定要求。st 3.2.6 大臂刚度校核 最大弯力距 mN 62.350.1)89.326.489.20(M max 工业机器人设计 19 抗弯截面系数 9 33 102.45782)106(4.2dW 力臂最大的许用应力 MpaM6.9max 查相关手册 45 刚的弯曲应力为1 pa10 因为 ，所以满足要求max 机械臂的计算准确性和稳定性对产品的准确放置和工作中的安全性有重要的作用， 此机械臂能够左右和上下移 14。 无锡太湖学院学士学位论文 20 4 驱动系统设计 4.1 轴承的设计 4.1.1 轴承的选择 轴承所受的载荷的大小、方向性质，是选择轴承类型的主要依据。 由轴承的负荷的大小，类型的选择，因为主要的元件是一个滚子轴承的线接触，应 该被用来承受较大载荷，加载变形后也较小。和主要为点接触球轴承为承受轻微或中度。 根据承载类型选择为纯轴向载荷的方向，一般用在止推轴承。较小的纯轴载荷可选 用推力球轴承；较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承。如果我们遇到纯径向力时，通 常用于深沟球轴承，圆柱滚子轴承或滚针轴承。当轴承的径向负荷和轴向负荷不会太大， 可以选用深沟球轴承，角接触球轴承接触角小。当轴向载荷较大时可选用角接触球轴承 和圆锥滚子轴承。在内径相同的条件下，直径越小，较小的滚动体，做外圈滚道面的滚 动运动，离心力也较小，因此，更适合于在较高的转速下工作。故在高速下时，可再并 装一个相同的轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。外径较大的轴承，宜用于低载的场合。 保持架的材料和结构对轴承的影响极大。实体保持架比冲压保持架允许高一些的转速， 青铜实体保持架允许更高的转速度。如果运行速度略超过样本中指明的速度限制，您可 以选择更高级别的公差轴承，或使用更大的轴承游隙，使用循环润滑，加强流通和一些 冷却等措施，以提高轴承的高速性能。若工作转速超过极限转速较多，应选用告诉滚动 轴承 。10 当角度误差是因为中心线与轴承的中心线不重合，因为轴向力，或由弯曲或倾斜， 从而，两个内圈和外圈，将导致轴承的轴线的位置的偏转发生。所以需要我们应该选着 既能够能够承受较大轴向力和又能承受径向力的圆锥滚子轴承 。13 选择的圆锥滚子轴承 ：尺寸d: 190 尺寸D: 320 尺寸T: 78 4.1.2 轴承的计算： 已知载荷 。N 63.17GP 设手爪从一个传送带转到另一条传送带所需的时间为 4s，则转速 min/ 560/4312nr 取预期计算寿命 （24 小时连续工作的机械） ，则基本额定动载h50hL （4.1）)(6 1PCnh 那么 (N) 10 6nLPC 。为 基 本 额 定 动 载 荷 工业机器人设计 21 对滚子轴承， ，则 3/10 N 87.3905 10563.17 /0C 表 4-1 轴承工作温度和温度系数关系 轴承工 作温度 / 120 120 150 175 200 225 250 300 温度系 数 tf 1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.60 根据表 4-1 取温度系数 ，则 。) 10( 1Cft 轴 承 工 作 温 度 N 87.3905t 滚动轴承的当量载荷： arYFXP ,0,F r 为 径 向 载 荷其 中 轴向载荷， .NGa6317 查机械设计知不论 都有 .eFeFrara/还 是 21,YX 36.208.1732. OYXFPar 载荷性质为无冲击或轻微冲击，则可取载荷系数 .故实际的当量动载荷 Pf 。N 4.36208Pf 12 因为实际驱动力 小于额定动载荷 所以可以使用。C 4.1.3 轴承的寿命校核： 轴承的寿命计算公式如下： )(601PCnLh -轴承的额定寿命(h)； -当量动负荷， ；N 4.28 -寿命指数，对滚子轴承， ； 3/10 -额定动负荷（N） ，C (4.2)PfCTnFh 表示寿命系数，取 （滚子轴承， ） ；hf 4hf 50hL 表示温度系数，取 （ ） ；n 27.1nmi/r 表示温度系数，取 (工作温度 ） ；Tf Tf12 表示负载荷系数，取 (无冲击或轻微冲击） ；F .F 无锡太湖学院学士学位论文 22 3/1066 2975)4.2879(501 )(01 N 3.4.287.4 hh LPCnL 所以符合要求。h 4.2 电机的基本情况和选择 4.2.1 电机的选则与计算 （1）两种电动机是直流电动机和交流电动机。这是按电源分类的。在两个电机中交 流电动机还有单相电动机和三相电动机。 （2）如果要按电动机的结构或者说工作原理的话，那么我们把电机分为了两种味异 步电机和同步电机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电 动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电 动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥 电动机这三个电机又是由交流换向器电动机分成。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流 电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动 机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土 永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 （3）按照电动机的启动和运行的方式则有容动式电动机、电容盍式电动机、分相是 电动机以及电容启动运转式电动机 。15 （4）按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。 驱动电机分为电机，家用电器，电动工具，用小型电机和其他通用机械设备（包括 各种小工具，小型的机械，医疗设备，电子设备等）的电动马达。分为电机控制步进电 机和伺服电机。 步进电动机和伺服电动机等为控制用的电机。 （5）根据转子的结构分类，可分为转子鼠笼式感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步 电动机）和绕线式异步电动机（旧标准称为绕线式异步电动机）的结构。 （6）运行速度可分为高速电机，低速马达，恒定速度电机，变速电动机。 分为低齿轮减速电机电磁电机，齿轮减速电机，力矩电机和爪极同步电动机。除了 电机的转速恒定的速度可分为一类，无级恒速电机变速电动机和电机 无级调速电机，它也可以被分为电磁调速电动机，直流电动机，PWM 逆变器电机和 开关磁阻电机 13。 腰座作回转运动时，其主要转矩是由轴承的摩擦力产生的。 查机械设计手册 1知推力轴承摩擦系数 。0.3 则 摩擦力 NGF 4.5790.3 工业机器人设计 23 转矩 mcNFdM 08.124.5 考虑到加速力矩、附加摩擦力矩等因素，取 。mNM 16.2ax 根据最大静转矩，先取型号为 90BF002 的步进电机 。17 表 4-2 步进电机参数 步进电机的结构图 4.2 图 4.2 步进电机的结构 4.2.2 注意事项 （1）驱动电源的好坏对步进电动机所控制的那个系统的运行影响很大，在使用时应 该要特别的加以注意，我们需要的是根据运行的要求，尽可能的去采用先进的驱动电源， 来满足步进电机它的性能的运行。 （2）如果电机所带负载转动惯量较大，那么应该用比较低频来启动，接下来再慢慢 上升到工作频率，如汽车在停车时也应该工让电机降到适当的频率然后再停车。 （3）在工作过程中，应当尽可能的去避免因为负载的突然变化而引起的误差。 （4）如果在电机工作的过程中发生了失步的现象，那么，应该检查负载是否过大了， 电源的电压是不是处于正常状态；然后检查驱动电源的输出波形是不是正常；但要注意 在处理问题的过程中不应该随意的变换元件 。18 4.2.3 工作原理 步进电机的种类有很多，通常可分为三种类型:混合式步进电机，反应式步进电机和 永磁式步进电机 13。 （1）反应式步进电机:可以将其简单的分为三种电机，反应式、混合式和永磁式步进 电机。 （2）永磁式步进电机是使用永磁材料的步进电动机。 步进电机技术参数如下： 外形尺寸/mm 电机型号 相数 步距角 电压 电流 最大静转矩 分配方式 质量 外径 长度 轴径 90BF002 5 .180V 7A mN92.3五相十拍 4.5Kg 90m m 145mm 9mm 无锡太湖学院学士学位论文 24 （3）混合式步进电机是在变磁和永磁阻两个原理下作用下运行的。 4.2.4 步进电机的特点 （1）步进电机受数字脉冲信号的控制，输出角位移与输入脉冲数成正比。 （2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。 （3）步进电机的转向可以通过通电顺序来改变。 （4）对于步进电机它可以保持在固定位置，即使在某种情况下停止脉冲的输入，只 仅仅需要使绕组继续通电。 4.3 谐波减速器 4.3.1 谐波减速器的简介 谐波谐波齿轮传动减速器（谐波传动）是一种较为新型的行星齿轮减速器是使用开 发的原则。它主要由谐波发生器，柔性和刚性齿轮三个基本部分组成，其中主要依靠灵 活的部分产生的弹性机械波的发射功率谐波齿轮传动运动 14。 传动原理 用薄臂滚动的轴承凸轮式波发生器为主要的元件，刚轮固定，柔轮为从动元件。当 波发生器安装车轮时柔轮柔性力为圆形变为椭圆形，其轴齿轮和齿轮啮合的两端附近发 生完全啮合，刚性齿轮齿的短轴两端附近的齿完全脱开。谐波产生时开始旋转，柔轮的 变形开始依次进入啮合后退出然后在